DE3729998A1

DE3729998A1 - Ladungswechselsteuerung fuer eine verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE3729998A1
Application number: DE19873729998
Authority: DE
Inventors: Gerhard Werner Kappelmeier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-09-08
Filing date: 1987-09-08
Publication date: 1989-03-23

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladungswechselsteuerung für eine Verbren nungskraftmaschine und ist im besonderen auf ein System gerichtet, mit dem Schwingungsdruckverläufe des Arbeitsmediums in Übereinstimmung mit sich ändernden Betriebszuständen des Motors verändert werden können. Bei konventionellen Verbrennungskraftmaschinen ist es nur für einen be stimmten Bereich des Betriebsspektrums möglich, bedingt durch die geo metrischen Hauptabmessungen wie Hub, Bohrung, Kanalquerschnitte, Schlitz breiten und -höhen, Abmessungen der Auspuffanlage etc., den Motor ekono misch optimiert zu betreiben. Bei Zweitaktmotoren liegt dieser Bereich des höchsten Wirkungsgrades ziemlich genau bei der Rosonanzdrehzahl, der Drehzahl, bei der die beste Füllung des Kurbelgehäuses eintritt. Alle Teile des Motors sind auf diese Resonanzdrehzahl abgestimmt. Hier stim men die selbsterzeugten Schwingungen des Motors wie z. B. Ansaugschwin gung und Auslaßschwingung optimal mit den geometrischen Hauptabmessungen von Ansaugtrakt und Auspuffanlage überein. Außerhalb dieser Drehzahl kann der Motor keine Schwingungen erzeugen, die weitgehend mit seinen geometrischen Hauptabmessungen übereinstimmen. Dies äußert sich dann z. B. in einer zu schwachen Spülung des Zylinders samt Brennraum von Ab gasen durch Frischladung, was ungenügende Leistung und eine eventuelle Zerstörung des Motors durch klopfende Verbrennung zur Folge hat, wenn sich die Frischladung im Zylinder und Brennraum mit größeren Restabgas mengen mischt und sich dabei stark aufheizt und unkontrolliert verbrennt. Andererseits kann es auch der Fall sein, daß bei der Spülung große Men gen von Frischladung in den Auslaß entweichen und so nicht an der Ver brennung teilnehmen. Dies ist der Fall, wenn die Saugwirkung des Diffusors, d. h. die Unterdruckwelle, zu lang und/oder zu stark ist bei Öffnen des Auslasses oder andererseits die herausgerissene Frischladung nicht recht zeitig vor Auslaßschluß durch eine zu schwache und/oder zu spät einsetzen de positive Druckwelle des Gegenkonus wieder in den Zylinder zurückge drückt wird. Andererseits kann es der Fall sein, daß diese positive Druckwelle zu stark ist und daß zwar die entwichene Frischladung zurück gedrückt wird, aber auch heißes Abgas mit in den Zylinder gepreßt wird, was wiederum zum gefürchteten Klopfen führt. Für den Ladungswechsel sind nicht nur die Druckverläufe in den Zu- und Abführungssystemen von Bedeu tung, sondern auch die Druckverläufe und Schwingungen des Kurbelgehäuses und z. B. der Überström- und Stützkanäle.

Diese Mißstände, wie sie hier vorangehend unvollständig aufgezählt wur den, sind seit der Anfangszeit des Motorenbaus bekannt, und es wurden schon viele Methoden angewandt, um sie zumindest teilweise zu eliminie ren, mit mehr oder weniger Erfolg. So ist z. B. ein System bekannt, bei dem eine computergesteuerte Auslaßsteuerwalze Verwendung findet. Dieses System macht sich die Tatsache zu nutzen, daß es bei steigender Drehzahl von Vorteil ist, die Höhe des Auslaßschlitzes nach oben in Richtung obe rer Totpunkt anwachsen zu lassen und somit die Auslaßsteuerzeit zu ver längern und die Leistung in höhere Drehzahlbereiche zu verschieben, ohne im Fall eines von vornherein vergrößerten Auslaßschlitzes hohe Frisch ladungsverluste und daraus schwaches Drehmoment im unteren und mittleren Drehzahlbereich befürchten zu müssen. Bei der Verwendung dieses Systems kann zwar die Steuerzeit des Auslaßschlitzes kontrolliert gesteuert wer den, aber die Form der Schwingungen und Druckverläufe in Ansaugtrakt, Kurbelgehäuse, Überströmkanälen, Auspufftrakt etc. kann nicht von vorn herein an die sich ändernde Auslaßsteuerzeit angeglichen werden. Obwohl sich natürlich eine geänderte Auslaßschlitzhöhe auf den gesamten Schwin gungshaushalt des Motors auswirkt. Es werden allerdings alle Arten von Schwingungen beeinflußt, ob beabsichtigt oder unerwünscht.

Auf der gleichen Tatsache beruht ein weiteres bereits bekanntes System, hier wird allerdings keine veränderliche Auslaßsteuerwalze für die Steu erzeit verwendet, sondern ein an einer Dosenmembran befestigter Auslaß steuerschieber. Die Dosenmembran vergleicht den Druck des Auslaßgases mit dem Umgebungsdruck und zieht ihn zur Steuerung des Schiebers heran, da der Abgasdruck etwa proportional zum Mitteldruck verläuft. Je nach Abgasgegendruck verändert sich auch hier die Auslaßschlitzfläche. Es sind auch Systeme bekannt, die zwar auch Steuerwalzen im Auslaß verwenden, aber nicht zur Änderung der Schlitzhöhe, sondern sie ermöglichen die Zuschal tung einer Resonanzkammer, um das Auspuffvolumen künstlich zu vergrößern und somit die Resonanzdrehzahl in niedrigere Drehzahlen zu legen. Ab z. B. 7000 U/pm verschließt die Steuerwalze den Weg in die Resonanz kammer, das Auspuffvolumen wird verkleinert, und die Resonanzdrehzahl verschiebt sich, wie gewünscht, wieder in den oberen Drehzahlbereich. Die vorangegangenen Beispiele erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Sie zeigen nur einen Querschnitt der bereits unternommenen Anstrengungen, über den Auslaßtrakt die bekannten Mißstände zumindest teilweise zu beseitigen. Die verwendeten Beispiele verdeutlichen auch die Komplexität der Thematik, bezogen auf Umfang der probleme und den doch erheblichen präzisionstechnischen Aufwand, der betrieben wird, um sie teilweise zu beseitigen.

Nachfolgend muß erwähnt werden, daß auch einlaßseitig große Anstrengun gen unternommen werden, um die Mißstände wenigstens teilweise zu besei tigen. Es werden z. B. Einlaßmembranen und Lamellenventile verwendet, die ein teilweises Zurückströmen der Frischladung aus dem Kurbelgehäuse bei gegen den unteren Totpunkt strebenden Kolben in den Ansaugtrakt mit z. B. Vergaser zur Gemischaufbereitung in befriedigender Weise unterbinden und somit eine unerwünschte erneute Anreicherung des Gemisches mit Kraft stoff verhindern. Auch werden Einlaßmembranen in Verbindung mit Schwing kammern verwendet, um denselben Mißstand zu mindern. Wenn der Kolben den Einlaßschlitz schließt oder die Membranzungen langsam schließen und den Gasstrom immer stärker abbremsen, fließt ein Teil der zurücklaufenden Welle in die Schwingkammer, baut Strömungsenergie ab und verringert die Gefahr, daß der Gasstrom beim Überschreiten des Vergaserdüsenstocks noch einmal mit Kraftstoff angereichert wird. Nachteilig ist zu sagen, daß Membranen durch ihre Form den Einlaßkanal verengen und den Frischladungs strom behindern. Auch kann es zu unkontrollierter Öffnung der Membran zungen kommen.

Dies ist wiederum ein Querschnitt durch die bereits bekannten Möglich keiten und angewandten Systeme zur Verbesserung des Einlaßtaktes eines Zweitaktmotors mit Umkehrspülung nach Kind (DRP-Nr.: 207107).

Aus den Überlegungen und den Beurteilungen bereits bekannter Systeme zum verbesserten Ladungswechsel heraus und der Verdeutlichung der Ur sachen und Grundlagen des Ladungswechsels kristallisierte sich die be kannte Tatsache, daß Verbrennungskraftmaschinen nur Druckschwingungsver läufe verarbeiten, die optimal mit ihren geometrischen Hauptabmessungen übereinstimmen. Diese idealen Druckschwingungsverläufe treten aber nur bei einer festen Drehzahl optimal auf, bei der Resonanzdrehzahl. Steigt oder sinkt diese Drehzahl, wie es im Betrieb ja ständig der Fall ist, so ändert sich auch der Druckschwingungsverlauf und stimmt nicht mehr mit den geometrischen Hauptabmessungen, wie Bohrung und Hub z. B., die ja bei jedem Betriebszustand gleich bleiben, überein und kann somit nicht mehr optimiert verarbeitet werden.

Hier setzt nun meine Erfindung ein. Es handelt sich hierbei um eine Ladungswechselsteuerung für Verbrennungskraftmaschinen und ist im be sonderen auf ein System gerichtet, mit dem Schwingungsdruckverläufe des Arbeitsmediums erzeugt und/oder bereits vorhandene verstärkt, ergänzt, eliminiert oder anderweitig beeinflußt werden können und somit auf jeden Betriebszustand des Motors optimal abgestimmt werden können. Verwendet wird dieses System an beliebigen Verbrennungskraftmaschinen wie z. B. Otto-, Diesel-, Zweitakt-, Viertakt- und Kreiskolbenmotoren. Am Beispiel eines Otto-Zweitakteinzylindermotors mit Umkehrspülung nach Kind be schreibe ich nun den prinzipiellen Aufbau des Systems, wobei drei belie bige Beispiele für Übertragungselemente gleichzeitig Verwendung finden. Sie können aber in der praxis beliebig vermehrt oder auch nur einzeln Verwendung finden, d. h., es können sich auch z. B. in oder an den Überström- und Stützkanälen oder anderen für den Ladungswechsel wichtigen Organen Übertragungselemente befinden. Andererseits kann sich für den gleichen Motor auch nur z. B. ein Übertragungselement im Ansaugtrakt befinden, beliebig nach Wahl.

Verwendung findet ein beliebiger Serienmotor, an dessen Motorblock, d. h. Zylinder-Kolben-Einheit, Zylinderkopf, Kurbelwelle, pleuel und sämtlichen Steuerschlitzen keine Veränderungen vonnöten sind. Die Aus puffanlage und der Ansaugtrakt wurden entfernt und durch solche mit Übertragungselementen 23 und 24 ausgestatteten ersetzt, ebenso wird im Kurbelgehäuse 4 ein Übertragungselement 22 angebracht. Die Ansaugluft strömt nun über das Luftfilterelement 8 in den Luftfilterkasten 9, in dem sich das Übertragungselement 24 befindet. Je nach Kurbelwellen stellung und herrschendem Druck im Ansaugtrichter 13 strömt die Luft an der Membran 10 in den Ansaugtrichter 13 und wird vom Übertragungselement 24 durch Druckschwingungen unterstützt durch den Vergaser 4 mit Kraft stoffleitung 15 über den Einlaßschlitz 25 in das Kurbelgehäuse 4 bewegt. Bei abwärtsstrebendem Kolben wird die Frischladung vom Kolben vor komprimiert und unterstützt vom Übertragungselement 22 über den Über strömkanal 5 in den Zylinder 6 mit Brennraum 7 gedrückt, um dadurch das Altgas, das bei Auslaßbeginn bereits zum Teil aus dem Auslaßschlitz 26 entwichen ist, auch noch komplett aus dem Zylinder zu spülen. Hierbei entweicht auch gewöhnlich Frischgas in den Auspuff. Dieses Frischgas wird nun für jede Drehzahl und Last exakt vor Auslaßschluß von am Ende des Diffusors 16 sitzendes Übertragungselement 23 mit einer Druckwelle zurück über den Auslaßschlitz 26 in den Zylinder 6 gedrückt, ohne daß Abgas in den Zylinder mit hineingedrückt wird. Das Abgas verläßt den Diffusor 16 über die Membran 19 am Übertragungselement vorbei in den Auspuff 20 mit einem eventuell nachgeschalteten konventionellen Schall dämpfer. Und das Arbeitsspiel wird von neuem fortgesetzt. Die Schwin gungserzeugung der Übertragungselemente kann z. B. durch Membranen 11, 17 und 21 erfolgen, die auf Aufhängungen 12, 18 und 28 sitzen und elektromagnetisch bewegt werden, so wie es z. B. in bereits bekannten Beschallungsgeräten wie Lautsprechern der Fall ist. Es ist darauf zu achten, daß besonders die im Auslaßtrakt angebrachten Übertragungselemen te aus hitzebeständigen Materialien gefertigt sind. Die Membranen 10 und 18 können z. B. auch elektromagnetisch betätigt werden, was präzi sere Öffnungszeiten zur Folge hat. Alle Übertragungselemente und even tuell die Membranen 10 und 18 etc. werden von einer elektronischen Steuereinheit (nicht gezeigt) mit elektrischen Impulsen versorgt und gesteuert. Das Kennfeld für eine exakte Steuerung über den ganzen Dreh zahlbereich kann in prüfstandversuchen zusammengestellt, aber auch über eine beliebige Anzahl von Druck- und Temperatursensoren (nicht gezeigt) während des Betriebes errechnet werden.

Claims

1. Ladungswechselsteuerung für eine Verbrennungskraftmaschine mit minde stens einer Zylinder/Kolben-Einheit mit mindestens einem Auslaß und einem Einlaß und den jeweiligen Zu- und Abführungssystemen für das Arbeitsmedium, gekennzeichnet durch eine Anordnung zur gesteuerten teilweisen und/oder kompletten Steuerung der Vorgänge des Ladungs wechsels.

2. Ladungswechselsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung bevorzugt aus einer elektronischen Steuereinheit und dem und/oder den ausführenden Ladungswechselsteuerelementen zusammen gesetzt ist.

3. Ladungswechselsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor in einem Kraftfahrzeug installiert sein kann und daß die elektronische Steuereinheit mit den Bremsen des Kraftfahrzeugs ver bunden sein kann.

4. Ladungswechselsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausführungselemente des Systems mit Elementen versehen sind, die in der Lage sind, elektrische Signale der Steuereinheit in Schall druckschwingungen umzusetzen.

5. Ladungswechselsteuerung, insbesondere zur Verwendung mit einem Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System es ermöglicht, die im Motor entstehenden Druckschwingungen optimal durch die künstlich erzeugten Schwingungen der Ausführungs elemente zu ergänzen und/oder zu ersetzen.

6. Ladungswechselsteuerung, insbesondere zur Verwendung mit einem Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System es ermöglicht, den Motor mit Magergemischkonzepten zu betreiben.

7. Ladungswechselsteuerung, insbesondere zur Verwendung mit einem Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die augenblickliche Motordrehzahl als Kriterium für den Ladungswechsel von der Steuereinheit berücksichtigt wird und/oder werden kann.

8. Ladungswechselsteuerung, insbesondere zur Verwendung mit einem Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die augenblickliche Motorbetriebslast als Kriterium für den Ladungs wechsel von der Steuereinheit berücksichtigt wird und/oder werden kann.

9. Ladungswechselsteuerung, insbesondere zur Verwendung mit einem Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne oder alle Temperaturen, die für den Ladungswechsel und für den Betrieb des Motors wichtig sind, wie z. B. Umgebungstemperatur der Luft, Abgastemperatur, Zylinderkopftemperatur etc. von der Steuereinheit berücksichtigt werden und/oder werden können.

10. Ladungswechselsteuerung, insbesondere zur Verwendung mit einem Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der augenblicklich herrschende Luftdruck von der Steuereinheit be rücksichtigt wird oder werden kann.

11. Ladungswechselsteuerung, insbesondere zur Verwendung mit einem Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die augenblickliche Luftfeuchtigkeit von der Steuereinheit berück sichtigt wird oder werden kann.

12. Ladungswechselsteuerung, insbesondere zur Verwendung mit einem Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System zur Regelung der Zusammensetzung der Abgase herangezogen werden kann.

13. Ladungswechselsteuerung, insbesondere zur Verwendung mit einem Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem verwendeten Motor um eine Verbrennungskraftmaschine handelt und das System dem verbesserten Verbrennen verschiedener Kraftstoffe dient.

14. Ladungswechselsteuerung, insbesondere zur Verwendung mit einem Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System auch dazu verwendet werden kann, den Motor zu bremsen.

15. Ladungswechselsteuerung, insbesondere zur Verwendung mit einem Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System zum Variieren des wirksamen Kompressionsverhältnisses dient.

16. Ladungswechselsteuerung, insbesondere zur Verwendung mit einem Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System zum Variieren der wirksamen Kapazität des Motors dient.

17. Ladungswechselsteuerung, insbesondere zur Verwendung mit einem Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System zum verbesserten Starten des Motors verwendet wird.

18. Ladungswechselsteuerung, insbesondere zur Verwendung mit einem Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System es ermöglicht, daß zur Herstellung des Kraftstoff-Luft gemisches der Motor auch mit Vergaseranlagen oder Einspritzsystemen etc. ohne Schieber oder Drosselklappen oder dergleichen, die Strömung und Schwingung der Ansaugluft behindernde Gemischregelungsorgane betrieben werden kann.

19. Ladungswechselsteuerung, insbesondere zur Verwendung mit einem Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System es ermöglicht, von einem Mehrzylindermotor einzelne oder mehrere Zylinder zur Verringerung der wirksamen Kapazität abzuschal ten.

20. Ladungswechselsteuerung, insbesondere zur Verwendung mit einem Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System es ermöglicht, die Geräuschentwicklung des in den Motor einströmenden Arbeitsmediums, wie z. B. Luft und der aus dem Motor austretenden Abgase zu mindern.