DE3924768A1 - Kraftstoffeinspritz-regelsystem fuer eine zweitaktbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritz-Regelsystem für eine Zweitaktbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, wobei es sich insbesondere um eine sol­ che Maschine handelt, bei welcher der Kraftstoff direkt ein­ gespritzt wird und zwar zusammen mit komprimierter Luft in Form eines Luft/Kraftstoffgemisches.

Es gibt verschiedene Methoden zur Zuführung von Kraftstoff zu einer Zweitaktbrennkraftmaschine. Wenn der Kraftstoff mit Luft zur Bildung eines brennbaren Gemisches vermischt wird und das Gemisch den Zylindern der Maschine zugeführt wird, so entweicht ein Teil des Kraftstoffes aus dem Zylinder durch eine Auslaß­ öffnung beim Spülen des Zylinders. Um nun zu verhindern, daß Kraftstoff durch die Auslaßöffnung entweicht, ist ein Verfah­ ren bekannt, bei welchem lediglich Luft dem Zylinder zugeführt und der Kraftstoff direkt durch einen Einspritzer in den Zylin­ der eingespritzt wird. Nachdem die Kraftstoffeinspritzung wäh­ rend des Kompressionshubes erfolgt, muß der Kraftstoff mit hohem Druck eingespritzt werden. Demzufolge wurde ein Kraft­ stoffeinspritzsystem vorgeschlagen, bei welchem der Kraftstoff mit komprimierter Hilfsluft zusammen eingespritzt wird.

Aus der japanischen Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 60-5 01 963 (WO 85/00 854) ist ein Kraftstoffeinspritzsystem be­ kannt, bei welchem eine vorbestimmte Kraftstoffmenge in einer Kammer angesammelt wird, die in einem Einspritzer vorgesehen ist, und über komprimierte Hilfsluft eingespritzt wird, die einen Druck aufweist, der höher ist als der Druck in der Brenn­ kammer.

Hierbei wird aber unvermeidbar Hilfsluft zusammen mit dem Treibstoff der Brennkammer zugeführt. Nachdem die Menge an Kraftstoff bei niedrigen Maschinendrehzahlen und geringer Last gering ist, steigt das Verhältnis der Gesamtluftmenge zum Kraftstoff im Zylinder, so daß das Luft/Kraftstoff-Gemisch mager wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffein­ spritz-Regelsystem der eingangs genannten Art dahingehend wei­ terzubilden, daß das Luft/Kraftstoff-Gemisch exakter als bis­ her einstellbar ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftstoffeinspritz- Regelsystem zum Regeln der Kraftstoffmenge für eine Zweitakt­ brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder vorgeschlagen, die eine Spülöffnung, einen mit der Spülöffnung kommunizieren­ den Einla8kanal, einen Kraftstoffeinspritzer zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in den Zylinder zusammen mit von einer Pumpe komprimierten Hilfsluft und eine Spülpumpe aufweist, die im Ansaugkanal zur Zuführung von Einlaßluft zum Zylinder vor­ gesehen ist.

Das System umfaßt einen Luftstrommesser, der die Menge an Ein­ laßluft abtastet und ein Einlaßluftmengensignal abgibt. Detek­ toreinrichtungen sind vorgesehen, um die Maschinenbetriebs­ bedingungen abzutasten und ein Betriebsbedingungssignal abzu­ geben. Erste Rechnereinrichtungen sind vorgesehen, die auf das Betriebsbedingungssignal hin die Menge an Einlaßluft errech­ nen, die von der Spülpumpe geliefert wird. Zweite Rechnerein­ richtungen sind vorgesehen, die auf das Betriebsbedingungssig­ nal hin die Menge an Hilfsluft errechnen. Dritte Rechnerein­ richtungen sind vorgesehen, um die Menge an Kraftstoff zu er­ rechnen, die vom Kraftstoffeinspritzer eingespritzt wird und zwar basierend auf der Menge an Einlaßluft und der Menge an Hilfsluft.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, die im folgenden anhand von Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Zweitaktbrennkraft­ maschine gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer Regeleinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3a eine Tabelle zur Erläuterung der Luft-Entweichrate über den Betätigungsgrad eines Fahrpedals und die Maschinen­ drehzahl;

Fig. 3b eine Tabelle zur Erläuterung des Soll-Luft/Kraftstoff- Verhältnisses in Beziehung zum Betätigungsgrad des Fahrpedals und zur Maschinendrehzahl; und

Fig. 4 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des Systems bzw. zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt eine Zweitaktbrennkraftmaschine 1 einen Zylinder 2, einen Kolben 3 im Zylinder 2, ein Pleuel 6, welches den Kolben 3 und eine Kurbelwelle 5 verbindet, die in einem Kurbelgehäuse 4 angeordnet ist. Ein Gegengewicht 7 ist an der Kurbelwelle 5 angebracht, um das Massenträgheitsmoment des Kolbens 3 bzw. dessen Wirkung zu vermindern, wenn der Kol­ ben im Zylinder 2 hin und her geht.

In einer Wand des Zylinders 2 sind eine Auslaßöffnung 11 und eine Spülöffnung 16 in einem Winkelabstand von 90° oder ein­ ander gegenüberliegend angeordnet. Die Öffnungen 11 und 16 sind so ausgebildet, daß sie zu vorgegebenen Zeitpunkten in bezug auf die Position des Kolbens 3 öffnen bzw. schließen.

Ein Kraftstoffeinspritzer 10 und eine Zündkerze 9 sind am obe­ ren Abschnitt einer Brennkammer 8 des Zylinders 2 vorgesehen. Der Einspritzer 10 ist so ausgebildet, daß er eine vorbestimm­ te Kraftstoffmenge zusammen mit komprimierter Luft in Form ei­ nes Luft/Kraftstoff-Gemisches einspritzt. Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 23 wird dem Einspritzer 10 über eine Kraftstoff­ leitung 20 mit einem Filter 21, einer Pumpe 22 und einem Druck­ regler 24 zum Konstanthalten des Kraftstoffdruckes bei einem vorbestimmten niedrigen Kraftstoffdruckwert zugeführt. Der Kraftstoff wird mit Luft vermischt, die dem Einspritzer 10 von einem Kompressor 28 über eine Luftleitung 25 mit einem Akkumu­ lator bzw. Ausgleichsgefäß 27 und einem Druckregler 26 zugeführt wird.

Die Maschine 1 wird mit Luft über einen Luftfilter 34, eine Verdrängungs-Spülpumpe 33, einen Zwischenkühler 32 zum Kühlen der Spülluft und eine Einlaßleitung 30 mit einer Spülkammer 31 zum Absorbieren von Spüldruckwellen zugeführt, die dann auftreten, wenn die Spülöffnung 16 öffnet oder schließt. Ein Bypass 35 ist zur Umgehung der Spülpumpe 33 und des nach­ geschalteten Zwischenkühlers 32 vorgesehen. Der Bypass 35 ist mit einem Steuerventil 36 versehen. Abgas der Maschine 1 wird über eine Auslaßöffnung 11, ein Auslaßrohr 12 mit einem Kata­ lysator 13, eine Auslaßkammer 14 und einen Schalldämpfer 15 abgelassen.

Die Spülpumpe 33 steht über eine Getriebeeinrichtung 37 mit der Kurbelwelle 5 in Verbindung, wobei die Getriebeeinrichtung ei­ nen endlosen Riemen umfaßt, der über eine Kurbelwellenriemen­ scheibe und eine Pumpenriemenscheibe läuft. Die Spülpumpe 33 wird von der Kurbelwelle 5 über die Getriebeeinrichtung 32 an­ getrieben, um einen Spüldruck zu erzeugen. Ein Fahrpedal 40 steht über eine Ventilsteuerung 41 mit dem Steuerventil 36 in Verbindung. Der Öffnungsgrad des Steuerventils 36 wird so von der Steuerung 41 eingestellt, daß er umgekehrt proportional zum Betätigungsgrad des Fahrpedals 40 ist.

Weiterhin sind ein Maschinendrehzahlsensor 42 und ein Fahr­ pedalsensor 43 zum Feststellen des Betätigungsgrades des Fahr­ pedals vorgesehen, um die Maschinenbetriebsbedingungen abzu­ tasten.

Ein Luftstrommesser 44 ist direkt stromab des Luftfilters 34 vorgesehen, um die Menge an Einlaßluft festzustellen. Weiter­ hin ist ein Drucksensor 45 in dem Luftkanal 25 stromab des Druckreglers 26 vorgesehen, um den Druck der einzuspritzenden Luft abzutasten.

Ausgangssignale von den Sensoren 42-45 werden einer Regelein­ heit 50 zugeführt, welche ein Zündsignal, ein Lufteinspritz­ pulssignal und ein Kraftstoffeinspritzpulssignal der Zündkerze 9 bzw. dem Einspritzer 10 zuführt.

Wie in Fig. 2 gezeigt, umfaßt die Regeleinheit 50 eine Motor­ betriebsbedingungsfeststelleinrichtung 51, welcher die Maschi­ nendrehzahl N und der Betätigungsgrad R des Fahrpedals zugeführt werden. In einer Entweichrateneinrichtung 52 wird die Menge e an entweichender Luft beim Spülen aus einer Entweichraten­ tabelle in Übereinstimmung mit den Maschinenbetriebsbedingun­ gen aus der Einrichtung 51, insbesondere in Übereinstimmung mit der Maschinendrehzahl N und dem Fahrpedalbetätigungsgrad R hergeleitet. Die Tabelle ist deshalb ausgebildet, daß eine Viel­ zahl von Entweichraten von Luft gespeichert ist, die experimen­ tell festgestellt wurden, wobei diese Raten, wie in Fig. 3a gezeigt mit dem Betätigungsgrad R des Fahrpedals ansteigen.

Die Entweichrate e und die Einlaßluftmenge Q (vom Luftstrommes­ ser 44 festgestellt) werden einem Luftmengenrechner 53 zu­ geführt, in welchem die tatsächliche Luftmenge QT im Zylinder 2 über die Gleichung QT=e×Q errechnet wird.

Die Regeleinheit 50 ist weiterhin mit einer Lufteinspritzein­ richtung 54 versehen, in welcher eine Hilfslufteinspritzpuls­ breite Tp und deren Zeitsteuerung in Übereinstimmung mit den Betriebsbedingungen festgelegt werden. Die Hilfslufteinspritz­ pulsbreite Tp und der Druck P der Hilfsluft (der vom Drucksen­ sor 45 abgetastet wird) werden einem Hilfslufteinspritzmengen­ rechner 55 zugeführt. Die Menge QA von einzuspritzender Hilfs­ luft wird über die Gleichung QA=K×Tp×P errechnet.

Hierbei ist K ein Koeffizient. Die Hilfslufteinspritzmenge QA wird einem Gesamtluftmengenrechner 56 zugeführt, dem die Luft­ menge QT ebenfalls zugeführt wird, um so die Luftmengen QA und QT zu addieren, um die Gesamtluftmenge QO zu erhalten.

Fig. 3b zeigt eine Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnistabelle, in der eine Vielzahl von Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnissen Ad gespeichert ist und in Übereinstimmung mit der Maschinendreh­ zahl N und dem Betätigungsgrad R des Fahrpedals angeordnet ist. Eine Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältniseinrichtung 58 ist vor­ gesehen, um ein Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis Ad aus der Tabelle in Übereinstimmung mit der Maschinendrehzahl N und dem Betätigungsgrad R des Fahrpedals herzuleiten. Das Soll-Luft/ Kraftstoff-Verhältnis Ad wird einem Kraftstoffeinspritzpuls­ breitenrechner 57 zugeführt, dem ebenfalls die Gesamtluftmenge QO zugeführt wird. Im Kraftstoffeinspritzpulsbreitenrechner 57 wird eine Kraftstoffeinspritzpulsbreite Ti aus der Gleichung

Ti = f×QO/Ad

errechnet. Hierbei ist f ein Koeffizient, der einen gewünsch­ ten Luft/Kraftstoff-Verhältnis entspricht. Die Kraftstoffeinspritzpulsbreite Ti und die Hilfslufteinspritz­ pulsbreite Tp werden dem Einspritzer 10 über einen Treiber 59 zugeführt. Auf diese Weise wird eine Menge von Kraftstoff (im Einspritzer 10) akkumuliert, die der Kraftstoffeinspritzpuls­ breite Ti entspricht und über die komprimierte Hilfsluft in Übereinstimmung mit der Pulsbreite Tp eingespritzt.

Die Wirkungsweise der Zweitaktbrennkraftmaschine wird im fol­ genden beschrieben.

Die von der Spülluftpumpe 33 zugeführt und im Zwischenkühler 32 gekühlte Luft wird der Einlaßseite der Spülpumpe 33 über den Bypass 35 zugeführt. Nachdem der Öffnungsgrad R des Steuer­ ventils 36 so eingestellt wird, daß er umgekehrt proportional zum Betätigungsgrad R des Fahrpedals 40 ist, wird bei niedri­ gem Betätigungsgrad R des Fahrpedals das Steuerventil 36 weit geöffnet. Demzufolge wird eine große Luftmenge der Einlaßsei­ te der Spülpumpe 33 zurückgeführt. Auf diese Weise gelangt ei­ ne geringe Luftmenge entsprechend einem geringen Betätigungs­ grad R des Fahrpedals in den Zylinder 2, um diesen mit nur geringem Pumpverlust zu spülen. Wenn der Betätigungsgrad R steigt, so steigt die in den Zylinder 2 gepreße Luftmenge beim Schließen des Steuerventils 36 an.

Wenn der Kolben 3 eine Position nahe dem unteren Totpunkt er­ reicht, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, so öffnen sowohl die Spülöffnung 16 als auch die Auslaßöffnung 11, so daß Einlaß­ luft, deren Menge von der Position des Fahrpedals 40 abhängt, von der Spülpumpe 33 in den Zylinder 2 über den Zwischenkühler 32 und die Spülöffnung 16 eingeführt wird. Demzufolge wird verbranntes Gas im Zylinder 2 ausgespült, so daß frische Ein­ laßluft in kurzer Zeit eintreten kann. Während des Kompres­ sionshubs (der Kolben 3 steigt hoch) schließen die beiden Öff­ nungen 11 und 16. Ein Quantum von Kraftstoff, das im Einspritzer 10 in Übereinstimmung mit dem Kraftstoffeinspritzpulssignal aus der Regeleinheit 45 angesammelt wurde, wird über die kom­ primierte Luft als Luft/Kraftstoff-Gemisch eingespritzt, wo­ bei die Luft in Übereinstimmung mit dem Luftpulssignal zugeführt wird.

Das Gemisch verwirbelt in der Brennkammer mit der Spülluft und wird durch die Zündkerze 9 direkt vor dem oberen Totpunkt ge­ zündet. Beim Expansionshub steigt der Kolben 3 im Verbrennungs­ hub ab. Demzufolge wird die Auslaßöffnung 11 geöffnet, so daß verbranntes Gas aus dem Zylinder 2, das sich immer noch unter hohem Druck befindet, entweicht. Wenn der Kolben 3 weiter ab­ steigt, so kehrt er zum zuvor beschriebenen Einlaßhub zurück, in welchem der Zylinder 2 gespült wird.

Im folgenden wird die Betriebsweise des Systems bzw. wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Bezug auf das Flußdiagramm nach Fig. 4 erläutert. In einem Schritt S 1 werden der Betäti­ gungsgrad R des Fahrpedals, die Maschinendrehzahl N und die Einlaßluftmenge Q bzw. der Druck P der komprimierten Luft von den Sensoren 42-45 ausgelesen. In einem Schritt S 2 wird die Luftentweichrate e aus der Tabelle in Übereinstimmung mit den Betriebsbedingungen ausgelesen. In einem Schritt S 3 wird die Menge QT im Zylinder, basierend auf der Entweichrate e und der Einlaßluftmenge Q, errechnet. Weiterhin wird die Hilfsluftein­ spritzmenge QA, basierend auf der Lufteinspritzpulsbreite Tp und dem Druck P, errechnet. Demzufolge wird die Gesamtmenge QO an Luft im Zylinder genau berechnet.

In einem Schritt S 4 wird ein Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis Ad aus der Tabelle ausgelesen. In einem Schritt S 5 wird eine Kraftstoffeinspritzpulsbreite Ti, basierend auf der Gesamtluft­ menge QO und dem Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis Ad, errechnet. In einem Schritt S 6 wird die Menge an Kraftstoff entsprechend der Pulsbreite Ti im Einspritzer 10 angesammelt und im Schritt S 7 mit der Pulsbreite Tp und der festgelegten Zeitsteuerung eingespritzt, die von der Lufteinspritzpulssignaleinrichtung 54 vorgegeben ist.

Auf diese Weise wird die Menge an Kraftstoff aus dem Kraftstoff­ einspritzer 10 in Abhängigkeit von den Maschinenbetriebsbedin­ gungen in Übereinstimmung mit der Maschinendrehzahl N und dem Betätigungsgrad R des Fahrpedals eingestellt. Auf diese Weise kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Gemisches in der Brennkammer im wesentlichen konstant gehalten werden. Die Lei­ stung der Maschine wird gesteuert, indem man die Menge an ein­ gespritztem Gemisch ändert, das ein konstantes Luft/Kraftstoff- Verhältnis in Übereinstimmung mit der Last der Maschine auf­ weist.

Der Drucksensor kann unter Umständen auch dann weggelassen wer­ den, wenn der Druck der dem Einspritzer 10 zugeführten Luft ganz konstant ist.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird die Men­ ge an komprimierter Hilfsluft zum Einspritzen von Kraftstoff mit in Betracht gezogen, um so sehr genau die Menge an Luft zu bestimmen, die im Zylinder vorliegt. Dementsprechend wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis exakt auch dann eingestellt, wenn sich die Maschine im niedrigen Drehzahlbereich bei niedriger Last befindet. Auf diese Weise werden der Kraftstoffverbrauch, die Abgasemission und das Fahrverhalten verbessert. Darüber hinaus wird die Menge an Luft, die beim Spülen entweicht, aus der Gesamtluftmengenberechnung eliminiert, um so das Luft/ Kraftstoff-Verhältnis noch präziser einstellen zu können.

Claims (2)

1. Kraftstoffeinspritz-Regelsystem für eine Zweitaktbrennkraft­ maschine mit mindestens einem Zylinder (2), einer Spülöffnung (16), einer mit der Spülöffnung (16) kommunizierenden Einlaß­ leitung (30), mit einem Einspritzer (10) zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in den Zylinder (2) zusammen mit Hilfsluft, die von einer Pumpe (28) komprimiert wird, mit einer Spül­ pumpe (33) in der Einlaßleitung (30) zum Zuführen von Luft zum Zylinder (2), gekennzeichnet durch
einen Luftstrommesser (44) in der Einlaßleitung (30), der die Menge an Einlaßluft abtastet und ein Einlaßluftmengen­ signal (Q) abgibt,
Abtasteinrichtungen (42, 43, 45) zum Abtasten der Maschinen­ betriebsbedingungen und zum Abgeben eines Betriebsbedingungs­ signals,
erste Rechnereinrichtungen (53), die auf das Betriebsbedin­ gungssignal hin die Menge an Einlaßluft (Q) errechnen, wel­ che von der Spülpumpe (33) zugeführt wird,
zweite Rechnereinrichtungen (56), die auf das Betriebsbedin­ gungssignal hin die Menge (QA) an Hilfsluft errechnen, und durch
dritte Rechnereinrichtungen (57), welche die Menge an Kraft­ stoff errechnen, die vom Einspritzer (10), basierend auf der Menge an Einlaßluft (Q) und der Menge an Hilfsluft (QA) ein­ gespritzt wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab­ tasteinrichtungen derart ausgebildet sind, daß das Betriebs­ bedingungssignal den Druck (P) der von der Pumpe (27) zu­ geführten Hilfsluft umfaßt, und daß die Menge (QA) an Hilfs­ luft, basierend auf dem Betriebsbedingungssignal einschließ­ lich des Drucks, errechnet wird.