DE3744609A1 - Einrichtung zur niederdruck-kraftstoffeinspritzung bei einem zweitaktmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Niederdruck- Kraftstoffeinspritzung bei einem Zweitaktmotor.

Die Vorteile der Anwendung der direkten Kraftstoffein­ spritzung in den Zylinder von Motoren mit gesteuerter Zündung sind bekannt, insbesondere bei Zweitaktmotoren, Ebenso bekannt sind die Schwierigkeiten, die die Regelung der Fördermenge der Hochdruckpumpen bereitet, die zur Kraftstoffzufuhr zu den unmittelbar gegenüber der Brennkam­ mer liegenden Einspritzventilen erforderlich sind. Diese Schwierigkeiten sind auf den Widerspruch zwischen dem Gesetz des Pumpenverstellinien und der Notwendigkeit zurückzuführen, die Kraftstoffzufuhr je Motorumdrehung auf die Drehzahländerung abzustimmen, und verlangen die Anwendung von zusätzlichen Regeleinrichtungen oder jedenfalls von für jede Motorbauart eigens entwickelten Pumpen.

Die Niederdruck-Einspritzsysteme waren und sind bekanntlich bei Viertaktmotoren sowohl in "Single-Point"- als auch in "Multi-Point"-Ausführung weit verbreitet. Die "Single- Point"-Systeme sind diejenigen, wo der Kraftstoff in ein Venturi-Saugrohr eingespritzt und dann zu den verschie­ denen Zylindern gefördert wird. Bei den "Multi-Point"-Syste­ men wird dagegen der Kraftstoff in jede einzelne Einlaßlei­ tung eingespritzt. Unabhängig von der unterschiedlichen Anzahl Einspritzventile, die dabei erforderlich sind, bieten beide Lösungen allgemeine mit der Möglichkeit der Veränderung der Einspritzeinstellung und der Einspritz­ dauer zusammenhängende Vorteile und außerdem selbstverständ­ lich den Vorteil, daß die Kraftstoffzufuhr und die entspre­ chende Regelung viel einfacher als bei den Hochdrucksystemen sind.

Bei den Zweitaktmotoren sind jedoch die Vorteile der oben beschriebenen Niederdruck-Einspritzsysteme im Vergleich zu den herkömmlichen Systemen belanglos. Es bleiben nämlich dieselben Grenzen bestehen, die mit der Art des Steuerdiagramms des Motors zusammenhängen, das durch eine indirekte Einspritzung, wie eben die herkömmliche Niederdruck-Einspritzung, nicht verändert werden kann.

Man hat jedenfalls an die Anwendung einer direkten Nieder­ druck-Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder von Zweitaktmo­ toren gedacht, die durch die Anwesenheit eines Einspritzven­ tils in der Nähe der Innenwand des Zylinders in einer Kammer gekennzeichnet ist, die hauptsächlich mit dem Gehäuse, aber auch - über eine Bohrung mit kleinem Durch­ messer - mit dem Zylinder selbst in Verbindung steht. Durch diese Bohrung, die praktisch eine zusätzliche Überstromöffnung darstellt, wird in den Zylinder der aus dem Einspritzventil in unmittelbarer Nähe der Bohrung austretende Kraftstoff eingespritzt, was die Bezeichnung "direkt" rechtfertigt, die für diese Einspritzungsart benutzt wird. Die Vorteile eines solchen Systems sind einleuchtend, und zwar in Anbetracht sowohl des niedrigen Druckes, bei dem das Einspritzventil arbeiten muß und der praktisch dem im Gehäuse herrschenden Druck entspricht, als auch des niedrigen Temperaturwertes an der betreffenden Stelle des Zylinders gegenüber dem Temperaturwert im Bereich des Kopfes, wo in der Regel die Hochdruck-Einspritz­ ventile arbeiten.

Diesen Vorteilen sind jedoch Probleme zugeordnet, die im wesentlichen auf die Notwendigkeit zurückzuführen sind, die hohe Dynamik des Gesetzes der in Abhängigkeit von den Umdrehungen und der Last des Motors erforderlichen Kraftstoffmengenänderungen zu gewähren. Man muß nämlich die Tatsache beachten, daß das Verhältnis zwischen dem Mindest- und dem Höchstwert der Kraftstoffmenge durchschnittlich 1 zu 5 liegt, und daß die kürzeste Betätigungszeit des Einspritzventils aus technologischen Gründen nicht weniger als eine Millisekunde betragen kann. Da sich diese Notwendigkeit aller Wahrscheinlichkeit nach dann einstellt, wenn der Motor bei Höchstdrehzahl laufen muß, ist die Schlußfolgerung naheliegend, daß die Dauer der Einspritzung etwa 50% der Dauer einer vollständigen Umdrehung der Kurbelwelle entsprechen sollte, was offensichtlich unmöglich ist. Man hat durch Einspritzventile mit in Abhängigkeit vom Düsenhub nicht linearem Ausflußgesetz Abhilfe geschaffen. Dabei ist die Änderung des Ausflußquerschnittes so, daß in der durch das Steuerdiagramm zugelassenen Zeit die höchste gewünschte Fördermenge gewährleistet wird.

In der Lösung sind jedoch Probleme verwickelt, die sowohl mit der Art des aus dem Einspritzventil austretenden Flusses als auch mit der wirtschaftlichen Fertigung der Einspritzventile selbst zusammenhängen.

Aus den obigen Ausführungen ergibt sich nämlich die Tatsache, daß die Form des aus dem Einspritzventil austretenden Flusses unbedingt in Abhängigkeit von den gewünschten Mengenwerten veränderlich ist, und zwar ist diese Form bei kleinen Mengen dichter und konvergent und wird bei zunehmender Menge immer mehr divergent. Dadurch wird es schwierig, den ganzen Kraftstoffluß in den Innenraum des Zylinders zu leiten und zu fördern, mit dem Ergebnis, daß man auch bei Anwendung von Überstrom­ öffnungen mit größerem Querschnitt nicht vermeiden kann, daß ein Anteil des aus dem Einspritzventil austreten­ den Kraftstoffes im Gehäuse verloren geht und - was noch schlimmer ist - daß die verlorene Menge nicht genau voraussehbar ist, unbeachtet außerdem der Tatsache, daß der größere Querschnitt der Überstromöffnung selbst­ verständlich zu Beeinträchtigungen vom thermischen Gesichts­ punkt des Einspritzventils aus sowie vom thermodynamischen Gesichtspunkt des Motors aus führt.

Die mit der gewerblichen Vertretbarkeit dieser Lösung zusammenhängenden Probleme kann man sich leicht vorstellen, wenn man bedenkt, wie sorgfältig und daher aufwendig die Ausführung des Profils des Ausflußquerschnittes sein muß, um das oben erwähnte Gesetz der Mengenänderung einzuhalten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Niederdruck-Kraftstoffeinspritzung bei Zweitaktmotoren, die die Nachteile der obenerwähnten Lösung beseitigt.

Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung zur Niederdruck- Kraftstoffeinspritzung bei einem Zweitaktmotor mit wenig­ stens einem Zylinder samt Kolben gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß für jeden Zylinder wenigstens zwei Einspritzventile vorgesehen sind, die am Zylinder starr gekuppelt sind und mit dem Innenraum des Zylinders in Verbindung stehen, wobei die Einspritzventile außerdem je mit einem Kraftstoff-Zufuhrkreis und mit einer Steuerein­ heit verbunden sind, die den Kraftstoffausfluß aus dem Einspritzventil in den Zylinder in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Motors steuert.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines nicht beschrän­ kenden in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Teilschnittansicht eines Zweitaktmotors, der mit einer erfindungsgemäßen Einspritzeinrichtung versehen ist,

Fig. 2 eine Schnittansicht nach der Linie II-II von Fig. 1,

Fig. 3 das Steuerdiagramm des Motors nach Fig. 1,

Fig. 4 den vollständigen Aufbau der betreffenden Einspritz­ einrichtung,

Fig. 5 eine schematische Ansicht eines elektronischen Teils der betreffenden Einspritzeinrichtung und

Fig. 6 ein Leistung/Drehzahl-Diagramm des Motors in zwei Be­ triebszuständen der betreffenden Einspritzeinrichtung.

Fig. 1 zeigt einen insgesamt mit 1 bezeichneten Einzylinder- Zweitaktmotor mit Saugseite im Gehäuse, dessen wesentliche Teile aus dem Zylinderkörper 3, dem Kopf 4, dem mit der Kurbelwelle 6 verbundenen Kolben 5 und dem Gehäuse 2 bestehen. Im Gehäuse 2 wird die Luft in Pfeilrichtung A während des Umdrehungsbruchteils angesaugt, in dem sich der in der Kurbelwelle 6 ausgearbeitete Raum 7 während der Wellenumdrehung im Bereich der im Gehäuse 2 ausgearbeiteten Einlaßöffnung 8 befindet. Die angesaugte Luft wird dann verdichtet und über die zum Teil im Gehäuse 2 und zum Teil im Zylinderkörper 3 ausgearbeitete Überstrom­ leitung 10 zur Brennkammer 9 geschickt. Im Zylinderkörper 3 ist noch die Auslaßleitung 11 ausgearbeitet, über die die Abgase der durch die Zündkerze 12 ausgelösten Ver­ brennung ausgelassen werden, nachdem der eingespritzte Kraftstoff mit der Luft vermischt und dann in der Kammer 9 verdichtet worden ist.

In Fig. 1 ist außerdem mit 13 das eine der beiden Einspritz­ ventile mit gleichbleibender Flußrichtung bezeichnet, die Bestandteile einer Einrichtung zur Kraftstoffeinspritzung in die Kammer 9 sind. Das Einspritzventil 13 ist am Zylinderkörper 3 durch eine Verankerungsplatte 14 befestigt, die am Zylinderkörper 3 angeschraubt ist, und stützt sich an dem zwischen dem Einspritzventil und dem Zylinderkör­ per angeordneten Zentrieransatz 15 ab. Die diesem Zentrieran­ satz gegenüberliegende Fläche steht mit einem Ring 16 in Berührung, der seinerseits gegen den Sprengring 17 anstößt, der in einer entsprechenden Nut des Mittelkörpers des Einspritzventils sitzt. Eine Dichtung 18 ist nach dem Ring 17 zwischen dem Einspritzventil und dem Zylinder­ körper angeordnet und ein weiterer Formteil 19, der im wesentlichen als Wärmeschutzschild dient, ist schließ­ lich zwischen dem Einspritzventil 13 und dem Zylinderkörper 3 angeordnet.

Im Schild 19 ist im Bereich der Längsachse des Einspritzven­ tils eine Bohrung 20 zum Durchfluß des aus dem Einspritz­ ventil austretenden Kraftstoffes ausgearbeitet. Der Kraftstoff fließt dann durch die kleine Einspritzkammer 21 und gelangt über die Einlaßöffnung 22 kleinen Querschnit­ tes in die Brennkammer 9. Die Einspritzkammer 21 steht über die Leitung 23 mit der Überstromleitung 10 und daher mit dem Raum des Gehäuses 2 in Verbindung. Im Bereich der Leitung 23 weist der Schild 19 eine zweite Bohrung 24 auf, die den Abfluß des Kraftstoffanteils gestattet, dem es eventuell nicht gelungen ist, durch die Hauptbohrung 20 zu fließen.

Fig. 2 zeigt das zweite Einspritzventil 25, das parallel zum Einspritzventil 13 und symmetrisch zur Längsmittellinie des Zylinderkörpers 3 angeordnet ist.

In Fig. 3 sind mit α, γ und β der Kraftstoffauslaß-, der Einlaß- bzw. der Luftüberstromwinkel bezeichnet, die beim betreffenden Ausführungsbeispiel geometrisch möglich sind (mit PMI ist der untere Totpunkt (UT) und mit PMS ist der obere Totpunkt (OT) des Kolbens 5 angegeben). Insbesondere begrenzt der Winkel γ tatsächlich den höchsten Umdrehungsbruchteil, in dem die Einspritzung erfolgen kann. Der Augenblick des Anfangs und die Dauer der Ein­ spritzung hängen in Wirklichkeit ausschließlich von den Erregungsbedingungen der Wicklungen der Einspritzventile ab.

In Fig. 4 ist der Motor 1 in einem Teilschnitt nach der Linie IV-IV von Fig. 2 dargestellt. Das Einspritzventil 25 ist mit dem Kraftstoff-Zufuhrkreis über die Zuleitung 26 verbunden, die sich - wie die ähnliche, nicht dargestell­ te mit dem Einspritzventil 13 verbundene Zuleitung - vom Druckregler 27 abzweigt. Der Druckregler 27 ist über die Leitung 28 mit dem Filter 29 und daher mit der Förderpumpe 30 sowie schließlich mit dem Hauptbehälter 31 verbunden, von dem sich eine zweite Leitung 32 abzweigt, die mit dem Druckregler 27 verbunden ist, um den Rücklauf des überschüssigen Kraftstoffes zu gestatten. Der Druckregler 27 erfüllt die Aufgabe, den Druck des zu den Einspritzventi­ len fließenden Kraftstoffes gleichbleibend zu halten.

In Fig. 4 ist noch die Lufteinlaßleitung 33 zum Teil dargestellt, an der das Regelelement 34 angeordnet ist, das über ein geeignetes Kabel 35 mit dem Gaszug verbunden ist. Die Lage dieses Regelelementes 34 wird durch den Geber 36 ermittelt und in Form eines elektrischen Signals der Steuereinheit 37 mit Mikroprozessor geschickt. Von der Steuereinheit zweigen sich schließlich die insgesamt mit 38 bezeichneten Speisekabel der Erregungsspulen der Einspritzventile ab.

Die Steuereinheit 37 besteht - wie in Fig. 5 dargestellt - aus einem zentralen Mikroprozessor 39, der die sowohl vom Geber 36 kommenden Signale über die Lage des Gaszuges als auch die vom herkömmlichen, nicht dargestellten magnetischen Pick-up zur Ermittlung der Motordrehzahl kommenden Signale verarbeitet. Diese Signale werden im Mikroprozessor über einen Digital/Analog-Umsetzer 40 bzw. über einen signalformenden Filter 41 schnittstel­ lenweise verarbeitet. Der Mikroporzessor 39 steuert die insgesamt mit 42 bezeichneten Leistungskreise am Ausgang an, die zur Speisung der Erregungsspulen 13 B und 25 B der Einspritzventile 13 und 25 bestimmt sind. Zur Speisung des Mikroprozessors selbst sorgt schließlich ein Schwungmagnetgenerator über einen Beruhigungskreis 43 und die Taktgebung erfolgt durch eine Clock-Vorrichtung 44.

Die oben beschriebene Einrichtung arbeitet folgendermaßen:

Die in Fig. 1 dargestellte Lage des Kolbens 5 entspricht dem unteren Totpunkt seines Hubes. In diesem Zustand sind sowohl die Überstrom- als auch die Auslaßöffnung vollständig freigelegt. Die im Gehäuse 2 während des Abwärtshubes des Kolbens 5 vorverdichtete Luft fließt in die Kammer 9 ein, wobei die sogenannte "Spülung" stattfindet, bei der die Abgase durch die Leitung 11 vollständig ausgestoßen werden. Der Lufteinlaß hört auf, sobald der obere Rand des Kolbens 5 während seines Aufwärtshubes bis zum oberen Totpunkt die der Leitung 10 entsprechende Überstromöffnung vollständig schließt. Theoretisch kann jedoch der Abgasaustritt bis zum Augenblick dauern, in dem auch die der Auslaßleitung entsprechende Öffnung vollständig geschlossenist.

Gleichzeitig findet die Einspritzung so lange statt, bis der Kolben im Bereich der Öffnung 22 gelangt: wie gesagt, kann die Einspritzung in einem beliebigen Augenblick des Taktverfahrens innerhalb des dem Winkel in Fig. 3 ent­ sprechenden Bogens erfolgen, wobei dieser Augenblick des Einspritzbeginns von der Motordrehzahl und vom Öffnungs­ grad des Regelelementes 34 abhängt, während der Augenblick, in dem die Einspritzung endet - um den Verlust an frischem Gemisch am Auslaß zu beschränken - mit dem Augenblick zusammenfallen soll, in dem sich der Kolben während seiner Aufwärtsbewegung im Bereich der Einlaßöffnung befindet. Während der Einspritzung können die Wicklungen von einem oder von beiden Einspritzventilen 13 und 25 erregt sein, und zwar je nach der Kraftstoffmenge, die für jede Umdrehung in Abhängigkeit vond en Veränderlichen für erforderlich gehalten wird, die zur Bestimmung des Augenblickes des Einspritzbeginns erwähnt worden sind. Die je Umdrehung eingespritzte Kraftstoffmenge steht nämlich in direktem Verhältnis zur Erregungszeit des Einspritzventils und zur Anzahl der gleichzeitig arbeitenden Einspritzventile, wobei die Durchflußmenge der besonderen Bauart der benutzten Einspritzventile gleichbleibend ist.

In Fig. 6 ist die Trennlinie 45 zwischen Betrieb mit einem Einspritzventil und Betrieb mit zwei Einspritzventilen im Leistung/Drehzahl-Plan des Motors dargestellt, bei dem die zwei Kurven 46 und 47 je die der größten Gasöffnung entsprechende Leistung und die der kleinsten Gasöffnung entsprechende Leistung darstellen. Beim Betrieb mit einem Einspritzventil werden die beiden Einspritzventile abwechselnd erregt, um ein Heißlaufen derselben zu vermeiden.

Während des Aufwärtshubes des Kolbens 5 schließt sofort nach Einspritzende auch die Auslaßöffnung und die Verdich­ tung des in der Kammer 9 vorhandenen Gemisches fängt an, bis der Kolben zum oberen Totpunkt gelangt. Im Bereich dieses Augenblickes findet bekanntlich die Verbrennung statt, die durch den Funken ausgelöst worden ist, der zwischen den Elektroden der Zündkerze 12 mit einem geeigne­ ten Verstellwinkel entstanden ist.

Während der anschließenden Expansion legt der Kolben 5 in seinem Abwärtshub die dem Auslaß 11, dem Einlaß 22 und dem Überstrom 10 entsprechenden Öffnungen frei, wobei der Auslaß der Abgase und der Überstrom der im Gehäuse 2 anwesenden Luft beginnen. Diese Phasen dauern auch nach dem Augenblick weiter, in dem sich der Kolben am unteren Totpunkt befindet, und zwar unter den oben geschilderten Zeit- und Verfahrensbedingungen. Die oben beschriebene Taktfolge kann sowohl zyklisch, d. h. bei jeder Kurbelwellenumdrehung, als auch abwechselnd stattfin­ den, wobei sich Takte, bei denen die Einspritzung erfolgt, mit Takten ablösen, bei denen keine Einspritzung erfolgt.

Mit der oben beschriebenen und dargestellten Einspritzein­ richtung läßt sich also die Kraftstoff-Fördermenge in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Last des Motors in einfacher und daher auch u. a. fertigungstechnisch wirtschaftlicher Weise ändern.

Eine solche Einrichtung sieht weder eine veränderliche Kraftstoff-Flußform noch die Anwendung von Überstromöffnun­ gen größeren Querschnittes vor, was beträchtliche Vorteile bietet.

Jeder beliebige Zweitaktmotor kann nach entsprechenden Änderungen der obigen Ausführungen mit der erfindungsge­ mäßen Einrichtung ausgerüstet werden.

Für jeden Zylinder können mehr als zwei Einspritzventile vorgesehen werden. Außerdem kann der Mikroprozessor nicht nur durch die Drehzahl und die Last des Motors, sondern auch durch weitere Betriebsparameter über geeignete, damit verbundene Sensoren beeinflußt werden.

Claims (13)

1. Einrichtung zur Niederdruck-Kraftstoffeinspritzung bei einem Zweitaktmotor mit wenigstens einem Zylinder samt Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Zylinder wenigstens zwei Einspritzventile vorgesehen sind, die am Zylinder starr gekuppelt sind und mit dem Innenraum des Zylinders in Verbindung stehen, wobei die Einspritzventile außerdem je mit einem Kraft­ stoffzufuhrkreis und mit einer Steuereinheit verbunden sind, die den Kraftstoffausfluß aus den Einspritzventi­ len in den Zylinder in Abhängigkeit von Betriebsparame­ tern des Motors steuert.

2. Einrichtung zur Kraftstoffeinspritzung nach Anspruch 1, bei der jedes Einspritzventil auch mit dem Inneren des Motorgehäuses in Verbindung steht, in das die mit dem Kraftstoff zu vermischende Luft angesaugt wird.

3. Einrichtung zur Kraftstoffeinspritzung nach Anspruch 1 oder 2, bei der jedes Einspritzventil über eine Öffnung kleinen Querschnittes mit dem Innenraum des Zylinders in Verbindung steht.

4. Einrichtung zur Kraftstoffeinspritzung nach Anspruch 3, bei der zwischen dem Einspritzventil und der Öffnung klei­ nen Querschnittes eine Kammer angeordnet ist.

5. Einrichtung zur Kraftstoffeinspritzung nach Anspruch 1, bei der jedes Einspritzventil gegenüber einer Kammer liegt, die über eine Leitung kleinen Querschnittes mit dem Innenraum des Zylinders und außerdem mit dem Innenraum des Motorgehäuses in Verbindung steht, in das die mit dem Kraftstoff zu vermischende Luft angesaugt wird.

6. Einrichtung zur Kraftstoffeinspritzung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, bei der am Ausgang eines jeden Einspritzventils ein Wärmeschutzschild angeordnet ist.

7. Einrichtung zur Kraftstoffeinspritzung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, bei der die Flußrichtung jedes Einspritzventils gleichbleibend ist.

8. Einrichtung zur Kraftstoffeinspritzung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, bei der jedes Einspritzventil über eine Erregungsspule elektrisch betätigt wird, wobei die Steuereinheit die Speisung der Spule steuert.

9. Einrichtung zur Kraftstoffeinspritzung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, bei der der Kraftstoffzufuhrkreis einen Druckregler umfaßt, der die Aufgabe erfüllt, den Druck des zu den Einspritzventilen fließenden Kraftstoffes gleichbleibend zu halten.

10. Einrichtung zur Kraftstoffeinspritzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinheit mit einem Geber der Motordrehzahl verbunden ist.

11. Einrichtung zur Kraftstoffeinspritzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinheit einem Geber der Motorlast verbunden ist.

12. Einrichtung zur Kraftstoffeinspritzung nach Anspruch 11, bei der der Motorlastgeber ein Geber der Lage eines Regelelementes der Luft ist, die zu jedem Zylinder fließt, um sich mit dem Kraftstoff zu vermischen.

13. Einrichtung zur Kraftstoffeinspritzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinheit das Wirksamwerden von einem odern mehreren Einspritzventi­ len jedes Zylinders oder ihr Unwirksamwerden sowie die Zeit, während der jedes Einspritzventil wirksam bleibt, in Abhängigkeit von den genannten Betriebsparame­ tern des Motors steuert.