DE3690387C2 - Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Zweitakt-Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Zweitakt-Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1. Sie bezieht sich auf die zeitli­ che Steuerung von Injektion und Zündung einer fremdge­ zündeten Brennkraftmaschine, bei der der Brennstoff direkt in die Brennkammer der Maschine injiziert wird.
Aus der DE-PS 8 33 431 ist eine fremdgezündete Brenn­ kraftmaschine mit Einführung und Zerstäubung des Kraft­ stoffs in den Arbeitszylinder durch Druckluft bekannt, bei der die Druckluft in einem Speicherraum gespeichert wird und über ein gesteuertes Ventil Kraftstoff und die gespeicherte Luft in den Arbeitszylinder eingespritzt wird, wobei das Ventil nach dem Schließen der Auslaßka­ näle öffnet. Nach dem Einspritzen bleibt das Ventil geöffnet und der Arbeitskolben schiebt ein Teil des Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Speicherraum.
Um bessere Werte hinsichtlich der Brennstoffausnutzung und der Abgasemission zu erhalten, ist es wünschens­ wert, die Lage der zerstäubten Brennstoffwolke in der Verbrennungskammer zu steuern. Es wurde festgestellt, daß die bevorzugte Lage dieser Wolke nicht konstant ist, sondern insbesondere mit der Maschinenlast- und -geschwindigkeit variiert. Bei Zweitaktmaschinen ist die Steuerung der Brennstoffwolke von besonderer Bedeu­ tung, um den Brennstoffverlust durch die Auslaßöffnung zu begrenzen, die während wenigstens eines Teils der Brennstoffeinspritzperiode nicht vollständig geschlos­ sen sein kann.
Bei Leichtlast und damit niedrigen Brennstoffgeschwin­ digkeiten sollte der Grad der Verteilung des Brenn­ stoffs in dem Zylinder beschränkt werden, um den Grad der Brennstoffverdünnung durch Vermischung mit dem Gas in der Brennkammer zu reduzieren. Die Brennstoffverdün­ nung führt zu einer mageren Mischung, die schwerer ent­ zündbar und deren vollständige Verbrennung schwerer zu erreichen ist. Bei hohen Lasten und hohen Brennstoff­ zuführgeschwindigkeiten sollte der Grad der Verteilung erhöht werden, um sicherzustellen, daß die größere Brennstoffmenge ausreichend Zugriff zur Luft (Sauer­ stoffträger) erhält, um die Verbrennung des gesamten Brennstoffs zu erzielen.
Es ist als wünschenswert bekannt, eine geschichtete Brennstoffcharge in der Brennkammer insbesondere bei niedrigen Lasten und Geschwindigkeiten zu schaffen, so daß sich eine brennstoffreiche Charge in der Nähe der Zündkerze ergibt. Jedoch besteht bei niedrigen Maschi­ nengeschwindigkeiten ein Zeitintervall zwischen der Brennstoffinjektion und der Zündung, die eine weitge­ hende Verteilung des Brennstoffs in der Verbrennungs­ kammer ermöglicht. Weiterhin ist bei hohen Lasten und relativ hohen Maschinengeschwindigkeiten, wo eine Ver­ teilung des Brennstoff wünschenswert ist, weniger Zeit zwischen Injektion und Zündung verfügbar als für die Verteilung benötigt wird. Dieses Problem wird erschwert durch die Tatsache, daß es allgemein als wünschenswert angesehen wird, die Injektion des Brennstoffs nach oder nur kurz vor dem Schließen der Auslaßöffnung zu begin­ nen. Die Übung beruht auf der Annahme, daß bei einer früheren Injektion ein Teil des neu zugeführten Brenn­ stoff s durch die Auslaßöffnung wieder herausgetragen wird, bevor diese geschlossen ist. Diese Maßnahmen sind jedoch nicht schlüssig für das Erreichen der erforder­ lichen Brennstoffverteilung bei niedrigen bzw. hohen Maschinengeschwindigkeiten und tragen somit zu einer möglicherweise unvollständigen Verbrennung des gesamten Brennstoffs und sich daraus ergebenden schädlichen Ab­ gasemissionen, insbesondere Kohlenwasserstoffen, bei.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Maschine, vorzugsweise einer Zweitaktmaschine anzugeben, das zu einer Steue­ rung der Brennstoffverteilung in der Brennkammer bei­ trägt, derart, daß hierdurch eine Reduktion der schäd­ lichen Abgasemissionen erzielt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merk­ male. Vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung zeichnet sich bei einem Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Zweitakt- Brennkraftmaschine mit einer Brennkammer und einer periodisch geöffneten und geschlossenen Auslaßöffnung, um den Ausstoß von Gasen aus der Brennkammer zu steuern, dadurch aus, daß bei niedrigen Maschinenlasten und -drehzahlen wenigstens 80% des Brennstoffs nach dem Schließen der Auslaßöffnung der Brennkammer zugeführt werden, und daß bei hohen Maschinenlasten wenigstens 80% des Brennstoffs vor dem Schließen der Auslaßöffnung der Brennkammer zugeführt werden.
Die zeitliche Steuerung der Brennstoffinjektion in der Weise, daß der Brennstoff später im Kompressionstakt, nach dem Schließen der Auslaßöffnung, injiziert wird, führt zu einer kurzen Zeitspanne, die für die Verteilung des Brennstoffs in der Brennkammer verfügbar ist. Dies ist wünschenswert bei niedrigen Maschinenlasten, und insbesondere bei niedrigen Maschinenlasten und -geschwindig­ keiten. Die Injektion des Brennstoffs nach dem Schließen der Auslaßöffnung bedeutet auch, daß eine etwas geringere Gasbewegung in der Brennkammer stattfindet, was auch zur Begrenzung der Brennstoffausbreitung beiträgt. Das Entweichen von Brennstoff durch die Auslaßöffnung ist selbstverständlich unterbunden, wenn die Brennstoffinjektion nach dem Schließen der Auslaßöffnung vorgenommen wird.
Bei hoher Maschinenlast wird jedoch der Brennstoff früher innerhalb des Maschinenzyklus injiziert, so daß die Injektion im wesentlichen abge­ schlossen ist, wenn die Auslaßöffnung ge­ schlossen ist. Dies gewährt mehr Zeit für die Ausbreitung des Brennstoffs innerhalb der Brennstoffkammer als bei späteren Injektions­ zeitpunkten verfügbar ist, insbesondere im Vergleich mit früher verwendeten Injektions­ zeiten, bei denen die Injektion im wesentlichen bei allen Betriebsbedingungen nach dem Schließen der Auslaßöffnung durchgeführt wurde.
Bei niedrigen Lasten und Drehzahlen liegt der Beginn der Injektion zweckmäßig nur 10° oder sogar 5° des Kurbeldrehwinkels vor der Zündung der Brennstoffcharge in der Brennkammer. Für niedrige Maschinen­ lasten hat es sich als wünschenswert erwiesen, den Brennstoff sehr früh, nämlich 70°des Kurbeldrehwinkels vor dem oberen Totpunkt d. h. dem Punkt des minimalen Brennkammervolumens, zu zünden. Vorzugs­ weise erfolgt die Zündung bei niedrigen Lasten im Bereich von 40° bis 70° vor dem oberen Totpunkt.
Für Hochlastbetriebsbedingungen wurde gefunden, daß die Brennstoffinjektion vor dem unteren Totpunkt im Maschinenzyklus (maximales Brenn­ kammervolumen) begonnen werden kann, insbesondere bei Drehzahlen über 3000 U/min. Tat­ sächlich kann bei sehr hohen Lasten und Drehzahlen die Injektion vor der Öffnung der Auslaßöffnung, die grundsätzlich vor dem unteren Totpunkt erfolgt, beginnen.
Es besteht eine gewisse Zeitverzögerung zwischen dem Beginn der Aktivierung der Injektionsvor­ richtung und der tatsächlichen Zuführung von Brennstoff in die Brennkammer und für einige Injektionsvorrichtungen auch zwischen der Beendigung der Brennstoffzuführung und dem tatsächlichen Schließen des Injektors. Demgemäß gibt es in der Praxis eine Differenz zwischen der tatsächlichen Zeit zwischen dem Beginn der Öffnung und dem endgültigen Schließen des Injektionsventils und der Brennstoffzuführ­ periode. Dieser Umstand sollte berücksichtigt werden, wenn das Maß der dosierten Menge des zu jedem gewählten Punkt des Maschinenzyklus der Brennkammer zugeführten Brennstoffs bestimmt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung unter Beachtung der gestellten Aufgabe betrifft das Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine die Injektion einer dosierten Menge Brennstoffs direkt in die Brennkammer der Maschine zur Erzielung einer geschichteten Brennstoffver­ teilung in der Gascharge innerhalb der Brenn­ kammer und die Steuerung des Zündzeitpunktes für den Brennstoff, derart, daß dieser bei niedrigen Maschinenlasten zwischen 40° und 70° des Kurbeldrehwinkels vor dem oberen Totpunkt liegt. Vorzugsweise wird die Zündung bei oder mehr als 50° und weniger als 65° vor dem oberen Totpunkt bewirkt.
Die Zündung des Brennstoffs zu einem solchen Zeitpunkt innerhalb des Maschinenzyklus führt zu einem Beginn der Verbrennung des Brennstoffs zum Zündzeitpunkt, wenn die Gascharge noch nicht vollständig komprimiert ist, und folglich die Ausbreitung des Brennstoffs in einem großen Bereich der Gascharge nicht stattgefunden hat. Es wird angenommen, daß der durch den Beginn der Verbrennung erzeugte hohe Druck das Einströmen der weiteren Gascharge in den mit Brennstoff versorgten Bereich der Brennkammer begrenzt, wenn die Kompression des Gases durch den Anstieg des Kolbens fort­ gesetzt wird, und auch die Ausbreitung des Brennstoffs in die Gascharge im Vergleich zu den üblicherweise späteren Zündzeitpunkten einschränkt. Der frühe Zündzeitpunkt bewirkt somit eine Steuerung der Brennstoffver­ teilung, die bei niedrigen Lasten und Drehzahlen wesentlich ist, um eine Verbrennung des Brennstoffs in einem hohen Ausmaß zu erreichen und so die schädlichen Abgasemissionen insbesondere von Kohlenwasser­ stoffen zu begrenzen.
Die Begriffe "niedrige und hohe Maschinendrehzahlen" beziehen sich jeweils auf eine bestimmte Maschine. Als Anhaltspunkt gelten jedoch für eine in Kraftfahrzeugen eingesetzte Zweitaktmaschine weniger als 1500 U/min als niedrige Drehzahl und mehr als 50% der maximalen Drehzahl als hohe Drehzahl.
In gleicher Weise sind die Begriffe "niedrige und hohe Maschinenlasten" zu verstehen. Wiederum in bezug auf eine Kraftfahrzeug- Zweitaktmaschine kann hier als Anhaltspunkt gelten, daß hohe Lasten solche sind, die 75% der maximalen Last der Maschine bei der je­ weiligen Drehzahl überschreiten, und niedrige Lasten solche, die geringer sind als 30% der von der Maschine bei der jeweiligen Drehzahl erreichbaren maximalen Last.
Die jeweiligen Prozentangaben für die Maschinen­ lasten beziehen sich stets auf die von der Maschine bei einer bestimmten Drehzahl erreichbaren maximalen Last.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungs­ beispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Zweitaktmaschine, und
Fig. 2 und 3 eine Reihe von Diagrammen, die die Brennstoffinjektionszeiten für verschiedene Drehzahlen der Maschine nach Fig. 1 zeigen.
Die Maschine 9 in Fig. 1 ist eine Einzylinder­ zweitaktmaschine von im wesentlichen bekannter Konstruktion mit einem Zylinder 10, einem Kurbel­ gehäuse 11 und einem Kolben 12, der im Zylinder 10 hin- und hergeht. Der Kolben 12 ist über eine Pleuelstange 13 mit einer Kurbelwelle 14 ver­ bunden. Das Kurbelgehäuse 11 ist mit Luftein­ laßöffnungen 15 versehen, die konventionelle Klappenventile 19 aufweisen, und drei Durch­ gänge 16, von denen nur einer gezeigt ist, verbinden das Kurbelgehäuse mit zugeordneten Übertragungsöffnungen 17 und 18, von denen zwei dargestellt sind und die dritte der Öffnung 17 auf der anderen Seite der Öffnung 18 entspricht.
Die Übertragungsöffnungen sind jeweils in der Wand des Zylinders 10 ausgebildet, wobei ihre jeweiligen oberen Kanten in der gleichen diametralen Ebene des Zylinders liegen. Eine Auslaßöffnung 20 befindet sich im wesent­ lichen gegenüber der mittleren Übertragungs­ öffnung 18 in der Wand des Zylinders. Die obere Kante der Auslaßöffnung liegt leicht über der durch die oberen Kanten der Über­ tragungsöffnungen gehenden diametralen Ebene, so daß die Auslaßöffnung entsprechend später während des Maschinenzyklus schließt. Ein abnehmbarer Zylinderkopf 21 besitzt eine Brennkammer 22, in den eine Zündkerze 23 und eine Brennstoff-Einspritzdüse 24 hinein­ ragen. Der Brennraum 22 ist im wesent­ lichen symmetrisch in bezug auf die axiale Ebene des Zylinders durch die Mitten der Übertragungsöffnung 18 und der Auslaßöffnung 20 angeordnet. Der Brennraum 22 erstreckt sich über den Zylinder von der Zylinderwand unmittelbar über der Übertragungsöffnung 18 bis von dieser ausgesehen hinter die Mittel­ linie des Zylinders.
Die Querschnittsform des Brennraums 22 entlang der vorerwähnten axialen Ebene des Zylinders ist im wesentlichen im tiefsten Bereich bzw. an der Basis 28 bogenförmig, wobei die Mittellinie des Bogens etwas näher an der Mittellinie des Zylinders als an der Zylinderwand über der Übertragungsöffnung 18 liegt. Das auf der Seite der Zylinderwand über der Übertragungsöffnung 18 liegende Ende der bogenförmigen Basis 28 geht in eine im wesentlichen gerade Fläche 25 über, die sich zu der unteren Fläche 29 des Zylinderkopfs 21 an der Zylinderwand erstreckt. Die Fläche 25 ist von der Zylinderwand nach oben zur bogen­ förmigen Basis 28 des Brennraums hin geneigt.
Das gegenüberliegende oder innere Ende der bogenförmigen Basis 28 geht in eine relativ kurze steile Fläche 26 über, die sich bis zur unteren Fläche 29 des Zylinderkopfs erstreckt. Die Fläche 26 trifft unter einem relativ steilen Winkel auf die untere Fläche 29. Die gegenüber­ liegenden Seitenwände des Brennraums (nur eine ist bei 27 gezeigt) sind im wesent­ lichen flach und parallel zu der vorgenannten axialen Ebene des Zylinders und treffen somit ebenfalls unter einem steilen Winkel auf die untere Fläche 29 des Zylinderkopfs 21.
Die Einspritzdüse 24 befindet sich an der tiefsten Stelle des Brennraums 22, während die Zündkerze 23 auf der Seite in den Brenn­ raum 22 hineinragt, die von der Übertragungs­ öffnung 18 am weitesten entfernt ist. Demgemäß strömt die in den Zylinder eintretende Luft im Brennraum 22 an der Einspritzdüse 24 vorbei zu der Zündkerze 23 und trägt somit den Brennstoff von der Einspritzdüse zur Zündkerze.
Die vorbeschriebene Anordnung und Form des Brennraums 22 fördert die Bildung einer geschichteten Brennstoffverteilung in der Brennkammer. Diese Schichtung wird weiterhin unterstützt durch den späten Zeitpunkt der Brennstoffinjektion in den Brennraum 22 und der Lastbetriebsbe­ dingungen. Eine Förderung der Brennstoff­ schichtung ergibt sich ferner durch die Verwendung einer geeigneten Einspritzdüse.
Die Fig. 2 zeigt einen Satz von drei Diagrammen bezüglich des Beginns und des Endes der Brennstoffinjektion, war für drei ver­ schiedene Maschinendrehzahlen innerhalb des Bereichs der niedrigen Drehzahlen, die in Beziehung zur Maschinenlast gesteuert sind. Diagramm A betrifft eine Drehzahl von 1100 U/min, Diagramm B eine Drehzahl von 1300 U/min und Diagramm C eine Drehzahl von 1500 U/min. Die in den Diagrammen angegebenen Werte stammen aus Untersuchungen mit einer Zweitaktmaschine, wie sie grundsätzlich in Fig. 1 dargestellt ist, wobei die Auslaßöffnung bei 270° vor dem oberen Totpunkt öffnet und 90° vor dem oberen Totpunkt schließt.
Die Fig. 3 zeigt einen Satz von drei Diagrammen für die Injektionszeit auf der gleichen Basis wie in Fig. 2, jedoch in Beziehung zu drei Maschinendrehzahlen im Hochdrehzahl­ bereich der gleichen Maschine. Diagramm D be­ zieht sich auf eine Drehzahl von 3000 U/min, Diagramm E auf eine Drehzahl von 3750 U/min und Diagramm F auf eine Drehzahl von 4500 U/min.
Die Diagramme in den Fig. 2 und 3 zeigen den Beginn und das Ende der Injektion in Abhängig­ keit vom Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt im Maschinenzyklus gegen die Maschinen­ last, die durch die in Milligramm gemessene Luftcharge pro Maschinenzyklus für jeden Zylinder der Maschine dargestellt ist. Die Luftcharge hat eine direkte Beziehung zur Maschinen­ last. Die ausgezogene Linie gibt den Beginn der Brennstoffinjektion und die punktierte Linie das Ende der Brennstoffinjektion wieder.
In Fig. 2 zeigen die auf den Betrieb mit niedrigen Drehzahlen bezogenen Diagramme, daß die Brennstoffinjektion deutlich nach dem Schließen der Auslaßöffnung beginnt, die bei 90° vor dem oberen Totpunkt erfolgt, und daß diese Situation bei einer Drehzahl von 1100 U/min über den hauptsächlichen Teil des Lastbereichs besteht. Die drei Diagramme lassen erkennen, daß der Beginn der Injektion sich mit zunehmend geringeren Maschinenlasten zum Schließzeitpunkt hin bewegt, wenn die Maschinendrehzahl erhöht wird. Jedoch selbst bei 1500 U/min ist es noch deutlich nach dem Schließen der Auslaßöffnung und der Beginn der Injektion bewegt sich nicht eher zum Schließzeitpunkt der Auslaßöffnung hin, bis etwa 25% der maximalen Last erreicht sind, und gelangt nicht eher in den Bereich vor dem Schließen der Auslaßöffnung, als die Maschine mit einer Last von mehr als etwa 50% der maximalen Last arbeitet.
Es ist darauf hinzuweisen, daß bei niedrigen Drehzahlen wenigstens 80% und vorzugs­ weise der gesamte Brennstoff bei Lasten bis zu 25% der bei der bestimmten Drehzahl erreichbaren maximalen Last nach dem Schließen der Auslaßöffnung injiziert wird.
Die Hochdrehzahldiagramme in Fig. 3 zeigen eine Fortsetzung der in Fig. 2 angedeuteten Tendenz dahingehend, daß bei einem Anstieg der Maschinendrehzahl der Beginn der Injektion zunehmend früher im Zyklus erfolgt. Bei 3000 U/min und Lasten über 60% der maximalen Last beginnt und endet die Brennstoffinjektion vor dem Schließen der Auslaßöffnung. Mit steigender Maschinen­ drehzahl nimmt die Last, bei welcher der gesamte Brennstoff vor dem Schließen der Auslaßöffnung injiziert wird, fortlaufend ab. Bei einer Drehzahl von 4500 U/min wird der gesamte Brennstoff vor dem Schließen der Auslaßöffnung bei allen Lasten über etwa 30% der vollen Last injiziert.
Es ist festzustellen, daß bei den in den Diagrammen nach Fig. 3 wiedergegebenen Drehzahlen der Beginn der Injektion für alle Lasten oberhalb etwa 60% der maximalen Last vor dem unteren Totpunkt (180° vor dem oberen Totpunkt) liegt, und mit steigender Drehzahl dieser Prozent­ satz von der maximalen Maschinenlast abnimmt. Bei 4500 U/min erfolgt der Beginn vor dem unteren Totpunkt bei allen Lasten oberhalb etwa 15% der maximalen Maschinenlast. Es ist auch festzu­ stellen, daß bei 3750 U/min und sehr hohen Lasten die Injektion früher als 270° vor dem oberen Totpunkt beginnt, d. h. sogar vor dem Öffnen der Auslaßöffnung.
In der vorliegenden Beschreibung bedeutet der Begriff "hohe Lasten und Drehzahlen sowohl hohe Lasten und hohe Drehzahlen als gleichzeitig und dicht alternativ auf­ tretende Maschinenbedingungen. In gleicher Weise bedeutet "niedrige Lasten und Drehzahlen einen Maschinenzustand, bei dem gleichzeitig eine niedrige Last und eine niedrige Drehzahl gegeben sind.

Claims (7)

1. Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Zweitaktbrennkraftmaschine mit einer Brennkammer und einer zeitlich geöffneten und geschlossenen Auslaßöffnung für das Abgas, wobei der Brennstoff direkt in die Brennkammer eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet daß bei niedrigen Maschinenlasten und -drehzahlen wenigstens 80% des Brennstoffs nach dem Schließen der Auslaßöffnung der Brennkammer zugeführt wer­ den, und daß bei hohen Maschinenlasten wenigstens 80% des Brennstoffs vor dem Schließen der Auslaß­ öffnung der Brennkammer zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die niedrigen Maschinendrehzahlen und Maschi­ nenlasten unter 25% der entsprechenden Vollast­ werte liegen.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß bei niedrigen Lasten und Drehzahlen die Injektion des Brennstoffs in die Verbrennungskammer bei 50 oder mehr vor dem Zünd­ zeitpunkt beginnt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß bei niedrigen Lasten und Drehzahlen die Injektion des Brennstoffs in die Brennkammer bis zu 30° nach dem Schließen der Aus­ laßöffnung beginnt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei hoher Last und Drehzahl die Injektion des Brennstoffs in die Brennkammer vor dem unteren Totpunkt des Zweitaktzyklus begonnen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektion vor der Öffnung der Auslaßöff­ nung begonnen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei niedrigen Maschi­ nenlasten die Zündung des Brennstoffs in der Brennkammer zwischen 40° und 70° vor dem oberen Totpunkt des Maschinenzyklus eingeleitet wird.
DE3690387A 1985-07-19 1986-07-18 Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Zweitakt-Brennkraftmaschine Expired - Fee Related DE3690387C2 (de)

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