DE3617603A1

DE3617603A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung der abgasemissionen von zweitakt-verbrennungsmaschinen

Info

Publication number: DE3617603A1
Application number: DE19863617603
Authority: DE
Inventors: Christopher Kim Kingsley Schlunke
Original assignee: Orbital Engine Co Pty Ltd
Current assignee: Orbital Engine Co Pty Ltd
Priority date: 1985-05-24
Filing date: 1986-05-23
Publication date: 1986-11-27
Anticipated expiration: 2006-05-24
Also published as: SE465172B; CA1286557C; IT1188700B; IT8620554A0; KR860009223A; JPS6232256A; DE3617603C2; FR2582349B1; BE904818A; SE8602372L; MX170711B; US4920932A; SE8602372D0; JPH0735726B2; KR940001931B1; BR8602375A; FR2582349A1; IT8620554A1

Description

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Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Abgasemissionen von Zweitakt-Verbrennungsmaschinen

Die Erfindung betrifft Zweitakt-Verbrennungsmaschinen und ist insbesondere auf die Steuerung des Verbrennungsprozesses gerichtet, so daß die nachteiligen Bestandteile des Abgases in erlaubten Grenzen gehalten werden.

Es ist bekannt, daß Zweitakt-Verbrennungsmaschinen eine schlechte Wirkungswelse sowohl im Bereich des Kraftstoffverbrauches als auch in der Menge der nachteiligen Emissionen im Abgas haben. Es sind allerdings auch wesentliche Vorteile durch eine weitergehende Verwendung der Zweitaktmotoren zu erzielen, und zwar erstens wegen ihrer relativ einfachen Konstruktion und zweitens wegen ihres relativ hohen Verhältnisses von Leistung zu Gewicht. Es besteht daher ein Bedürfnis für die Entwicklung eines Zweitaktmotors, bei dem die Abgasemissionen in durch die verschiedenen

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Regierungen in der gesamten Welt festgelegte akzeptablen Grenzen gehalten werden.

In einem üblichen Zweitaktmotor mit Kurbelkammerlader wird eine vorbestimmte Kraftstoff-Luftladung, in die Kurbelkamroer geliefert oder dort aufbereitet und dann der Verbrennungskammer über einen Einlaß- oder überströmkanal oder Kanal, der die Verbrennungskammer mit der Kurbelkammer verbindet, wenn der Kolben sich im Zylinder hin- und herbewegt, zugeführt.

V'enn das Ausmaß und die Natur der Bewegung der vorgemischten Ladung in der Zeit zwischen seiner ursprünglichen Bildung und dem komprimierten Zustand in der Verbrennungskammer unmittelbar vor der Zündung betrachtet wird, so ist zu erkennen, daß ein hoher Mischungsgrad zwischen dsm Kraftstoff und der Luft vorhanden ist. Dies bewirkt eine relativ gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffes über die Luftladung In der Verbrennungskammer und es wird allgemein als homogene Ladung betrachtet. Daher weist der Teil der vorbereiteten Ladung, der unverbrannt in die Abgasanlage gelangt, einen relativ hohen Anteil an Kohlenwasserstoffen auf, was ein EmissionsSteuerproblern darstellt. Die unverbrannte Ladung könnte zu dem Abgassystem durch einen "Kurzschluß" des Gasstromes zwischen dem überström- und Auslaßkanal gelangen, auch kann nach Beendigung der Verbrennung im Zylinder verbleibende unvollkommen verbrannte Ladung nach außen geleitet werden.

Nachdem die homogene Ladung mit korrektem Krafstoff· Luftverhältnis beispielsweise durch den Funken

j 35 einer Zündkerze gezündet worden ist, so wird die

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Verbrennung sich durch die Ladung solange fortsetzen, bis die Temperatur der Ladung ausreichend hoch ist, damit nicht die Flammenfront gelöscht wird. In dem Motor ist die Ladung verschiedenen Abktihlungseffekten unterworfen, wie beispielsweise bei dem Kontakt mit den Zylinderwänden, wodurch die Temperatur dieses Teils der Ladung in unmittelbarer Nähe zu den Wänden abgesenkt wird. Es wird daher in der Praxis ein etwas fetteres Kraftstoff-Luftgemisch verwendet, um die Verbrennung auch in die Abkühlungsbereiche der Ladung vorzutreiben. Dies kann bei einigen Motoren die aktuelle Menge unverbrannter Ladung verringern, aber dieser unverbrannte Teil ist reich an Kraftstoff und somit reich an Kohlenwasserstoff und verringert so in unterschiedlichem Maße die Vorteile durch das Ausbreiten der Flammenfront.

Es wurde auch vorgeschlagen, die Kraftstoff-Verteilung in einer Motorladung einzuschichten, so daß die näher an dem Zündpunkt liegende Ladung reich an Kraftstoff ist und dann mit dem Abstand von dem Zündpunkt ständig magerer ist. Das bedeutet, daß die Teile der Ladung, die am weitesten vom Zündpunkt entfernt sind und daher häufig nicht verbrennen, arm an Kraftstoff ^;sind und somit wenig Kohlenwasserstoffe enthalten. Allerdings trägt ein mageres Gemisch eher zum Auslöschen der Flammenfront bei und daher kann ein großer Anteil der Ladung unvollkommen verbrannt werden, mit einer entsprechenden Erhöhung an Kohlenwasserstoffen.

Die US-PS 3 817 227 von Onishi ist auf eine Verbesserung des Verbrennungswirkungsgrades in

einem Zweitaktmotor und die Reinigung der Abgase gerichtet. Diese Druckschrift beschreibt einen Motor, bei dem eine vorgemischte Kraftstoff-Luftladung durch die Kompression in der Kurbelkammer über Überströmkanäle in den Zylinder geliefert wird. Wegen der Art der Aufbereitung der Kraftstoff-Luftladung liegt sie in der vorgemischten Form vor und bildet eine im wesentlichen homogene Ladung, wenn sie an den Zylinder geliefert wird.

Die Onishi-Druckschrift schlägt eine Steuerung der Geschwindigköit der in den Zylinder eintretenden Kraftstoff-Luftladung vor, um dadurch die Mischung des ankommenden Kraftsfcoff-Luftgemisches mit dem im Zylinder vom vorhergehenden Zyklus verbleibenden Abgas zu steuern. Es wird in dieser Druckschrift ausgeführt, daß durch die Verringerung der Geschwindigkeit des ankommenden Kraftstoff-Luftgemisches eine Art von Schichtung zwischen Kraftstoff-Luftgemisch und verbleibendem Abgas erreicht wird. Dies verhindert, daß das Abgas das Kraftstoff-Luftgemisch mager macht und so die Brennbarkeit verringert und dies konzentriert das ankommende Kraftstoff-Luftgemisch in der i» Zylinderkopf vorgesehenen Höhlung.

Die Steuerung der Geschwindigkeit der ankommenden Gasladung wird, wie von Onishi vorgeschlagen, durch Koppeln der üblichen Drosselklappe in der Saugleitung mit einer ähnlichen Drosselklappe in der Abgasleitung stromabwärts vom Auslaßkanal erreicht. Die mechanische Kopplung der zwei Drosselklappen dient zum Vorsehen einer nicht linearen aber festen Beziehung

zwischen der Bewegung der Abgas-Drosselklappe in Abhängigkeit von der Bewegung der Drosselklappe in der Saugleitung. Diese feste Beziehung ist graphisch in Fig. 6 der bekannten Druckschrift dargestellt.

.

Es wird anerkannt, daß in einer derart bekannten Verbrennungsmaschine die Drosselklappenstellung in der Luftsaugleitung hauptsächlich die Motorlast bestimmt. Bei kleiner Last ist die Drosselklappe nahezu geschlossen und bei Maximallast ist sie vollständig offen, unabhängig von der Motorgeschwindigkeit. Daher berücksichtigt das bekannte Steuersystem nicht die Motorgeschwindigkeit, bei der die Last auftritt.

Dadurch, daß die Geschwindigkeit bei der bekannten Druckschrift nicht in Betracht gezogen wurde, wird man von der Möglichkeit seiner Verwendung zur Steuerung der Abgasemissionen, insbesondere ^d®r Kohlenwasserstoffe, abgelenkt. Es ist bekannt, daß der Spülprozeß einer Zweitaktmaschine unter Einschluß der Geschwindigkeit des ankommenden Luft-Kraftstoffgemisches und der abgehenden Abgase stark ,beeinflußt wird durch die Größe und die Frequenz der Druckimpulse im Abgassystem und diese werden stark beeinflußt durch und hängen ab von der Motorgeschwindigkeit. Die Drosselung des Auslaßkanals, wie in der bekannten Schrift vorgeschlagen, beeinflußt die Druckimpulse in dem Abgassystem und somit auch die Geschwindigkeit der Gasbewegung in dem Zylinder. Da ilerdings diese Drosselung nicht auf die Motorgeschwindigkeit bezogen ist, ist ihre Wirkung verringert und unter gewissen Umständen kann sie zur Erreichung der notwendigen

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Gasstrombedingungen in dem Zylinder schädlich sein.

Dar Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Zweitakt-Verbrennungsmaschine zu schaffen, bei der der · Verbrennungsprozeß über den ganzen Arbeitsbereich der Maschine gesteuert wird, um so annehmbare Abgasemissionswerte insbesondere im Hinblick auf Kohlenwasserstoffe zu erzielen. 10

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren für den Betrieb einer Zweitakt-Verbrennungsmaschine zur Steuerung der Höhe der Verunreinigungen im Abgas entsprechend dem Hauptanspruch gelöst, wobei die Maschine einen Zylinder, einen sich in dem Zylinder hin- und herbewegenden Kolben, die beide miteinander eine Verbrennungskammer bilden, deren Volumen sich mit dem Hin- und Hergehen des Kolbens zyklisch verändert, einen die Verbrennungskammer mit einer Luftquelle verbindenden Lufteinlaßkanal und einen die Verbrennungskammer mit einer Abgasleitung verbindenden Auslaßkanal aufweist, wobei der Einlaß- und Auslaßkanal durch die Hin- und Herbewegung des Kolbens geöffnet und geschlossen werden; der Verbrennungskammer wird durch den Einlaßkanal eine Luftladung zugeführt, die nach dem Schließen des Auslaßkanals durch die Bewegung des Kolbens komprimiert wird, und eine dosierte Kraftstoffmenge wird in die Verbrennungskammer eingespritzt und das Gemisch gezündet und die Verbrennungsprodukte werden nach der Expansion in der Verbrennungskammer durch den Auslaßkanal ausgestoßen.

Die Lastanforderung und die Geschwindigkeit der Maschine werden während ihres Betriebes abgetastet und der Gasstrom wird in der Verbrennungskammer in einem vorbestimmten Verhältnis zur Geschwindigkeit und Last der Maschine gesteuert, wobei der Auslaßkanal offen ist und die in der Verbrennungskammer bei Schließen der Kanäle zurückbehaltene Menge der Verbrennungsprodukte eingestellt wird, so daß die in den Verbrennungsprodukten enthaltenen Kohlenwasserstoffe in vorbestimmten Grenzen liegen.

Vorzugsweise wird die Steuerung des Gasstromes durch die Steuerung des Stromes durch den Einlaß-und Auslaßkanal erzielt, die nicht nur individuell den Strom durch jeden Kanal steuert, sondern da in jedem Motorzyklus Perioden vorhanden sind, bei denen beide Kanäle offen sind, besteht auch ein synergistischer Effekt, da beide Kanäle die Druckbedingungen in der Verbrennungskammer und somit den Gasstrom beeinflussen. Die Steuerung des Gasstromes in dem Auslaßkanal beeinflußt ebenfalls di« Druckimpulse im Abgassystem, wodurch die Spülung der Verbrennungskammer und/oder die Haltezeit der Ladung gesteuert werden kann.

Vorzugsweise wird die Steuerung des Gasstromes in der Verbrennungskammer durch die Verwendung von entsprechenden Drosselvorrichtungen in jedem der Ein- und Auslaßkanäle durchgeführt, wobei die Steuerung der Drosselvorrichtungen durch eine elektronische Steuereinheit vorgenommen wird, die geschwindigkeits- und lastabhängige Signale erhält.

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Die Drosselvorrichtungen, insbesondere die in dem Auslaßkanal,kann in der Weise angeordnet werden, daß gleichzeitig eine Veränderung des Timing des Schließens und öffnens des Kanals

erzielt wird.
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um die notwendige Steuerung der Verbrennungskanraier-Gasladung und somit eine Steuerung der Höhe der Abgasemissionen zu erzielen, ist es notwendig, unabhängige Steuerungen des Gasflusses durch den Einlaß- und den Auslaßkanal zu haben. Es muß nämlich möglich sein, innerhalb des Geschwindigkeitsbereiches des Motors die Auslaßdrosselklappe zu öffnen, wenn die Einlaßdrosselklappe geöffnet ist oder die Last bei einer bestimmten Geschwindigkeit steigt, während bei anderen

Geschwindigkeiten die Auslaßdrosselklappe teilweise geschlossen
/ist, wenn die Einlaßkanaldrosselklappe geöffnet ist. Es kann auch bei einigen Geschwindigkeiten innerhalb des Betriebsgeschwindigkeitsbereiches notwendig sein, die Auslaßdrosselklappe zu öffnen und dann zu schließen, wenn die Einlaß-Drosselklappe geöffnet ist, um dem Bedürfnis an einer steigenden Luftmenge entgegenzukommen. Daher 1st keine feste oder ständige Beziehung zwischen den Stellungen der Einlaß- und Auslaßdrosselklappen über den Last-Geschwindigkeitsbereich des Motors vorgesehen.

Diese unabhängige aber in Beziehung stehende Steuerung der Drosselung des Einlaß- und Auslaßkanals ergibt die verlangte Flexibilität in der Steuerung der Diuckfluktuationen am Auslaßkanal und entsprechendeine Flexibilität in der Steuerung des Spülvorganges. Es ist notwendig, 5 daß eine Änderung der Druckschwankungen sowohl

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in der Größe als auch im Timing mit der Motorgeschwindigkeit und der Motorlast möglich ist, so daß die notwendige Änderung der Menge des in der Verbrennungskammer zurückgehaltenen Abgases und somit die Steuerung der KohlenwasserStoffemissionen erzielt werden kann.

Ein weiterer Vorteil kann durch Änderung des Timing des öffnens und Schließens des Auslaßkanals erzielt werden, das ebenfalls das Timing der Druckschwankungen in dem Abgaskanal beeinflußt. Die Steuerung des Timing im Auslaßkanal ist auch für die Verbesserung des Drehmomentes im niedrigen Geschwindigkeitsbereich nützlich, wobei auch die Steuerung der Höhe der Abgasemissionen beibehalten wird.

Die Verwendung der direkten Einspritzung einer dosierten Kraftstoffmenge in die Verbrennungskammer ermöglicht die Herstellung einer Kraft-Stoffverteilung in der Luftladung in geschichteter Form mit einer reicheren Mischung in der Nähe des Zündpunktes und einer mit dem Abstand von dem Zündpunkt ständig magerer werdenden Mischung. Dadurch wird das Kraftstoff-Luftverhältnis verringert, so daß der Motor magerer läuft, wobei die Mischung in der Nähe der Zündkerze genügend reich ist, um eine zuverlässige Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches sicherzustellen. Da das Gemisch in der Nähe der ausgehenden Zündung reicher ist, ist das Gemisch im verbleibenden Teil der Verbrennungskammerladung magerer und ist wesentlich magerer als eine homogene vorgemischte Ladung. Wenn die Flamme gelöscht wird, bevor sie durch das gesamte Gemisch in der Verbrennungskammer durchge-

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drangen ist, so ist der unverbrannte Teil der Ladung aufgrund der verschiedenen Abkühlungseffekte sehr mager und enthält somit eine geringe Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, wodurch der Gehalt an Kohlenwasserstoffen im Abgas verringert ist.

Die Vorteile der Schichtung des Kraftstoffes in der Luftladung werden weiterhin durch die vorgeschlagene Steuerung des Gasstromes durch den Einlaß- und Auslaßkanal gesteigert, die die Menge des in der Verbrennungskammer zurückbehaltenen Abgases beim Schließen des Auslaßkanals einstellt. Dieses zurückbehaltene Abgas weist eine relativ hohe Temperatur auf und steigert somit die Temperatur der beim nächsten Zyklus in die Verbrennungskammer eintretenden frischen Ladung. Die resultierende Temperaturerhöhung des frischen Kraftstoff-Gasgemisches wird die Entflammbarkeit des mageren Teilsder Ladung verbessern, so daß die Flammenfront sich weiter in den mageren Teil der Ladung erstrecken wird und entsprechend 1st die Endmenge des unverbrannten Kraftstoffes verringert mit einer entsprechenden Verringerung des Kohlenwasserstoffs in dem Abgas.

Die Menge des zurückgehaltenen Abgases wird in Übereinstimmung mit der Last und der Geschwindigkeit gesteuert, so daß bei allen Punkten des Betriebsbereiches der Verbrennungsmaschine die von dem zurückgehaltenen Abgas erzielbare Wärmemenge ausreichend ist, um die Ladungstemperatur zu erhöhen und somit eine akzeptable Menge an Kohlenwasserstoff in den ausgestoßenen Abgasen zu erzielen.

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Es wird darauf hingewiesen, daß die im Zylinder zurückgehaltene Abgasmenge eine höhere Temperatur bewirkt, als wenn Teile des Abgases in die frische Luftladung zurückgeführt würden.

Es wird anerkannt, daß in einer konventionellen · Zweitakt-Verbrennungsmaschine der Teil des Abgases, der den Zylinder in der späten Ausstoßphase verläßt, einen relativ hohen Kohlenwasserstoff gehalt hat. Daher trägt das Zurückhalten dieses Teiles des Abgases oder Teile davon im Zylinder wesentlich zur Kohlenstoffemissionssteuerung bei.

Es ist bekannt, daß durch Mischen des Abgases mit dem Luft-Kraftstoffgemisch die NOx Verunreinigung im Abgas verringert wird. In mehreren bekannten Vorschlägen wurde das Abgas mit dem Luft-Kraftstoff gemisch gemischt, um eine im wesentlichen homogene Ladung zu erzielen. Allerdings kann eine Steigerung des Anteils des Abgases in einer homogenen Ladung zu Instabilitäten im Motorbetrieb führen. Insbesondere hat sich gezeigt, daß das Luft-Kraftstoffverhältnis, das zu Fehlzündungen im Motor führt, reicher wird, wenn die Menge des Abgases in der Gesamtladung steigt.

Der Verbrennungsvorgang und die Vorbereitung der Mischung entsprechend der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Vorteile der NOx Reduktion durch das Vorhandensein des Abgases in der Motorladung bei Verringerung der Wirkung, die dieses Abgas auf die Stabilität des Motors hat. Dies wird durch die Tatsache erreicht, daß die Abgase nicht in die eintretende Kraftstoff-Luftladung zurückgeführt wird, sondern bei Beendigung

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des vorhergehenden Arbeitszyklus in der Verbrennungskammer zurückbehalten werden. Das zurückgehaltene Abgas wird somit zu einem geringeren Anteil mit der frischen Luftladung gemischt, wobei eine Schichtung der frischen Ladung mit den zurückbehaltenen Abgasen erfolgt und wobei die frische Ladung in den Bereichen um den Zündungspunkt des Kraftstoffes konzentriert ist. Dies trägt zu einer stabileren Betriebsweise des Motors bei, die selbstverständlich durch die geschichtete Form der Kraftstoffladung unterstützt wird. Die kombinierte Wirkung ist die, daß der Kraftstoff hauptsächlich in der frischen Luftladung geschichtet wird, die wiederum im Verhältnis zu den zurückgehaltenen Abgasen geschichtet wird.

In einer üblichen Verbrennungsmaschine mit homogener Ladung aus Kraftstoff, Luft und Abgas tritt ein wesentlicher Teil der NOx Bildung während des Beginns der Verbrennung auf, wenn die Flammenfront sich von dem Zündpunkt entfernt. Dies liegt vorwiegend daran, daß zu diesem Zeitpunkt eine hohe Temperatur erreicht wird und auch daran, daß der Anteil des Arbeitszyklus, in dem diese Temperaturbedingungen herrschen, relativ hoch ist. Auch bei einer Verbrennungsmaschine mit geschichteter Kraftstoffladung, bei der das Gesamtluft-Kraftstoffverhältnis ungefähr stöchiometrisch ist und die Schichtung sich von reich zu mager in bezug auf d±e Zündungsstelle ändert, dann tritt die NOx Bildung hauptsächlich während des mittleren Bereiches des Verbrennungszyklus auf, bei dem die Flammen-

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20 ό Ό I / b L

temperatur und somit die Neigung zur NOx Bildung hoch ist aufgrund des relativ hohen Kraftstoff-Luftverhältnisses und bei dem Sauerstoff gut zugänglich ist. Außerdem ist der Zeitraum, bei dem die Bedingungen für die Bildung des NOx vorhanden sind, relativ lang.

Die Steuerung der Vorbereitung der Zylinderladung entsprechend der vorliegenden Erfindung stellt eine Ladung zur Verfugung, die nicht homogen ist, weder vom Standpunkt des Kraftstoffes und der Luft noch des zurückgehaltenen Abgases. Die Ladung weist eine Kraftstoffschichtung mit einem Bereich an Kraftstoff in der Nähe des Zündungsortes und eine zurückgehaltene Abgasschicht mit einem Bereich mager an Abgas ebenfalls in der Nähe des Zündungsortes auf. Diese Verteilung des Kraftstoffes, der Luft und des Abgases sieht eine Konzentration von Kraftstoff und Luft isa. Bereich der Zündung vor, so daß ein im allgemeinen mageres Gesamtkraftstoff-Gasverhältnis verwendet werden kann, ohne die Zündfähigkeit zu verringern. Trotz der Insgesamt mageren Mischung und der hohen Temperaturen, die am Anfang des Verbrennungszyklus herrschen, ist das Kraftstoff-Gasverhältnis in der Nähe des Zündungsortes ausreichend reich, um gezündet werden zu können und führt nicht zu NOx Bildung. Während des mittleren Bereiches des Verbrennungszyklus, bei dem eine starke NOx Bildung bei normalen Motoren mit geschichteter Kraftstoffladung auftritt, weist das erfindungsgemäße Verfahren eine Abmagerung des Kraftstoff-Luftverhältnisses und ein Absinken der Temperatür mit einer Erhöhung des Abgasanteiles auf.

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Auch die Kombination dieser Bedingungen trägt nicht zur NOx Bildung bei. Am Ende des Verbrennungszyklus unterdrückt die hohe Konzentration des Abgases aufgrund seiner Schichtung in der Verbrennungskammer die Bildung von NOx.

Die vorhergehende Beschreibung unterstreicht, wie die Einstellung der Ladungsverteilung in der Verbrennungskammer angewandt werden kann, um die Steuerung der Bildung von Kohlenwasserstoff und NOx während des Verbrennungsprozesses zu erzielen. Diese Einstellung der Ladungsverteilung kann durch ausgewählte Steuerung des Grades der Drosselung des Einlaß- und Auslaßkanals und des Timing der Drosselung des Auslaßkanals des Motors erreicht werden. Die Drosselung kann mit geeigneten Klappen im Einlaß- und Auslaßkanal oder in mit ihnen in Verbindung stehenden Kanälen oder Leitungen durchgeführt werden.

Der Einlaß wird in geeigneter Weise durch Vorsehen einer Drosselklappe in einer Zuführung beschränkt, durch die Luft in die Kurbelkammer gesaugt wird, bevor sie in der Kurbelkammer komprimiert und über einen überströmkanal ±n die Verbrennungskammer geleitet wird. Diese Anordnung ist gewählt worden, da der Raum für eine Anordnung in dem Oberströmkanal näher zu der Verbrennungskammer sehr begrenzt ist.

Außerdem ist es üblich, mehr als einen überströmkanal für jede Verbrennungskammer vorzusehen. Es wäre dann notwendig, in jedem überströmkanal eine Drosselklappe vorzusehen. Die Abgasbeschränkungen können in ähnlicher Weise durch

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ein Ventil oder eine Klappe im Auslaßkanal erreicht werden. Die Bewegungen der jeweiligen Absperrorgane oder Klappen kann durch entsprechende elektrisch betriebene und elektronisch gesteuerte Motoren durchgeführt werden. Die Absperrorgane können durch geeignete Magnet- · ventile oder Schrittmotoren, gesteuert von einer elektronischen Steuereinheit, betrieben werden. Positionssensoren können vorgesehen werden, die ein Rückmeldesignal für die aktuelle Stellung des jeweiligen Absperrorgans an die Steuereinheit geben, um die Genauigkeit der Einstellung der Absperrorgane zu verbessern.

Es soll erwähnt werden, daß die notwendige Strategie zur Erzielung bestimmter Verunreinigungswerte im Abgas und/oder im Kraftstoffverbrauch für jede unterschiedliche Verbrennungsgaschine variiert, erstens da die physikalische Geometrie des Motors den Verbrennungsprozeß beeinflußt. Faktoren, wie Abmessung und Anordnung der Einlaß- und Auslaßkanäle, der Orientierung des Einlaßkanals, Ausbildung des Zylinderkopfes und des Kolbens bilden sich ändernde Einflußgrößen auf den Gasstrom im Zylinder und auf den Verbrennungsprozeß. Zweitens wird das Abgassystem stromabwärts vom Auslaßkanal den Gasstrom im Zylinder beeinflussen aufgrund der am Auslaßkanal erzeugten Druckimpulse, die im Zeitverhalten und in der Größe veränderlich sein können.

Daher muß der Grad der Beschränkung der Gasströme im Einlaß- und Auslaßkanal experimentell für jeden Motortyp über den Last- und Geschwindigkeits-

bereich seines Betriebes festgelegt werden. Auch bezieht sich der Grad der Beschränkung auch auf die verlangte Höhe der Verunreinigungen im Abgas und/oder den verlangten Kraftstoffverbrauch. Bei einigen Anwendungen kann die Kraftstoffeinsparung des Motors wichtiger sein als die Höhe der Verunreinigungen Im Abgas und daher wird die Steuerstrategie anders sein als die, bei der die Abgasemissionen strikt gesteuert werden.

Die folgende Diskussion der Wirkungen der Beschränkung des Stromes in dem Auslaß-und EinIr- 3kanal eines Motors wird eine Einschätzung darüber geben, wie diese Ströme gesteuert werden können, um die Menge des in der Verbrennungskammer zurückbehaltenen Abgases einzustellen. Die Diskussion bezieht sich auf einen Dreizylinder-Zweitaktmotor von 12OO ecm bei einem Geschwindigkeitsbereich von 800 bis 3000 Umdrehungen pro Minute und einem Lastbereich von 0 bis 25 Nm. Der Motor weist eine direkte Einspritzung in den Zylinder und eine Kurbelkammerluftzufuhr auf.

1, Sehr niedrige Geschwindigkeiten (800 bis 1000 U/m)

In diesem Bereich weisen die Druckpulsationen im Abgassystem eine relativ lange Periode, in der sie abfallen, und eine geringe Höhe auf, wodurch Impulse im Abgassystem im allgemeinen einen geringen Einfluß auf den Strom durch den Auslaßkanal und somit auf die Steuerung der Zurückhaltung des Gases haben. Bei großen Lasten ist der Einlaßkanal nur teilweise gedrosselt und der Auslaßkanal

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ist vollständig gedrosselt, so daß die Querschnittsfläche zum Zurücksaugen des Abgases vom Abgas system in die Verbrennungskammer klein 1st. Bei geringen Lasten ist der Einlaßkanal gedrosselt und der Motor spricht nicht auf den Grad der Drosselung des Auslaßkanales an, und das Timing ist optimiert für hohe Lasten und niedrigen Geschwindigkeiten. Der Auslaßkanal ist vorzugsweise gedrosselt, um die Abgasreinheit zu verbessern. Daher ist in dem sehr niedrigen Geschwindigkeitsbereich die bevorzugte Drosselung des Einlaß- und Auslaßkanals:

a) Große Lasten: geöffnete Drosselklappe im Einlaßkanal, geschlossene Drosselklappe im Auslaßkanal, um das Verbleiben des Abgases in der Verbrennungskammer zu verringern. ' .

b) Niedrige Lasten: geschlossene Drosselklappe im Einlaßkanal erhöht die Verweildauer des Abgases in der Verbrennungskammer, geöffnete Drosselklappe lsi Einlaßkanal verringert die Verweildauer des Abgases, Drosselklappe im Auslaßkanal ohne Einfluß.

2, Geringe Geschwindigkeiten (1000 bis 20OO U/m)

In diesem Bereich 1st die Drosselklappe im Auslaßkanal sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Lasten geschlossen, hauptsächlich um die Wirkung von aus dem Abgassystem zurückkehrenden ungewünschten Impulsen zu verringern. Das Schließen der Drosselklappe im Auslaßkanal verändert die Ankunftszeit und die Größe des Impulses am j

Auslaßkanal. Bei diesen Geschwindigkeiten ändert die Drosselung des Auslaßkanales das Timing des zurückkehrenden Impulses, so daß niedrigere Druckpegel in der Verbrennungskammer bei geschlossenem Auslaßkanal erzielt werden können.

Das bedeutet außerdem, daß die Drosselklappe im Einlaßkanal für den gleichen Luftstrom in den Motor geschlossen werden kann oder die Drosselklappe im Einlaßkanal kann unberührt bleiben, wodurch ein höherer Unterdruck häufig mit einem leichten Anstieg des Luftstromes erzielt wird.

Verringerter Druck in der Verbrennungskammer bei geschlossenem Auslaßkanal bedeutet ebenfalls, daß weniger Abgasverdünnung vorhanden ist und somit das Abgas/Kraftstoffverhältnis reicher ist, aber die Abgas/Luftverhältnisse können höher sein, da die Verdünmingspegel niedriger sind. Diese Merkmale treten sowohl bei hohen als niedrigen Lasten auf wegen der Stärke der geschwindigkeitsabhängigen aus dem Abgassystem zurückkehrenden Druckimpulsen.

Die bevorzugte Arbeitsweise der Drosselklappen im Einlaß- und Auslaßkanal bei allen Lasten Im niedrigen Geschwindigkeitsbereich ist: Schließen der Drosselklappe im Auslaßkanal zur Verringerung der Menge des zurückgehaltenen Abgases.

Schließen der Drosselklappe des Einlaßkanales, um die Menge des zurückgehaltenen Abgases zu erhöhen.

Bei voller Last (außerhalb des Bereiches, der eine Steuerung der Emissionen verlangt) ist der Auslaßkanal entsprechend einem genauen geschwindig-

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keitsabhängigen Wert geöffnet, da das Timing des positiven Impulses im Abgassystem näher zu dem für eine Vollastbetriebsweise gewünschten gezwungen wird.

3. Mittlere Geschwindigkeiten (2000 bis 3000 ü/m)

In diesem Bereich kann die Abgasdrosselklappe sehr genau den Druck im Auslaßkanal bei Abschluß wegen des Timing und der Stärke des Druckimpulses im Abgassystem steuern. Dies ist der allgemeine Fall, da die Größe und Einstellbarkeit der Druckschwankungen verbessert wird, wenn sich die Geschwindigkeit erhöht, und zwar aufgrund der abfallenden Dämpfung, die durch die reduzierte Zeit zwischen den Impulsen herrührt, und der höheren Gasgeschwindigkeiten und Drücken.

Bei geringeren Lasten ist der Mechanismus für die Steuerung des Verweilens des Abgases der gleiche wie oben bei niedrigen Geschwindigkeiten beschrieben. Die bevorzugte Abgasdrosselklappeneinstellung bewegt sich von völlig geschlossen bei geringen Lasten zu völlig offen bei hohem Lasten, da dies die Druckimpulse ±a der Weise bewegt, daß ein positiver Impuls während der Periode des Abschlusses des Überströmkanals zum Abschluß des Auslaßkanals auftaucht. Dies reduziert die Menge des Abgases im Zylinder, da die frische Ladung normalerweise bei diesen hohen Geschwindigkeiten durch den Auslaßkanal entfliehen kann und die Drosselklappeneinstellungen und der Druckimpuls verhindern dies. Daher ist der Reinheitspegel der eingeschlossenen Ladung hoch. Die Einstellungen der Drosselklappe im Einlaßkanal sind im allgemeinen bei diesen Lasten

kritisch, da Kohlenwasserstoffe und NOx ausgebildet wird, wenn der Motor gedrosselt ist.

Für den mittleren Geschwindigkeitsbereich ist daher die bevorzugste Arbeitsweise für die Drosselung des Einlaß- und Auslaßkanals:

Niedrige Last: Drosselung des Auslaßkanales verringert das zurückgehaltene Gas;Drosselung des Einlaßkanals erhöht das zurückgehaltene Gas.

Große Lasten: Die Reduzierung der Drosselung des Auslaßkanals verringert das zurückgehaltene Abgasϊ Erhöhung der Drosselung des Einlaßkanals erhöht die zurückgehaltene Abgasmenge.

Die oben beschriebene Betriebsstrategie ist nur beispielhaft angegeben und sie kann im allgemeinen oder in besonderen Bereichen variiert werden, um unterschiedlichen Anforderungen, Maschinen und Betriebsbedingungen nachzukommen.

Die Erfindung wird durch die folgende Beschreibung von typischen Betriebsstrategien für die Steuerung der Drosselung des Auslaßkanals und durch ein Ausführungsbeispiel einer Zweitakt-Verbrennungsmaschine mit gesteuerter Drosselung des Einlaß- und Auslaßkanals näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein dreidimensionales Diagramm der Stellung des Drosselorgans in dem Auslaßkanal in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und der Last;

	Fig.	2	*"> r 1 7 c η ° ι
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1			eine Tabelle der bevorzugten Stellun
			gen des Drosselorgans des Auslaß
			kanals an verschiedenen Punkten des
	Fig.	3	Last- und Geschwindigkeitsbereiches
5			einer Verbrennungsmaschine;
			ein Diagramm entsprechend Fig. 2, das
			die Wirkungen der Änderungen der
			Stellungen des Drosselorgans in dem
			Auslaßkanal bei verschiedenen Punkten
10	Fig.	4	im Geschwindigkeits- und Lastbereich
			der Verbrennungsmaschine zeigt;
			ein Diagramm, in dem die Kohlenwasser
			stoffemissionen einer Verbrennungs
15			maschine entsprechend der vorliegenden
	Fig.	5	Erfindung und entsprechend dem Stand
			der Technik verglichen werden;
			einen Längsschnitt durch eine Ein
20			Zylinder-Verbrennungsmaschine , die
	Fig.	6	entsprechend der vorliegenden Erfindung
			ausgerüstet ist;
			einen Querschnitt durch den Zylinder
25			und das Drosselorgan im Auslaßkanal
	Fig.	7	in einer Verbrennungsmaschine ent
			sprechend Fig. 5; und
			ein vereinfachtes logisches Diagramm
30			des elektronischen Steuersystems, das
			zur Einstellung der Stellung des
			Drosselorgans in dem Auslaßkanal und
			zur Steuerung der Einspritzung und
		der Zündung der Verbrennungsmaschine
35		verwendet wird.

In Figur 1 ist ein drei dimensionales Diagramm dargestellt, das die Einstellung der Drosselklappe im Auslaßkanal in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und der Last einer 1200 ecm Drei-Zylinder-Zweitakt-Maschine zeigt, die schon vorstehend erwähnt wurde. Dieses Diagramm wurde entwickelt für den Betrieb der Maschine im Bereich der vorgeschriebenen Abgasforderungen für Personenkraftfahrzeuge.

Die Stellung der Drosselklappe im Auslaßkanal wird von einem Signal von der elektronischen Steuereinheit gesteuert, die die.Geschwindigkeit und den Luftmengenverbrauch der Maschine anzeigende Eingangssignale erhält, die ein Maß für die Last der Maschine sind. Die Steuereinheit hat ein Diagramm entsprechend Fig. 1 gespeichert und bestimmt abhängig von den Geschwindigkeit s-und Lasteingangssignalen mit Hilfe des Diagramms den notwendigen Grad der Drosselung des Auslaßkanals und erzeugt ein geeignetes Signal für einen Antriebsmechanismus, der mit einem Drosselorgan in dem Auslaßkanal gekoppelt ist.

Es kann aus Fig. 1 erkannt werden, daß ein

wesentlicher Drosselungsgrad des Auslaßkanals über den mittleren und hohen Lastbereich bei sehr geringen Geschwindigkeiten gefordert ist. Der Grad der Drosselung fällt sehr schnell im oberen Teil des niedrigen Geschwindigkeitsbereiches, insbesondere bei großer Last ab und steigt dann ständig über den mittleren Geschwindigkeitsbereich zum hohen Geschwindigkeitsbereich an. Die signifikante Änderung bei der Drosselung des Auslaßkanals bei hohen

Lasten zwischen den sehr niedrigen und hohen Geschwindigkeiten des niedrigen Geschwindigkeitsbereiches entsteht durch die Wirkungen des abgestimmten ( getuneten} Abgassystems. Es ist daher selbstverständlich, daß die Einstellung des Auslaßkanals auch für die Regulierung der Wirkungen eines abgestimmten Abgassysteins verwendet werden kann, wenn Geschwindigkeiten außerhalb des abgestimmten Geschwindigkeitsbereiches auftreten. 10

Die Verwendung eines abgestimmten Abgassystems bei Zweitakt-Verbrennungsmaschinen ist bekannt, so daß die Einsatzzeit von hohen und niedrigen Druckimpulsen am Auslaßkanal in der Weise bestimmt werden kann, daß das Spülen der Abgase und das Einlassen einer frischen Ladung in die Verbrennungskammer verbessert wird. Allerdings sind die 3±>gestimmten Abgassysteme geschwindigkeitsabhängig und das genaue oder in etwa genaue timing der Druckimpulse beim Auslaßkanal wird bei jedem einzelnen Abgassystem nur über einen relativ schmalen Motorgeschwindigkeitsbereich erzielt. Die Steuerung des Gasstromes durch den Auslaß und/oder den Einlaßkanal und das timing der Auslaßkanalöffnung, wie vorgeschlagen, kann zur Änderung der Betriebsweise des abgestimmten Abgassystems verwendet werden, wenn die Betriebsbedingungen der Maschine derart sind, daß die normale Betriebsweise des abgestimmten Abgassystems gegen die Steuerung der Verunreinigungen im Abgas arbeiten würde.

Beispielsweise kann die Drosselung der Gas-³^ strömung durch den Auslaßkanal zur Modifizierung

* der hohen Druckimpulse im Abgassystem im Moment des Schließens des Auslaßkanales verändert wird, um so das Ausmaß an in den Zylinder zurückkehrender frischer Ladeluft zu reduzieren und dabei das Verhältnis von Abgas zu in der Verbrennungskammer eingeschlossener frischer Ladung zu erhöhen. Andererseits, wenn ein niedriger Druckimpuls am Auslaßkanal zur Zeit seines Schließens vorhanden ist, der normalerweise den Druck in der Verbrennungskammer verringert, so kann der Grad der Drosselung des Stromes durch den Einlaßkanal verringert werden und der Auslaßkanal bis fast zum völligen Abschließen des Kanals gedrosselt werden, wodurch ebenfalls ein Anstieg des Verhältnisses des eingeschlosse-

nen Abgases zu frischer Ladeluft erhöht wird. Es ist daher zu erkennen, daß die Steuerung dar Drosselung des Auslaßkanals zur Modifizierung der Wirkungen eines abgestimmten Abgassystems sowohl innerhalb als auch außerhalb des

abgestimmten Geschwindigkeitsbereiches verwendet werden kann, um so diese Effekte zu verbessern oder ihnen entgegenzuwirken, wie es für die Motorleistung oder die Steuerung der

Verunreinigungen nötig sein könnte. 25

Das Diagramm nach Figur 1 wurde durch Versuche festgelegt, die mit einer Drei-Zylinder-Zweitakt-Maschine (sh. oben) erzielt wurden, wobei die Geometrie der Kanäle und der Verbrennungskammer der Maschine und andere Tatsachen den notwendigen Grad der Drosselung des Auslaßkanals abhängig von der Geschwindigkeit und dem Lastbereich der Maschine beeinflussen können.

Allerdings wird die allgemeine Tendenz der 35

original

Variation der Auslaßkanaldrosselung nach Fig. 1 für Zweitakt-Motoren mit Kurbelkammerlader und Direkteinspritzung anwendbar sein.

Figur 2 zeigt eine Tabelle der bevorzugten Einstellungen des Drosselventils im Auslaßkanal einer Maschine, für die das Diagramm aus Fig. 1 anwendbar ist. Der Auslaßkanal die-

2 ser Maschine weist einen Querschnitt von 1570 mm

auf, wenn erungedrosselt ist und von 200 mm wenn er voll gedrosselt ist. Der Grad der Drosselung des Auslaskanals wird in der Tabelle durch die Ziffern 0 bis 10 dargestellt, wobei 10 die vollständig gedrosselte Stellung angibt und die anderen Ziffern die entsprechenden Drosselungsgrade in linearer Abhängigkeit. Die Drosseleinstellungen des Auslaßkanals sind für einen Geschwindigkeitsbereich von etwa 500 bis 3500 Umdrehungen pro Minute und für Drehmomente von 0 bis 30 Nm dargestellt.

Figur 3 zeigt ein Diagramm für dieselbe Maschine wie Fig. 2, wobei die einzelnen Schaubilder den jeweiligen Gasstrom durch den Auslaßkanal für die Drosseleinstellungen nach Fig. 2 zeigen. (Der Ursprung jedes Schaubildes entspricht dem passenden Punkt auf der Tabelle). Die Schaubilder zeigen den Gasstrom durch den Auslaßkanal bei Änderungen der Drosselöffnung um jeweils 10%. Aus der Fig. 3 ist zu erkennen, daß die 10% Änderung in der Drosselung des Auslaßkanals eine signifikante Wirkung auf den Gasstrom durch den Auslaßkanal zeigt. Da dieser Gasstrom ein Maß für die Gasströme in der Vrbrennungskammer ist, und somit ein Maß des zurückgehaltenen Gases in der Verbren-

"GJ

nungskammer, zeigt das Diagramm in Fig. 3 die Wichtigkeit einer korrekten und genauen Steuerung der Drosselung des Auslaßkanals. Hinsichtlich der Figuren 1,2 und 3 wird davon ausgegangen, daß die Drosselklappe in dem Luftansaugkanal entsprechend der Lastanforderung eingestellt ist, beispielsweise durch ein von einer Person zu bedienenden Gaspedal oder ähnliche Betätigungsorgane.

Wenn die Last der Verbrennungsmaschine in der Weise festgelegt ist, wird die Stellung der Drosselklappe in dem Auslaßkanal entsprechend dem Diagramm nach Figur 1 für die momentane Geschwindigkeit festgelegt und die Abgasdrosselklappe bewegt sich in diese Stellung. Entsprechend dieser Steuerungsstrategie steuert die elektronische Steuereinheit, auf die oben bezug genommen wurde, nicht die Stellung der Drosselklappe in der Luftansaugleitung, sondern empfängt ein dieser Stellung entsprechendes Signal als ein Eingangssignal zur Bestimmung der notwendigen Stellung der Drosselklappe im Auslaßkanal. Die anderen Eingangssignale sind im Prinzip die Geschwindigkeit der Verbrennungsmaschine.

In einer weiterführenden Steuerungsstrategie wird die Stellung der Drosselklappe in der Luftansaugleitung ebenfalls durch die elektronische Steuereinheit entsprechend einem Diagramm der gleichen Ausbildung wie Figur 1 gesteuert, in dem die Drosselklappenstellung über die Last und die Geschwindigkeit der Verbrennungsmaschine dargestellt ist. Ein derartiges Dia-

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gramm ist ebenso wie das Diagramm nach Fig. 1 in der elektronischen Steuereinheit gespeichert. Diese Steuereinheit empfängt ein von einer Bedienungsperson initiiertes, die Lastanforderung der Verbrennungsmaschine anzeigendes Signal und ein Signal entsprechend der Geschwindigkeit der Maschine,und von diesen Signalen bestimmt sie aus den jeweiligen Diagrammen die genaue Stellung der Drosselklappen in

dem L-ufteinlaß-und-auslaßkanal. 10

Figur 4 zeigt ein Diagramm der Kohlenwasserstoff emissionen über die Leistung für drei unterschiedliche Verbrennungsmaschinen. Die Kurve A stellt den Pegel des Kohlenwasserstoffs in Gramm pro Kilowattstunde für eine übliche Zweitakt-Verbrennungsmaschine mit Kurbelkastenkompression bei gesteuerter Drosselung des Auslaßkanals dar. Kurve C zeigt den Pegel der Kohlenwasserstoffe, die

mit der gleichen Verbrennungsmaschine erzielt wird, wenn sie entsprechend der Erfindung betrieben wird, d.h. die Verbrennungsmaschine ist mit einer direkten Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder zur Erzeugung einer geschich-

teten Kraftstoffüllung bzw. -ladung ausgerüstet und weist eine Steuerung der Drosselungen im Einlaß- und Auslaßkanal entsprechend der vorliegenden Erfindung auf. Beide Kurven A und B basieren auf einer Motorgeschwindigkeit von 2OO0 Umdrehungen pro Minute Und die Kurve C wurde auf dieselbe Geschwindigkeit umgerechnet. Die Kurve C zeigt den Pegel der Kohlenwasserstoffe, die mit einer anderen

Zweitakt-Verbrennungsmaschine erhalten wurde, 35

bei der die Einlaß- und Auslaßkanäle in einer festen Beziehung in Abhängigkeit von der Lastanforderung des Motors und unabhängig von der Motorgeschwindigkeit gedrosselt wurden. Die Kurve C wurde aus Informationen entwickelt, die von Ricardo & Company Engineers (1927) Limited veröffentlicht wurden unter Bezug auf ein Steuerungssystem für Verbrennungsmaschinen, daß durch die Nippon Clean Engine Company entwickelt wurde und Gegenstand des US-Patents 38 17 227 ist. Die Ricardo Veröffentlichung trägt den Titel "A Study of Stratified Charge Engines for Light Duty Power Plants", Report Nr. E.P.Α., 460/3/74/011/A. Das für die Herstellung der Kurve C verwendete Material ist aus der Figur 7-7 auf Seite 272 entnommen.

Obwohl die Kurve C eine wesentliche Verbesserung zur Kurve A darstellt, liegen die Kohlenstoffwerte aus Kurve C weit über den akzeptablen Werten für Verbrennungsmaschinen in Kraftfahrzeugen nach dem US- und dem Australischen Standard. Dagegen zeigt die Kurve B Kohlenstoffwerte, die beide Standards erfüllen, wobei sich Kohlenstoffwerte im Bereich von 3 bis 4 Gramm pro Meile entsprechend dem in diesen Standards niedergelegten Fahrzyklus ergeben.

In Figur 5 ist ein Schnitt durch eine Zweitakt-Verbrennungsmaschine mit Kurbelkastenkompression zur Lieferung der Luftladung in den Zylinder dargestellt. Es wird allerdings darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung auch für Zweitakt-Verbrennungsmaschinen anwendbar ist, bei denen die Luftzufuhr von anderen Druckquellen erfolgt, wie beispielsweise

von einem Turbolader oder anderen Superladern. Die Verbrennungsmaschine weist eine Kurbelkammer 10 auf, in der eine Kurbelwelle drehbar um ihre Achse gelagert ist, die über die Pleuelstange 12 mit dem Kolben 13 verbunden ist. Der Kolben 13 bewegt sich aufgrund der Drehung der Kurbelwelle 11 in dem Zylinder 14 hin und her, wobei der Kolben 13 mit dem Zylinderkopf eine Verbrennungskammer 17 mit veränderlichem Volumen bilden.

An sich im wesentlichen gegenüberliegender Stelle in dem Zylinder sind ein Überströmeinlaß 20 und ein Auslaßkanal 21 vorgesehen, die durch den Kolben geschlossen und geöffnet werden, wenn dieser sich in dem Zylinder hin- und herbewegt. Der Auslaßkanal 21 steht mit einer Auspuffanlage 22 in Verbindung, die das Abgas an eine geeignete Stelle zum überleiten nach außen bringt. Der Überströmeinlaß steht mit dem Inneren der Kurbelkammer 10 über den überströmkanal 25 in Verbindung. Eine Luftansaugleitung 26 steht ebenfalls mit dem Inneren der Kurbelkammer 10 in Verbindung. In der Luftansaugleitung 26 ist ein Zungenventil 28 vorgesehen, das in Abhängigkeit von den Druckbedingungen in der Kurbelkammer 10 öffnet und schließt.

Ein Drosselorgan 30 ist in dem Auslaßkanal schwenkbar um eine Achse 31 befestigt, so daß es den effektiven Querschnitt des Auslaßkanals 21 verändern kann.

Das Drosselorgan 30 weist eine Steuerkante 33 auf, die sich in ümfangsrichtung der inneren

₃₇ , 3B17BU3

Fläche des Zylinders 14 erstreckt,und da das Drosselorgan 30 um die Achse 31 schwenkt, verändert die Steuerkante 33 die effektive Höhe des Auslaßkanals in der axialen Richtung des Zylinders. Es wird daher darauf hingewiesen, daß die Schwenkbewegung des Drosselorgans 30 in dem Auslaßkanal nicht nur eine Drosselung des Auslaßkanals bewirkt, sondern auch das timing des öffnens und Schließens des Auslaßkanals 21 verändert.

Das Drosselorgan 30 ist genauer in Fig. 6 dargestellt, aus der zu erkennen-ist, daß die Schwenkachse 31 des Drosselorgans 30 gegen die Hauptrichtung der Steuerkante geneigt ist. Das bedeutet, daß das eine Ende 35 der Steuerkante in einem größeren Radius zur Schwenkachse 31 als das andere Ende 36 der Steuerkante liegt. Diese geneigte Anordnung zwischen Steuerkante 33 und Schwenkachse 31 des Drosselorgans ermöglicht, daß die Steuerkante 33 des Drosselorgans am Anfang parallel zur oberen Kante 24 des Auslaßkanals 21 angeordnet werden kann.

Allerdings wird bei einer Winkelbewegung des Drosselorgans die Steuerkante 33 ein ständig

wachsendes Winkelverhältnis zu der oberen Kante des Auslaßkanals einnehmen. Dies ermöglicht eine Änderung der effektiven offenen Fläche des Auslaßkanals in einem größeren Ausmaß als die Änderung der Höhe des Auslaßkanals. Daher können unterschiedliche Änderungsbeträge für die Fläche des Auslaßkanals und das timing des Auslaßkanals

erzielt werden. Die Größe der Änderung zwischen 35

diesen Beträgen wird durch den Neigungswinkel zwischen der Steuerkante 33 und der Schwenkachse des Drosselorgans 30 gesteuert.

Der Luftstrom zu dem Motor wird von einer Doppel-Drosselklappen-Anordnung 29 gesteuert, die zwei nebeneinanderliegende Kanäle 38,39 aufweist, wobei in jedem Kanal eine Drosselklappe 40,41 vorgesehen ist. Diese Drosselklappen 40,41 sind in der Weise gekoppelt, daß sie über mindestens einen Teil des Bewegung sweges im Gleichgang betrieben werden. Die Kanäle 38,40 führen zu einer Plenham-Kammer 42, von der die Luft in die Kurbelkarmner 10 geleitet wird oder im Falle einer Mehrzylindermaschine zu den jeweiligen Kurbelkammern, die jedem Zylinder zugeordnet sind. In einer Mehrzylinderkonstruktion ist auch für jede Kurbelkammer ein Zungenventil 28 vorgesehen. Die Luftzuführung zu der Doppel-Drosselklappenanordnung 29 erfolgt über einen Filterkasten 44,in den ein Luftdurchflußsensor angeordnet ist. Die Drosselklappen 40,41 in den Luftkanälen 38,39 sind über einen Antrieb 45 und ein Gestänge 47 mit einem von dem Fahrer betätigbaren Gaspedal 48 verbunden.

Der Zylinderkopf 15 weist eine Höhlung 50 auf, in der der Hauptteil der Luftladung komprimiert wird, wenn der Kolben sich an seinem oberen Totpunkt im Zylinder befindet. In diese Höhlung 50 ragt eine übliche Zündkerze 51 und eine Einspritzdüse 52 hinein, die Teil einer Kraftstoffdosier- und Einspritzeinheit 53 ist. Das Drosselorgan 30 in dem Auslaßkanal 21 ist über eine Antriebsanordnung 55 mit dem Motor 57

—, 36176-

verbunden.

In wassergekühlten Höhlungen 56 im Zylinderkopf ist ein Temperatursensor 58 vorgesehen, und ein Geschwindigkeits-und Positionssensor 59 ist mit der Kurbelwelle 11 gekoppelt, der ein Eingangssignal zu der elektronischen Steuereinheit 60 liefert. Die Signale des Luftdurchflußsensors in den Filterkasten 44 und von dem Temperatursensor 58 werden auch der Steuereinheit 60 zugeführt. Der Sensor 59 bestimmt die Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle der Maschine und liefert ein geeignetes Signal an die Steuereinheit . Dieses Signal bildet auch eine Basis für die Bestimmung der Stellung des Kolbens während des Motorzyklus .

Diese drei Eingangssignale zu der Steuereinheit bilden die notwendige Information für die Bestimmung der Last und der Geschwindigkeit sowie die Stellung des Kolbens bei seiner Hin- und Herbewegung im Zylinder. Das Eingangssignal vom Temperatursensor im Zylinderkopf liefert Informationen zur Anzeige des Betriebszustandes der Maschine,beispielsweise ob sie kalt startet oder ob sie bei ihren normalen Temperaturen läuft. Mit Hilfe dieser Eingangssignale bestimmt die Steuereinheit aus geeigneten, gespeicherten Diagrammen die Kraftstoffanforderung der Maschine und die genaue Zeit innerhalb des Maschinenzyklus, bei der die Einspritzung des Kraftstoffes in den Zylinder erfolgen soll und die Zündkerze aktiviert werden soll. Zusätzlich bestimmt die Steuereinheit aus dem Diagramm entsprechend Fig.

INSPECTED

3-

die geeignete Stellung des Drosselorgans 30 in dem Auslaßkanal, so daß der gewünschte Gasdurchfluß durch den Zylinder zur Erzielung der gewünschten Höhe der Abgasemissionen erhalten wird. Die Steuereinheit liefert an den Motor 57 ein Signal zum Betätigen des Drosselorgans in die festgelegte Stellung .

Figur 7 zeigt in einer vereinfachten Form den Aufbau der Steuereinheit. Der Luftdurchflußsensor 61, der dem oben Beschriebenen entspricht, ist in dem Luftweg zur Drosselklappe 62 angeordnet, wobei der Luftdurchflußsensor ein sich direkt auf die Luftmenge für die Verbrennungsmaschine beziehendes Signal angibt. Das Ausgangssignal des Luftdurchflußsensors ist eine Spannung, die sich in Übereinstimmung mit der Durchflußmenge befindet, wobei dieses Signal durch den Wandler 64 in ein geeignetes Eingangssignal für die Steuereinheit umgewandelt wird. Dieses umgewandelte Luftdurchflußsignal wird dann mit einem Geschwindigkeitssignal in Umdrehungen pro Minute vom Sensor 59 kombiniert, wodurch ein Ausgangssignal APC geliefert wird, das die Luftmenge pro Zylinder pro Motorzyklus angibt. Dieses APC Signal wird dann vier in der Steuereinheit einprogrammierten Diagrammen zugeführt, die sich auf das Luft- Kraftstoff verhältnis AFR, auf den Zündzeitpunkt IT, auf den Kraftstoff-Einspritzzeitpunkt FIT und auf die Stellung des Drosselorgans im Auslaßkanal EVP beziehen. Außerdem erhält die Steuereinheit zur Bestimmung der Werte in den Diagrammen ein Signal vom Sensor 59, der die Umdrehungen pro Minute der Maschine und die

.3B126Ü1.-.-

Stellung des Kolbens innerhalb des Motorzyklus angibt.

Das resultierende Ausgangssignal von dem Diagramm des Luft-KraftstoffverhMltnisses wird über den Dividierer 67 mit dem Signal der Luftmenge pro Zylinder pro Zyklus kombiniert, wodurch ein Signal zur Angabe des Kraftstoffbedarfs der Maschine pro Zylinder pro Zyklus FPC erzeugt wird, das der Kraftstoff-Dosier- und Einspritzeinheit 53 zur Steuerung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge in jeden Zylinder pro Zyklus zugeführt wird. Das Ausgangssignäl des Diagramms für den Zündzeitpunkt wird einer Zündzeitpunkt-Steuereinheit 65 zugeführt, so daß die Zündkerze zu dem Zeitpunkt im Maschinenzyklus zündet, der unter Berücksichtigung der Motorgeschwindigkeit und des Luftdurchflusses von dem Zündzeitpunktdiagramm festgelegt wurde. In gleicher Weise wird das Ausgangssignal des Diagramms für den Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung an die Kraftstoff-Dosier- und Einspritzeinheit 53 zur Festlegung des Zeitpunkts innerhalb des Maschinenzyklus geliefert, bei dem die Einspritzung beginnen und enden soll.

Das Ausgangssignal des Diagramms für die Stellung des Drosselorgans in dem Auslaßkanal wird dem Motor 57 zur Einstellung des Drosselorgans 30 in die festgelegte Stellung zugeführt, die abhängig von dem Luftdurchfluß pro Zylinder pro Zyklus (Motorlast) und den Geschwindigkeitssignalen bestimmt wurde. Vorzugsweise weist der Motor 57 ein Stellungs- Rückmeldesystem auf, durch das ein die aktuelle Stellung des Drosselorgans 30 angebendes Signal an die Steuereinheit geliefert wird, so daß die Stellung

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korrigiert werden kann, wenn die aktuelle Stellung nicht der durch das Diagramm vorgegebenen Stellung entspricht. Der Zeitpunkt der Einspritzung von Kraftstoff wird durch das Diagramm für den EinspritzZeitpunkt und die Steuereinheit gesteuert. Es kann aber auch ein Durchströmungskanal durch ein über die Steuereinheit betätigbares Ventil gesteuert werden.

^ Ein Verfahren 2ur Kraftstoffdosierung- und -Einspritzung und eine geeignete Vorrichtung für die erfindungsgemäße Verbrennungsmaschine ist genauer in der Australischen Patentanmeldung Nr. 32 132/84, angemeldet am 3. August 1984,

beschrieben, auf die für die bei der Erfindung verwendete Kraftstoffdosier- und Steuereinheit hinsichtlich der Offenbarung Bezug genommen wird. Ein anderes Kraftstoff-Dosier- und Einspritzsystem ist in der US-Patentanmeldung, die

auf einer PCT Anmeldung Nr. AU 85/00176, angemeldet in Australien, Erfinder Michael Leonard McKay, basiert, beschrieben, auf die für die bei der Erfindung verwendete Dosier- und Einspritzeinheit hinsichtlich der Offen-

^** barung Bezug genommen wird.

In einem anderen Ausführungsbeispiel wird der Luftdurchflußsensor 61 durch einen von dem Fahrer betätigbaren Generator zur Erzeugung des Lastanforderungssignals der Maschine ersetzt, das der Steuereinheit zugeführt wird und direkt auf den Kraftstoffbedarf bezogen ist.

Es wurde oben beschrieben, daß der Kraftstoff in die Verbrennungskammer zur Bildung einer geschichteten Luft- Kraftstoffverteilung eingespritzt wird, bei der der Bereich in unmittelbarer Nähe der Einspritzvorrichtung reich an Kraftstoff ist. Dieser Kraftstoff wird der Verbrennungskammer vorzugsweise derart zugeführt, daß er von Luft mitgerissen wird, um einen hohen Grad an Zerstäubung des Kraftstoffes zu erreichen. Daher enthält die Kraftstoff-Dosier- und Einspritzeinheit 53 eine Kammer, in der die dosierte Menge an Kraftstoff gesammelt wird und von dort mit einem Luftimpuls in die Verbrennungskammer geliefert wird. Der Luftimpuls kann automatisch einen Kanal öffnen, um eine Verbindung mit der den Kraftstoff enthaltenden Kammer und der Verbrennungskammer herzustellen. Die Schichtung des Krafstoffes in der Luft innerhalb der Verbrennungskammer wird durch eine besondere Ausbildung der Höhlung in dem Zylinderkopf unterstützt ebenso wie das Maß des Eindringens des Kraftstoffes in die Luftladung in der Verbrennungskammer.

ORiGiMAL [MSFEGTED

Claims

_ ^__J - ₃g-₁₇₆₀₃

Patentansprüche

/l. j Verfahren für den Betrieb einer Zweitakt-

Verbrennungsmaschine zur Steuerung des Pegels der Verunreinigungen im Abgas, wobei die Maschine einen Zylinder, einen sich in dem Zylinder hin- und herbewegenden Kolben, die beide miteinander eine Verbrennungskammer bilden, deren Volumen sich mit dem Hin- und Hergehen des Kolbens zyklisch verändert, eisen die Verbrennungskammer mit einer Luftquelle verbindenden Lufteinlaßkanal und einen die Verbrennungskammer mit einer Abgaskairaner verbindenden Auslaßkanal aufweist, wobei der Einlaß- und Auslaßkanal durch die Kin- und Herbewegung des Kolbens geöffnet und geschlossen werden und wobei der Verbrennungskammer durch den Einlaßkanal eine Luftladung zugeführt wird, die nach dem Schließen des Auslaßkanals durch die Bewegung des Kolbens komprimiert wird, eine dosierte Kraftstoffmenge in die Verbrennungskammer eingespritzt und das Gemisch gezündet wird und die Verbrennungsprodukte nach der Expansion in der Verbrennungskammer durch den Auslaßkanal ausgestoßen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastanforderungen und die Geschwindigkeiten der Maschine während ihres Betriebes abgetastet werden, daß der Gasstrom in der Verbrennungskammer in einem vorbestimmten Verhältnis zur Geschwindigkeit und Last, der Maschine gesteuert wird, wobei der Auslaßkanal offan ist und die in der Verbrennungεkammer bei Schließer, der Kanäle: zurückbehaltene Menge eier Verbrennungsprodukte eingestellt wird,

BAD ORiGSN¹AL

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so daß die in den Verbrennungsprodukten enthaltenen Kohlenwasserstoffe in vorbestimmten Grenzen liegen.

2, Verfahren für den Betrieb einer Zweitakt-Verbrerinungsmaschine zur Steuerung des Pegels der Verunreinigungen im Abgas, wobei die Maschine einen Zylinder, einen sich in dem Zylinder hin- und herbewegenden Kolben, die beide miteinander eine Verbrennungskammer bilden, deren Volumen sich mit dem Hin- und Hergehen des Kolbens zyklisch verändert, einen die Verbrennungskammer mit. einer Luftquelle verbindenden Lufteinlaßkanal und einen die Verbrennungskammer mit einer Abgaskammer verbindenden Auslaßkanal aufweist, wobei der Einlaß- und Auslaßkanal durch die Hin- und Herbewegung des Kolbens geöffnet und geschlossen werden und wobei der Verbrennungskammer durch den Einlaßkanal eine Luftladung zugeführt wird, die nach dem Schließen des Auslaßkanals durch die Bewegung des Kolbens komprimiert wird, eine dosierte Kraftstoffmenge in die Verbrennungskammer eingespritzt und das Gemisch gezündet wird und die Verbrennungsprodukte nach der Expansion in der Verbrennungskammer durch den Auslaßkanal ausgestoßen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastanforderungen und die Geschwindigkeiten der Maschine unabhängig voneinander während ihres Betriebes abgetastet werden, daß der Luftstrom in die Verbrennungskammer in Übereinstimmung mit der abgetasteten Lastanforderung und der Gasstrom durch den Auslaßkanal in Übereinstimmung mit einem

BAD ORiGsMAL

vorbestimmten Verhältnis zur abgetasteten Geschwindigkeit und Lastanfprderung der Maschine gesteuert werden, um die in der Verbrennungskammer bei Schließen der Kanäle zurückbehaltene Menge der Verbrennungsprodukte einzustellen, so daß die in den Verbrennungsprodukten enthaltenen Kohlenwasserstoffe in vorbestimmten Grenzen liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftstrom in die Verbrennungskammer und der Strom der Verbrennung spr oduk te aus der Verbrennungskammer zur Erzielung der Einstellung der zurückbehaltenen Menge der Verbrennungsprodukte gesteuert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Gasstromes in der Verbrennungskammer die Einstellung des Timing des öffnens und Schließens des Auslaßkanals abhängig von der Geschwindigkeit und der Lastanforderung der Maschine umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Gasstromes in der Verbrennungskammer in der Weise durchgeführt wird, daß unabhängig voneinander der Luftstrom in die Verbrennungskammer und der Strom der Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungskammer gesteuert werden, wobei einer der Ströme in einem vorbestimmten Verhältnis zur abgetasteten Geschwindigkeit und der andere in einem vorbestimmten Verhältnis zur Geschwindigkeit und Lastanforderung gesteuert werden.

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6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff in die Verbrennungskaminer zur Bildung einer geschichteten Kraftstoff-Luft-Ladung in der Verbrennungskammer eingespritzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dosierte Kraftstoffmenge durch Mitführung in einem Gas in die Verbrennung skammer eingespritzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Stromes der Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungskammer die Einstellung des Timing des öffnens und Schließens des Auslaßkanals abhängig von der abgetasteten Geschwindigkeit der Maschine umfaßt.

9. Zweitakt-Verbrennungsmaschine mit mindestens einem Zylinder, einem sich in dem Zylinder hin- und herbewegenden Kolben, die beide miteinander eine Verbrennungskammer bilden, deren Volumen sich mit dem Hin- und Hergehen des Kolbens zyklisch verändert, einem die Verbrennungskammer mit einer Luftquelle verbindenden Lufteinlaßkanal, einem die Verbrennungskammer mit einer Abgasleitung verbindenden Auslaßkanal, wobei der Einlaß- und Auslaßkanal durch die Hin- und Herbewegung des Kolbens geöffnet und geschlossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Steuerung der Gasströine in der Verbrennungskammer in einem vorbesti.-ur.ter. Verhältnis zur Lastanforderung und Geschwindigkeit der Maschine,während der Äuslafikar;al offen ist,

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zur Einstellung der Menge der in der Verbrennung skammer bei Schließen der Kanäle zurückbehaltenen Verbrennungsprodukte vorgesehen sind, so daß die in den Verbrennungsprodukten enthaltenen Kohlenwasserstoffe.in vorbestimmten Grenzen liegen.

10. Verbrennungsroaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Steuerung der Gasströme eine erste Vorrichtung zur Steuerung des Luftstromes in die Kammer und eine zweite Vorrichtung zur Steuerung des Stromes der Verbrennungsprodukte-aus der l'aPMner und Betätigungsinittel aufweist, die in Abhängigkeit von der Lastanforderung und Geschwindigkeit der Maschine zur Bötätigung in einem vorbestimmten Verhältnis der ersten und zweiten Vorrichtung zur Steuerung wirksam werden, um die Menge der in der Verbrennungskammer bei Schließen der Kanäle in der Kammer zurückbehaltenen Verbrennungsprodukte einzustellen.

11, Verbrennungsmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Steuerung der Gasströme eine erste Vorrichtung zur Steuerung des Luftstromes in die Kammer und eine zweite Vorrichtung zur Steuerung des Stromes der Verbrennungsprodukte aus der Kammer, eine erste Betätigungsvorrichtung zur Betätigung einer der zwei Vorrichtungen zur Steuerung in einem vorbestimmten Verhältnis zur Lastenförderung der Maschine und eine zweite Betätigungsvorrichtung zur Betätigung der anderen der zwei Vorrichtungen zur Steuerung in einem vorbestimmten Verhältnis zur Last-

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anforderung und Geschwindigkeit der Maschine aufweisen, um die Menge der in der Verbrennungskammer bei Schließen der Kanäle in der Kammer zurückbehaltenen Verbrennungsprodukte einzustellen.

12. Verbrennungsmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Steuerung der Gasströme Mittel zur Einstellung des Timing des öffnens und Schließens des Auslaßkanals abhängig von der Geschwindigkeit und Lastanforderung der Maschine aufweisen.

13. Verbrennungsmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine der zwei Vorrichtungen zur Steuerung für die Einstellung des Timing des öffnens und Schließens des Auslaßkanals in Abhängigkeit zur Geschwindigkeit und Lastanforderung der Maschine ausgebildet ist.

14. Verbrennungsmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Geschwindigkeit der Maschine abtastende und ein Signal entsprechend der Geschwindigkeit erzeugende erste Abtasteinheit, eine zweite Abtasteinheit zur Bestimmung der Lastanforderung der Maschine, eine elektronische Steuereinheit, die die Geschwindigkeits- und Lastsignale empfängt und aus diesen Signalen den notwendigen Gasstrom in der Verbrennungskammer bestimmt und Eignale entsprechend diesem Gasstrom abgibt, und von den Gasstromsignalen abhängige Betätigungsniittel vorgesehen sind, die den Gasstrom durch mindestens einen der Kanäle steuern.

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15. Verbrennungsmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Gasstromsignalen abhängigen Betätigungsmittel den Gasstrom durch den Auslaßkanal steuern.

16. Verbrennungsrcaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung einer dosierten Kraftstoffmenge in die Luftladung in der Verbrennungskammer bei jedem Motorzyklus vorgesehen ist.

17. Verbrennungsmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzvorrichtung zur Einspritzung des Kraftstoffs in der VJeise ausgebildet ist, daß eine geschichtete Kraftstoff-Luftladung in der Verbrennungskammer gebildet wird.

18. Verbrennungsmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzvorrichtung die Einspritzung des Kraftstoffes in die Kammer in Mitführung eines Gases vornimmt.

19. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und der Verbrennungsmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 18 in einem Wasserfahrzeug oder in einem Landfahrzeug.

20. VeVbrennungsmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Außenbordmotor für ein V7asser fahr zeug ausgebildet ist.

BAD QRiqi_Nal