DE3926322A1

DE3926322A1 - Kraftstoffeinspritzsteuersystem fuer eine zweitakt-brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3926322A1
Application number: DE3926322A
Authority: DE
Inventors: Koji Morikawa
Original assignee: Fuji Jukogyo KK; Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 1988-08-11
Filing date: 1989-08-09
Publication date: 1990-02-15
Also published as: GB2221722A; JPH0249939A; GB2221722B; GB8918016D0; DE3926322C2; US5054444A

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzsteuersystem für eine Zweitakt-Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Insbesondere handelt es sich hierbei um eine Maschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung, wobei der Einspritzzeitpunkt in Übereinstimmung mit Betriebsbedingungen der Maschine fest gelegt wird.

Es gibt verschiedene Verfahren, um einer Zweitakt-Brennkraft maschine Kraftstoff zuzuführen. Bei einem bekannten Verfahren wird Kraftstoff mit Luft zur Bildung eine brennbaren Gemisches vermischt. Das Gemisch wird einem Zylinder der Maschine zu geführt. Ein Teil des Kraftstoffs entweicht aus dem Zylinder über eine Auslaßöffnung beim Spülen des Zylinders. Um nun zu verhindern, daß Kraftstoff durch die Auslaßöffnung entweicht, gibt es ein Verfahren, bei welchem lediglich Luft in den Zylin der geladen und der Kraftstoff direkt in den Zylinder über ei nen Einspritzer eingespritzt wird.

In der japanischen Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 62-1 13 819 ist eine Zweitakt-Brennkraftmaschine beschrieben, bei der ein erster und ein zweiter Spülkanal vorgesehen sind. Der erste Spülkanal ist mit einer ersten Drosselklappe und einem Kraft stoffeinspritzer versehen, um einem Zylinder der Maschine ein brennbares Gemisch zuzuführen. Der zweite Kanal ist zur Zufüh rung von Luft vorgesehen. Die Menge an Kraftstoff wird in Übereinstimmung mit der Maschinendrehzahl und einem Signal von einem Luftstrommesser errechnet. Der Zylinder wird mit Luft gespült und dann mit dem brennbaren Gemisch gefüllt. Bei dem System muß Frischluft schnell vom ersten und vom zweiten Spül kanal zugeführt werden, um eine korrekte Spülung durchzuführen. Dementsprechend wird die Struktur des Steuersystems kompliziert. Es ist also besser, wenn man den Kraftstoff direkt über ein direkt einspritzendes System in den Zylinder einspritzt.

In den japanischen Patentanmeldungen mit den Offenlegungsnum mern 57-2 03 821 und 60-5 01 963 sind direkt einspritzende Systeme erläutert, bei denen jeweils ein Kraftstoffeinspritzer am Zylin der der Maschine angebracht ist. Die Menge an Kraftstoff wird abhängig von den Maschinenbetriebsbedingungen zur Bildung ei nes brennbaren Gemisches im Zylinder eingespritzt.

Beim direkt einspritzenden System wird der Kraftstoff ein gespritzt, nachdem die Auslaßöffnung beim Kompressionshub geschlossen ist. Nachdem sich der Druck im Zylinder während des Kompressionshubs ändert, variieren der Eintritt, die Ver teilung und die Zerstäubung des Kraftstoffsprühstrahls unver meidbar in Abhängigkeit vom Zeitpunkt und der Dauer der Kraft stoffeinspritzung. Um nun ein korrektes brennbares Gemisch zu bilden und das Gemisch in Übereinstimmung mit den Maschinen betriebsbedingungen zu verbrennen, ist es von Vorteil, wenn man die Zeitabläufe steuern kann. Beispielsweise im Bereich hoher Maschinenlast wird die Einspritzdauer erhöht, um eine hohe Maschinenleistung sicherzustellen. Andererseits wird im Bereich niedriger Last der Maschine eine Schicht-Ladung bevor zugt, um ein Abbrennen des Gemisches ohne Fehlzündung sicher zustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffein spritzsystem für eine Zweitakt-Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß der Kraftstoff einspritzzeitpunkt und die Dauer der Kraftstoffeinspritzung derart in Abhängigkeit von den Maschinenbetriebsbedingungen steuerbar sind, daß die Effizienz der Maschine verbessert wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit ein System zum Steuern der Kraftstoffeinspritzmenge für eine Zweitakt-Brenn kraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, einer Spülöffnung, einer Auslaßöffnung, einem Einlaßkanal, der mit der Spülöffnung kommuniziert und einem Kraftstoffeinspritzer aufgezeigt, der zum Einspritzen von Kraftstoff direkt in den Zylinder vorgese hen ist.

Das System umfaßt Feststelleinrichtungen, zum Feststellen der Maschinendrehzahl und der auf die Maschine wirkenden Last und zum Abgeben eines Betriebsbedingungssignals, erste Rechnerein richtungen, die auf das Maschinenbetriebsbedingungssignal hin die Menge an Luft errechnen, welche tatsächlich in den Zylin der eingeführt wird, zweite Rechnereinrichtungen, zum Errech nen einer Menge von Kraftstoff, der von den Kraftstoffeinspritzern einzuspritzen ist, basierend auf einem Soll-Luft/Kraftstoff- Verhältnis und der Menge von in den Zylinder eingeführten Luft, und Feststelleinrichtungen, die auf das Betriebsbedingungssignal hin den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt bei Ansteigen der Maschi nenlast vorverlegen.

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 Zweitakt-Brenn kraftmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorlie genden Erfindung;

Fig. 2 ein Blockdiagramm zur Erläuterung der Steuereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3a eine grafische Darstellung zur Erläuterung des Kraft stoffeinspritzzeitpunktes und der Einspritzdauer in bezug auf den Betätigungsgrad eines Fahrpedals und die Maschinendrehzahl;

Fig. 3b eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Kraft stoffeinspritzdauer über die Maschinendrehzahl;

Fig. 4a bis 4c Diagramme zur Erläuterung des Kraftstoffein spritzzeitpunktes bei niedriger Maschinendrehzahl;

Fig. 4A bis 4C Diagramme zur Erläuterung der Kraftstoffein spritzzeitpunkte bei hohen Drehzahlen; und

Fig. 5a bis 5c sowie 5A bis 5C schematische Diagramme zur Er läuterung der Bildung eines brennbaren Gemisches im Hochlast- bzw. Niedriglast-Bereich der Maschine.

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt eine Zweitakt-Brennkraftmaschine 1 einen Zylinder 2, einen Kolben 3 im Zylinder 2, eine Pleuel stange 6, welche den Kolben 3 mit einer Kurbelwelle 5, die im Kurbelgehäuse 4 angeordnet ist, verbindet. Ein Gegengewicht 7 ist an der Kurbelwelle 5 so montiert, daß es das Massenträgheits moment (bzw. dessen Wirkung) des Kolbens 3 reduziert, der im Zylinder 2 hin- und hergeht.

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

Ein Kraftstoffeinspritzer 10 und eine Zündkerze 9 sind am Kopf einer Brennkammer 8 des Zylinders 2 vorgesehen. Der Einspritzer 10 ist von der Art, bei welcher eine vorbestimmte Kraftstoff menge zusammen mit komprimierter Luft in Form eines Luft/Kraft stoff-Gemisches eingespritzt wird. Kraftstoff aus einem Kraft stofftank 23 wird dem Einspritzer 10 über eine Kraftstofflei tung 20 mit einem Filter 21, einer Pumpe 22 und einem Druckreg ler 24 zum Konstanthalten des Kraftstoffdrucks bei einem vor bestimmten Druckpegel zugeführt. Der Kraftstoff wird mit Luft vermischt, die dem Einspritzer 10 von einem Kompressor 28 über eine Luftleitung 25 mit einem Akkumulator 27 (ein Ausgleichs gefäß) und einem Druckregler 26 zugeführt wird.

Der Maschine 1 wird Luft über ein Luftfilter 34, eine Verdrän gungsspülpumpe 33, einen Zwischenkühler 32 zum Kühlen der Spül luft, eine Einlaßleitung 30 mit einer Spülkammer 31 zum Absor bieren von Spüldruckwellen (beim Öffnen und Schließen der Spül öffnung 16) zugeführt. Ein Bypass 35 ist die Spülpumpe 35 und den Zwischenkühler 32 umgehend angeordnet. Der Bypass 35 ist mit einem Steuerventil 36 versehen. Abgas der Maschine 1 wird durch die Auslaßöffnung 11, ein Abgasrohr 12 mit einem Kataly sator 13, einer Auslaßkammer 14 und einen Schalldämpfer 15 ab geführt.

Die Spülpumpe 33 steht in Wirkverbindung mit der Kurbelwelle 5 über eine Getriebeeinrichtung 37, die einen endlosen Riemen umfaßt, der über eine Kurbelwellen- und eine Pumpenriemenschei be läuft. Die Spülpumpe 33 wird von der Kurbelwelle 5 über die Getriebeeinrichtung 37 so getrieben, daß sie einen Spüldruck erzeugt. Ein Fahrpedal 40 steht in Wirkverbindung mit dem Steuerventil 36 über eine Ventilsteuerung 41. Der Öffnungsgrad des Steuerventils 36 wird von der Steuerung 41 so eingestellt, daß er umgekehrt proportional zum Betätigungsgrad des Fahr pedals 40 ist. Weiterhin sind ein Maschinendrehzahlsensor 42 und ein Fahrpedalsensor 43 (zum Feststellen des Grades des Niederdrückens) vorgesehen, um die Maschinenbetriebsbedingungen abzutasten.

Ausgangssignale aus den Sensoren 42 und 43 werden einer Steuer einheit 45 zugeführt, die ein Zündsignal, ein Lufteinspritz pulssignal und ein Kraftstoffeinspritzpulssignal der Zündker ze 9 bzw. dem Einspritzer 10 zuführt.

Unter Bezug auf Fig. 2 ist zu erkennen, daß die Steuereinheit 45 eine Maschinenbetriebsbedingungsfeststelleinrichtung 46 um faßt, welcher die Maschinendrehzahl N und der Fahrpedalbetäti gungsgrad R zugeführt werden. Ein Ausgangssignal der Feststell einrichtung 46 wird einem Luftmengenrechner 47 zugeführt, in welchem eine Menge Q an Luft im Zylinder 2 basierend auf der Maschinendrehzahl N und dem Fahrpedalbetätigungsgrad R errech net werden, wobei weiterhin die Menge an Luft miteingerechnet wird, welche beim Spülen entweicht bzw. welche beim Kraftstoff einspritzen miteingeführt wird. Die Luftmenge Q wird einem Kraftstoffeinspritzmengenrechner 48 zugeführt. Im Kraftstoff einspritzmengenrechner 48 wird eine einzuspritzende Kraftstoff menge Ti aus der Gleichung:

Ti = Q/Ad

errechnet, wobei Ad ein Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis (stö chiometrisches Verhältnis) ist. Verschiedene Werte von Soll- Luft/Kraftstoff-Verhältnissen Ad sind in einer Tabelle in Ab hängigkeit von den Maschinenbetriebsbedingungen gespeichert, die in einer Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältniseinrichtung 49 vor gesehen ist.

Das Ausgangssignal der Maschinenbetriebsbedingungsfeststell einrichtung 46 wird weiterhin einer Einspritzzeitpunkt-Fest stelleinrichtung 50 zugeführt, in welcher der Einspritzzeit punkt und die Einspritzdauer zum Einspritzen von Kraftstoff in Abhängigkeit von den Inhalten einer Tabelle festgelegt wer den, die in einer Einspritzzeitpunkt- und -Dauer-Einrichtung 51 vorliegt.

Die Anordnung ist, wie mit der durchgezogenen Linie in Fig. 3a gezeigt, derart getroffen, daß der Einspritzzeitpunkt mit stei gender Maschinenlast vorrückt, d. h., mit dem Grad des Nieder drückens R des Fahrpedals vorrückt. Die Einspritzdauer wird län ger, wenn die Maschinenlast steigt, wie dies mit der unterbro chenen Linie gezeigt ist. Weiterhin wird, wie in Fig. 3b ge zeigt, die Dauer der Kraftstoffeinspritzung so festgelegt, daß sie eine ansteigende Funktion der Maschinendrehzahl N bildet. Aus obigem geht hervor, daß die Erfindung auch ein Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff betrifft.

Ausgangssignale der Einspritzzeitpunkt-Feststelleinrichtung 50 und des Kraftstoffeinspritzmengenrechners 48 werden einer Ein spritzpulsausgangseinrichtung 52 zugeführt, in welcher eine Kraftstoffeinspritzpulsbreite entsprechend der errechneten Kraftstoffeinspritzmenge Ti und eine Lufteinspritzpulsbreite entsprechend der Einspritzdauer festgelegt werden. Der Aus gangsabschnitt 52 gibt ein Kraftstoffeinspritzpulssignal und ein Lufteinspritzpulssignal an den Einspritzer 10, so daß dort die errechnete Menge von Kraftstoff zunächst gesammelt und dann zu einem festgelegten Zeitpunkt und über eine festgelegte Zeitdauer hinweg eingespritzt wird.

Im folgenden wird der Betrieb der Zweitakt-Brennkraftmaschine beschrieben.

Luft, die von der Spülpumpe 33 gefördert und im Zwischenkühler 32 gekühlt wird, wird der Einlaßseite der Spülpumpe 33 über den Bypass 35 zugeführt; Nachdem der Öffnungsgrad R des Steuer ventils 36 umgekehrt proportional zum Grad des Niederdrückens 8 des Fahrpedals 40 eingestellt wird, ist bei niedrigem Grad R des Niederdrückens des Fahrpedals das Steuerventil 36 weit geöffnet. Demzufolge wird eine große Menge von Luft der Einlaß seite der Spülpumpe 33 zurückgeführt. Somit gelangt eine gerin ge Menge an Luft, die einem geringen Betätigungsgrad des Fahr pedals entspricht, in den Zylinder 2, um diesen zu spülen, wo bei nur geringe Pumpverluste verursacht werden. Wenn das Fahr pedal weiter niedergedrückt wird, so steigt die Menge an Frischluft, welche in den Zylinder 2 gepumpt wird, durch Schließen des Steuerventils 36.

Wenn der Kolben 3 eine Position nahe dem unteren Totpunkt er reicht, wie in Fig. 1 gezeigt, so öffnet sowohl die Spül öffnung 16 als auch die Auslaßöffnung 11, so daß Einlaßluft, 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 gefördert wird. Demzufolge wird ver branntes Gas im Zylinder 2 ausgespült, so daß frische Einlaß luft in kurzer Zeit eintreten kann. Während des Kompressions hubs (der Kolben 3 steigt hoch) schließen die beiden Öffnungen 11 und 16. Ein Quantum von Kraftstoff, das im Einspritzer 10 angesammelt wurde, wird in Übereinstimmung mit dem Kraftstoff einspritzpulssignal aus der Steuereinheit 45 über komprimier te Luft als Luft/Kraftstoff-Gemisch eingespritzt, wobei die Luft in Übereinstimmung mit dem Luftpulssignal gesteuert wird. Das Gemisch verwirbelt in der Brennkammer mit der Spülluft und wird von der Zündkerze 9 vor dem oberen Totpunkt gezündet. Nach der Explosion steigt der Kolben 3 im Krafthub ab. Demzufolge wird die Auslaßöffnung 11 geöffnet, so daß verbranntes Gas aus dem Zylinder 2, das sich immer noch unter hohem Druck befindet, entweicht. Der Kolben 3 geht weiter nach unten, so daß er wie der zum oben beschriebenen Einlaßhub kommt, in welchem der Zylinder 2 gespült wird.

In der Steuereinheit 45 werden die Maschinendrehzahl N und der Betätigungsgrad 8 des Fahrpedals, die von den Sensoren 42 bzw. 43 festgestellt werden, der Maschinenbetriebsbedingungsfest stelleinrichtung 46 zugeführt, in welcher die Maschinenbetriebs bedingungen hergeleitet werden. Die Luftmenge Q und das Soll- Luft/Kraftstoff-Verhältnis Ad, die in Übereinstimmung mit den Maschinenbetriebsbedingungen im Luftmengenrechner 47 bzw. in der Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältniseinrichtung 49 hergeleitet wurden, werden dem Kraftstoffeinspritzmengenrechner 48 zugelei tet, so daß eine Kraftstoffeinspritzmenge Ti entsprechend den Maschinenbetriebsbedingungen in Übereinstimmung mit der oben beschriebenen Gleichung errechnet wird. Ein Kraftstoffeinspritzpulsbreitensignal, welches die Einspritz menge Ti darstellt, wird dem Einspritzer 10 über die Einspritz pulsausgangseinrichtung 42 so zugeführt, daß eine der Menge Ti entsprechende Menge von Kraftstoff im Einspritzer 10 angesam melt wird.

Wie in Fig. 4a gezeigt, wird im Bereich hoher Maschinenlast bei niedriger Maschinendrehzahl eine große Menge an Kraftstoff über eine lange Periode, beispielsweise 45°, eingespritzt und zwar beginnend direkt nach dem Schließen der Auslaßöffnung, z. B. von 90° bis 110° vor dem oberen Totpunkt (BTDC). Wie in Fig. 5a gezeigt, wird, nachdem der Kraftstoff noch bei niedrigem Druck im Zylinder eingespritzt wird, der Kraftstoff aufgrund hinrei chender Durchdringung des Kraftstoffsprühstrahls weit verteilt. Der Kraftstoff wird weiterhin während des Kompressionshubes mit Luft vermischt bzw. verwirbelt und bildet so ein homogenes Gemisch. Das brennbare Gemisch wird somit korrekt verbrannt, so daß eine große Luftmenge effektiv verwendet wird und eine hohe Maschinenleistung daraus resultiert.

Im Bereich niedriger Maschinenlast wird andererseits die Ein spritzdauer auf beispielsweise 5° festgelegt und so lang wie möglich verzögert, z. B. bei 45° BTDC eingespritzt, wie dies in Fig. 4c gezeigt ist. Auf diese Weise wird eine geringe Kraft stoffmenge nach einem Ansteigen des Drucks im Zylinder ein gespritzt, so daß ein fettes Gemisch im oberen Abschnitt des Zylinders aufgrund niedriger Durchdringung des Kraftstoffsprüh strahls verbleibt (Fig. 5A bis 5C).

Demzufolge wird eine Ladeschichtung erreicht, so daß der Kraft stoff im oberen Abschnitt des Zylinders 2 von der Zündkerze 9 ohne Fehlzündung gezündet wird. Insbesondere im niedrigen Last bereich der Maschine wird vorzugsweise der Einspritzzeitpunkt so eingestellt, daß die Einspritzung direkt bei oder etwa um 10° vor der Zündung endet, die bei 30° BTDC bei niedriger Maschinendrehzahl erfolgt.

Wie in Fig. 4b gezeigt, wird im mittleren Maschinenlastbereich der Kraftstoff zwischen den Zeitpunkten nach Fig. 4a und Fig. 4c eingespritzt. Das Luft/Kraftstoff-Gemisch wird teilweise geschichtet aufgrund der niedrigen Durchdringung des Sprüh strahls.

Fig. 4A bis 4C zeigen Kraftstoffeinspritzzeitpunkte bei hohen Maschinendrehzahlen und bei schwerer, mittlerer und leichter Maschinenlast. Die Kraftstoffeinspritzperiode wird länger als bei niedriger Maschinendrehzahl, so daß der Beginn der Ein spritzung vorgerückt wird.

Aus obigem geht hervor, daß mit der vorliegenden Erfindung ein Kraftstoffeinspritzsteuersystem für eine Zweitakt-Brennkraft maschine aufgezeigt wird, bei welchem der Zeitpunkt und die Dauer der Kraftstoffeinspritzung in Übereinstimmung mit den Maschinenbetriebsbedingungen eingestellt werden. Aus diesem Grund ist eine korrekte Ladeschichtung bei niedriger Maschi nenlast zum stabilen Verbrennen des Gemisches erzielbar. Ande rerseits wird im Bereich hoher Maschinenlast der Kraftstoff hinreichend mit Luft vermischt, um eine hohe Maschinenleistung zu erzeugen. Weiterhin wird der Verbrennungswirkungsgrad bei allen Maschinenbetriebsbedingungen verbessert, so daß der Kraft stoffverbrauch sinken und die Abgassteuerung verbessert werden.

Claims

1. Kraftstoffeinspritzsteuersystem für eine Zweitakt-Brennkraft maschine mit mindestens einem Zylinder (2), einer Spülöff nung (16), einer Auslaßöffnung (11), einem Einlaßkanal (30), der mit der Spülöffnung (16) kommuniziert, und mit einem Einspritzer (10), der zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder (2) vorgesehen ist, gekennzeichnet durch
Feststelleinrichtungen (42, 43, 46), zum Feststellen der Maschinendrehzahl (N) und der Last (R) der Maschine und zum Abgeben eines Maschinenbetriebsbedingungssignals,
erste Rechnereinrichtungen (47), die auf das Maschinen betriebsbedingungssignal hin eine Menge an Luft (Q) errech nen, die tatsächlich in den Zylinder (2) eingelassen wird,
zweite Rechnereinrichtungen (48) zum Errechnen einer Menge von Kraftstoff, die vom Kraftstoffeinspritzer (10) ein gespritzt werden soll, basierend auf einem Soll-Luft/Kraft stoff-Verhältnis (Ad) und der Menge an Luft (Q), die in den Zylinder (2) eingelassen wird, und durch
Feststelleinrichtungen (50, 51), die so ausgebildet sind, daß sie auf das Maschinenbetriebsbedingungssignal hin den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt mit steigender Maschinenlast vorrücken.

2. Kraftstoffeinspritzsteuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststelleinrichtungen (50, 51) derart ausgebildet sind, daß die Dauer der Kraftstoffein spritzung mit steigender Maschinenlast und Maschinendreh zahl ebenfalls steigt.

3. Kraftstoffeinspritzsteuersystem nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststell einrichtungen einen Maschinendrehzahlsensor (42) und einen Sensor (43) zum Feststellen des Betätigungsgrades (R) eines Fahrpedals (40) der Maschine umfassen.