DE4022703C2 - - Google Patents

Description

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

Insbesondere dreht es sich bei der Erfindung um ein Steuersy­ stem für ein Drehschieber-Auslaßventil im Abgaskanal der Ma­ schine.

Bei Zweitakt-Brennkraftmaschinen mit Kurbelgehäusespülung wer­ den eine Spülöffnung und eine Auslaßöffnung von einem Kolben in festgelegten Zeitabläufen geöffnet und geschlossen. Die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Auslaßöffnung liegen sym­ metrisch zum unteren Totpunkt. Das Öffnen und Schließen der Spülöffnung erfolgt ebenfalls symmetrisch. Nachdem die Auslaßöffnung nach Schließen der Spülöffnung immer noch offen­ steht, entweicht Gemisch aus der Auslaßöffnung. Dadurch wird das Gemisch im Zylinder nicht hinreichend komprimiert. Das Ausgangs-Drehmoment einer solchen Maschine ist somit gering, und auch der Kraftstoffverbrauch und die Abgasemission sind unbefriedigend.

Um diesen Problemen zu begegnen, wurde ein sog. Uniflow- Spülsystem vorgeschlagen, bei welchem ein Ventilsystem für eine Zweitakt-Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Derartige Brennkraftmaschinen sind jedoch im tatsächlichen Gebrauch unrealistisch, da die für kurbelgehäusegespülte Maschinen vorteilhafte Kompaktheit verlorengeht.

Aus der (nachveröffentlichten) DE 39 42 032 A1 ist eine Zweitakt- Brennkraftmaschine bekannt, bei welcher nicht nur der Auslaß, sondern auch der Einlaß über ein Drehschieberventil zu bestimmten Zeiten geöffnet bzw. geschlossen werden können. Die Öffnungszeiten werden somit im Einlaßbereich möglichst exakt den jeweils vorliegenden Betriebsverhältnissen angepaßt. Dies bringt einen hohen baulichen Aufwand mit sich.

Aus der GB 21 75 643 A ist eine Zweitakt-Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art bekannt. Gemäß dieser Druckschrift wird ein Ventil verwendet, dessen Öffnungszyklus in seiner Relativposition zum Kurbelwinkel konstant bleibt. Der Ventilzyklus kann symmetrisch verkürzt oder verlängert werden. Eine optimale Einstellung der Verbrennungsbedingungen in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen ist hierdurch nicht erzielbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zweitakt-Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß verbesserte Verbrennungsbedingungen erzielbar sind.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt darin, daß die Öffnungsbreite des Auslaßventils konstant gehalten, der Anfangszeitpunkt der Öffnung jedoch den Betriebsbedingungen angepaßt wird. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Es folgt eine Beschreibung bevorzug­ ter Ausführungsformen der Erfindung. Diese werden anhand von Abbildungen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1a und 1b eine schematische Darstellung einer Ausfüh­ rungsform einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2a einen Schnitt durch eine Ausführungsform ei­ nes Drehschieberventils,

Fig. 2b eine schematische Darstellung einer Ventil­ phasensteuerung für ein Drehschieberabgasven­ til gemäß einer Ausführungsform der Erfin­ dung,

Fig. 3 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des erfin­ dungsgemäßen Steuerverfahrens, und

Fig. 4a-4c und Fig. 5a-5c graphische Darstellungen zur Erläuterung der Öffnungs- und Schließzeiten des Dreh­ schieberventils bei verschiedenen Maschinen­ betriebsbedingungen.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, umfaßt eine Zweitakt- Brennkraftmaschine 1 für ein Kraftfahrzeug einen Zylinder 2, einen Kolben 3 im Zylinder 2, ein Pleuel 6, das mit dem Kol­ ben 3 und einer Kurbelwelle 5 in einem Kurbelgehäuse 4 ver­ bunden ist.

In einer Wand des Zylinders 2 sind eine Auslaßöffnung 11 und eine Spülöffnung 10 um 90° gegeneinander versetzt oder ein­ ander diametral gegenüberliegend angebracht. Die Öffnungen 10 und 11 sind so ausgebildet, daß sie zu vorbestimmten Zeitpunkten bezüglich der Position des Kolbens 3 öffnen.

Ein Kraftstoffeinspritzer 9 und eine Zündkerze 8 sind am Zy­ linderkopf einer Brennkammer 7 des Zylinders 2 vorgesehen.

Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 30 wird dem Einspritzer 9 durch eine Kraftstoffleitung 27 mit einem Filter 28, einer Pumpe 29 und einem Druckregler 31 zum Konstanthalten des Kraftstoffdrucks auf einem vorgegebenen Wert zugeführt.

Die Maschine 1 wird mit Luft über ein Luftfilter 20, eine Spülpumpe 19, einen Zwischenkühler 18 zum Kühlen der Spül­ luft und eine Einlaßleitung 16 zugeführt, die eine Spülkam­ mer 17 zum Absorbieren bzw. Dämpfen von Spülluft-Druckwellen aufweist, die dann auftreten, wenn die Spülöffnung 10 öffnet bzw. schließt. Die Spülpumpe 19 und der Zwischenkühler 18 werden über einen Bypass 21 überbrückt. Der Bypass 21 ist mit einem Steuerventil 22 versehen. Abgas der Maschine 1 wird über die Auslaßöffnung 11 und ein Abgasrohr 12 mit ei­ nem Katalysator 13, einer Abgaskammer 14 und einem Dämpfer 15 abgeblasen.

Die Spülpumpe 19 steht über eine Übertragungseinrichtung mit der Kurbelwelle 5 in Verbindung. Die Übertragungseinrichtung umfaßt einen Endlosriemen 34, der über eine Kurbelwellen­ scheibe 32 und eine Pumpenscheibe 33 läuft. Die Spülpumpe 19 wird von der Kurbelwelle 5 über die Übertragungseinrichtung getrieben und stellt somit einen Spüldruck zur Verfügung. Die Spülpumpe 19 ist eine Verdrängungspumpe, z.B. eine Lys­ holm-Pumpe (Spiral-Verdrängungspumpe) oder eine Roots-Pumpe, die unabhängig von der Antriebsdrehzahl ein konstantes Volu­ men fördert. Die Kapazität der Pumpe 19 wird so eingestellt, daß ein Förderverhältnis von über 1 im Hochlastbereich der Maschine unabhängig von der Maschinendrehzahl sichergestellt ist. Nachdem die Brennkammer 7 der Maschine 1 von der Pumpe 19 und nicht vom Kurbelgehäuse 4 gespült wird, kann die Schmierölversorgung für die Maschine 1 vom Einlaßsystem ge­ trennt werden.

Ein Gaspedal 23 steht über eine Ventilsteuerung 24 mit dem Steuerventil 22 in Wirkverbindung. Der Öffnungsgrad des Steuerventils 22 wird über die Steuerung 24 so eingestellt, daß er umgekehrt proportional zum Betätigungsgrad des Gaspe­ dals 23 ist.

Ein Drehschieber-Auslaßventil 35 ist in der Abgasleitung 12 stromab der Auslaßöffnung 11, aber in deren Nähe angeordnet. Wie in Fig. 2a gezeigt, umfaßt das Drehschieber-Auslaßventil einen drehbaren Ventilkörper 35a, der drehbar bzw. schwenkbar in einem Körper 35b montiert ist. Der drehbare Ventilkörper 35a steht mit der Kurbelwelle 5 über ein Riemengetriebe in Wirkverbindung, welches eine Kurbelscheibe 36, eine Ventil­ scheibe 37 und einen Riemen 38 umfaßt, so daß ein Antrieb über die Maschine 1 erfolgen kann. Am Riemen 38 ist eine Ventilphasensteuerung 40 angebracht, die in Fig. 2b im ein­ zelnen gezeigt ist.

Wie in Fig. 2b gezeigt, sind eine Ventilscheibe 37 an einer Drehschieber-Ventilwelle 37a, eine Kurbelscheibe 36 an der Kurbelwelle 5 befestigt. Nachdem die Kurbelwelle 5, wie mit dem Pfeil gezeigt, in Uhrzeigerrichtung dreht, ist die rech­ te Seite des Riemens 38 in der Abbildung das Lasttrum (Zug), die linke Zeige ist das Leertrum. Die Ventilphasensteuerung 40 umfaßt eine Spannscheibe 43, die auf dem Riemen 38 auf dessen Lasttrum läuft, sowie eine Mitlaufscheibe 46, die auf dem Leertrum des Riemens läuft. Die Lastscheibe 43 ist dreh­ bar an einem Arm 42 montiert, der schwenkbar auf einem Zap­ fen 41 montiert ist, welcher an einem Kurbelwellengehäuse (nicht gezeigt) angebracht ist. Die Mitlaufscheibe 46 ist drehbar auf einem Arm 45 montiert, der um einen Zapfen 44 schwenkbar ist, welcher ebenfalls am (nicht gezeigten) Ge­ häuse montiert ist.

Am Arm 42 ist eine Stange 48 eines Betätigungselements 47 befestigt, um die Kraft einzustellen, welche auf den Riemen 38 über die Spannscheibe 43 ausgeübt wird. Das Betätigungs­ element 47 schiebt die Stange 48 in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal einer Steuerung 60 hin und her, und zwar ab­ hängig von Betriebsbedingungen der Maschine 1, wie dies wei­ ter unten beschrieben wird.

Eine Feder 49 und ein Öl(-gefüllter) Dämpfer 50 sind zwi­ schen den Armen 42 und 45 vorgesehen, um beide Seiten des Riemens 38 zu spannen. Der Öldämpfer 50 unterbindet abrupte Bewegungen des Arms 45 über die Ölfüllung, wenn der Arm 42 schnell gedreht wird, und er absorbiert die Bewegung, wenn sich der Arm langsam dreht.

Weiterhin sind (wie in Fig. 1a und b gezeigt) ein Maschinen­ drehzahlsensor 51 und ein Gaspedalsensor 52 vorgesehen, um die Maschinenbetriebsbedingungen abzutasten. Die Steuerung 60 umfaßt eine Betriebsbedingungs-Feststelleinrichtung 61, welcher die Maschinendrehzahl N und der Betätigungsgrad Φ vom Maschinendrehzahlsensor 51 und vom Gaspedalsensor 52 zu­ geführt werden. Das Ausgangssignal der Betriebsbedingungs- Feststelleinrichtung 61 wird einer Phasenwinkelvorgabeein­ richtung 62 zugeführt. Die Phasenwinkelvorgabeeinrichtung 62 leitet eine Ventilphase aus einer Ventilphasen-Nachschlage­ tabelle 63 (Speicher) ab, in welcher eine Vielzahl von Ven­ tilphasen gespeichert ist, welche Öffnungs- und Schließzei­ ten des Drehschieberauslaßventils 35 in bezug auf die Win­ kelposition der Kurbelwelle 5 festlegen. Ein Ventilphasensi­ gnal aus der Phasenwinkelvorgabeeinrichtung 62 wird dem Be­ tätigungselement 47 der Ventilphasensteuerung 40 über einen Treiber 64 zugeführt, um die Ventilphase zu verändern bzw. einzustellen.

Das Auslaßsignal der Betriebsbedingungs-Feststelleinrichtung 61 wird weiterhin einem Einspritzpulsbreitenrechner 67 zuge­ führt. Das Einspritzpulsbreitensignal entsprechend der er­ rechneten Kraftstoffeinspritzpulsbreite wird dem Einspritzer 9 über eine Einspritzpulsbreiten-Ausgabeeinrichtung 68 zuge­ führt. Ein Zündzeitpunktrechner 65 errechnet den Zündzeit­ punkt in Abhängigkeit vom Ausgangssignal aus der Betriebsbe­ dingungs-Feststelleinrichtung 61. Das vom Zündzeitpunktrech­ ner 65 erzeugte Zündsignal wird einer Zündkerze 8 über einen Treiber 66 zugeführt.

Der Betrieb der Brennkraftmaschine (bzw. das erfindungsge­ mäße Betriebsverfahren) wird im folgenden erläutert.

Die von der Spülpumpe 19 geförderte und im Zwischenkühler 18 gekühlte Luft wird der Einlaßöffnung der Spülpumpe 19 über den Bypass 21 wieder zugeführt. Nachdem der Öffnungsgrad R des Steuerventils 22 umgekehrt proportional zum Betätigungs­ grad Φ des Gaspedals 23 eingestellt wird, ist das Steuerven­ til 22 bei geringem Betätigungsgrad des Gaspedals weit of­ fen. Somit wird eine große Luftmenge der Einlaßseite der Spülpumpe 19 zugeführt, und eine geringe Luftmenge entspre­ chend einem geringen Betätigungsgrad des Gaspedals strömt in den Zylinder 2, um eine Spülwirkung zu erzeugen, ohne dabei Pumpverluste in Kauf nehmen zu müssen. Wenn man das Gaspedal weiter niederdrückt, so steigt die in den Zylinder 2 geför­ derte Luft bei gleichzeitigem Schließen des Steuerventils 22 an.

Wenn der Kolben 3 eine Stellung nahe dem unteren Totpunkt (wie in Fig. 1a gezeigt) erreicht, so öffnen sowohl die Spülöffnung 10 als auch die Auslaßöffnung 11, so daß Einlaß­ luft, deren Menge von der Stellung des Gaspedals 23 abhängt, von der Spülpumpe 19 über den Zwischenkühler 18 und die Spülöffnung 10 in den Zylinder 2 gefördert wird. Demzufolge wird verbranntes Gemisch (Abgas) aus dem Zylinder 2 gespült, so daß Frischluft innerhalb kurzer Zeit einströmt. Während des Kompressionshubs (der Kolben 3 geht nach oben) schließen die beiden Öffnungen 10 und 11. Nun wird Kraftstoff vom Kraftstoffeinspritzer 9 in Übereinstimmung mit dem Kraft­ stoffeinspritzpulsbreitensignal aus der Steuerung 60 mit ho­ hem Druck eingespritzt, um so in der Kammer 7 ein brennbares Gemisch zu bilden. Das Gemisch wird in der Brennkammer mit Spülluft verwirbelt und von der Zündkerze 8 kurz vor dem oberen Totpunkt gezündet. Nach der Zündung läuft der Kolben 3 im Leistungshub nach unten. Demzufolge öffnet die Auslaß­ öffnung 11, so daß verbranntes Gas unter hohem Druck aus dem Zylinder 2 ausströmt. Wenn der Kolben 3 weiter nach unten geht, kehrt er zum oben beschriebenen Einlaßhub zurück, in welchem der Zylinder 2 gespült wird.

Bei diesem ganzen Vorgang dreht der Ventilkörper 35 im Ab­ gaskanal 12 in Übereinstimmung mit der Drehung der Kurbel­ welle 5, und zwar über die Kurbelwellenscheibe 36, den Rie­ men 38, die Ventilscheibe 37 und die Ventilwelle 37a. Das Auslaßventil 35 ist so ausgebildet, daß es dann geschlossen ist, wenn die Spülöffnung 10 zum Einlaß von Frischluft in den Zylinder 2 geschlossen ist. Somit kann selbst dann, wenn die Auslaßöffnung 11 noch nicht vom Kolben 3 verschlossen ist, die Frischluft nicht entweichen.

Die Steuerung des Drehschieberventils 35 wird im folgenden unter Bezug auf die Fig. 3, 4a-4c und 5a-5c näher erläu­ tert.

Wie in Fig. 3 gezeigt, wird in einem Schritt S101 die Ma­ schinendrehzahl N vom Drehzahlsensor 51 festgestellt. In ei­ nem Schritt S102 wird die Stellung des Gaspedals (Betäti­ gungsgrad) vom Sensor 52 festgestellt. Im Schritt S103 wer­ den die Maschinenbetriebsbedingungen basierend auf der Ma­ schinendrehzahl N und dem Gaspedal-Betätigungsgrad Φ festge­ stellt. In einem Schritt S104 wird die Drehschieber-Ventil­ phase aus der Ventilphasen-Nachschlagetabelle ausgelesen. In einem Schritt S105 wird das Ventilphasensignal dem Betäti­ gungselement 47 zugeführt. In Übereinstimmung mit dem Ven­ tilphasensignal schiebt das Betätigungselement 47 die Stange 48 vor oder zurück und dreht so den Arm 42 und die Spann­ scheibe 43 um den Zapfen 41. Die Länge des Lasttrums und des Leertrums des Riemens 38 ändern sich dementsprechend. Demzu­ folge wiederum wird die Phase des Ventilkörpers 35a relativ zur Kurbelwelle 5 eingestellt, so daß sich Öffnungs- und Schließzeitpunkt des Ventils 35 nach vorne oder hinten ver­ schieben.

Bei niedrigen Maschinendrehzahlen steht die Stange 48 vom Betätigungselement 47 vor, so daß die auf das Lasttrum des Riemens 38 über die Riemenscheibe 43 ausgeübte Kraft steigt.

Die Ventilscheibe 37 und demzufolge die Ventilwelle 37a dre­ hen sich im Uhrzeigersinn, wie dies mit dem Pfeil in Fig. 2b gezeigt ist, so daß auch der Drehschieberventilkörper 35a verdreht wird, um dessen Phase nach vorn zu verschieben. Da­ durch wird also der Schließzeitpunkt, wie in Fig. 4a ge­ zeigt, nach vorne verrückt, so daß eine hinreichende Menge an Luft eingelassen wird. Demzufolge steigt also das Kom­ pressionsverhältnis, wodurch das Ausgangsdrehmoment der Ma­ schine erhöht wird.

Wenn die Maschinendrehzahl N ansteigt, so wird die Stange 48 des Betätigungselements 47 zurückgezogen. Demzufolge wird die Spannscheibe 43 vom Riemen zurückgezogen, so daß die An­ schlagkraft sinkt. Die Spannung des Riemens 38 an seinem Lasttrum nimmt ab, und die Spannung an dem Leertrum wird demzufolge über die Federn 49 und den Öldämpfer 50 angeho­ ben, wodurch wiederum die Scheibe 37 entgegen dem Uhrzeiger­ sinn dreht und so die Phase der Ventilwelle 37a relativ zur Kurbelwelle 5 sich verändert. Somit wird der Schließzeit­ punkt des Drehschieberventils 35 zurückgenommen, wie dies in den Fig. 4b und 4c gezeigt ist. Die tatsächliche Auslaß­ periode, also die Periode, während derer sowohl die Auslaß­ öffnung 11 als auch das Drehschieberventil 35 offen sind, wird bei ansteigender Maschinendrehzahl länger. Demzufolge wird der Zylinder 2 hinreichend gespült, übermäßiger Spül­ druck wird verhindert, und der Spüldruck wird abgesenkt, wo­ durch das Ausgangsmoment der Maschine 1 steigt.

Die Fig. 5a-5c zeigen die Öffnungs- und Schließzeiten des Drehschieber-Auslaßventils 35 in einem mittleren Maschinen­ drehzahlbereich bei verschiedenen Maschinenlasten. Wenn das Gaspedal 23 losgelassen wird, so geht der Betätigungsgrad Φ gegen Null. Das Drehschieberventil 35 wird zu einem früheren Zeitpunkt geschlossen, wie dies in Fig. 5a gezeigt ist, so daß die Motorbremswirkung gesteigert wird. Wie in den Figu­ ren 5b und 5c gezeigt, wird der Schließzeitpunkt des Dreh­ schieber-Auslaßventils 35 mit steigender Maschinenlast ver­ zögert bzw. zurückgenommen.

Aus Obigem ergibt sich, daß mit der vorliegenden Erfindung eine Zweitakt-Brennkraftmaschine aufgezeigt wird, welche eine direkte Kraftstoffeinspritzung hat und in der ein Dreh­ schieber-Auslaßventil im Abgasrohr angebracht ist, das in Abhängigkeit von den Maschinenbetriebsbedingungen gesteuert wird. Auch dann, wenn die Menge an Einlaßluft durch die Spülpumpe steigt, wird das Entweichen von Luft durch die Auslaßöffnung verringert. Demzufolge steigt das Ausgangsmo­ ment in einem weiten Drehzahlbereich der Maschine. In Berei­ chen niedriger Drehzahl und bei geringer Maschinenlast wird ein hohes Kompressionsverhältnis erzielt, was den Kraft­ stoffverbrauch verringert. Wenn das Gaspedal losgelassen wird, um das Fahrzeug zu verlangsamen, wird der Schließzeit­ punkt des Drehschieberventils vorverstellt, so daß ein wir­ kungsvoller Motorbremsvorgang stattfindet.

Claims (4)

1. Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, umfassend mindestens einen Zylinder (2), eine Spülöffnung (10), einen Einlaßkanal (16), der mit der Spülöffnung (10) kommuniziert, einen Abgaskanal (12), der mit einer Auslaßöffnung (11) kommuniziert, eine Spülpumpe (19) im Einlaßkanal (16), ein Auslaßventil (35) im Abgaskanal (12), Einrichtungen (32-34; 35-37) zum Drehen der Spülpumpe (19), einen Kraftstoff-Einspritzer (9), um Kraftstoff direkt in den Zylinder (2) einzuspritzen, Ventil- Steuerungseinrichtungen (40-50; 60) zum Einstellen des Auslaßventils (35), Feststelleinrichtungen (51, 52, 61) zum Feststellen der Maschinendrehzahl und der auf die Maschine wirkenden Last, die ein Betriebsbedingungssignal abgeben, Vorgabeeinrichtungen (62), die in Übereinstimmung mit dem Betriebsbedingungssignal ein Ventilsignal erzeugen, ein Betätigungsorgan (47), welches in Übereinstimmung mit dem Ventilsignal die Ventil-Steuereinrichtungen so einstellt, daß das Auslaßventil (35) in Übereinstimmung mit den Betriebsbedingungen eingestellt wird, wobei die Spülöffnung (10) in ungesteuerter Verbindung mit dem Einlaßkanal (16) steht, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil (35) als von der Kurbelwelle (5) angetriebenes Drehschieberventil ausgebildet ist, das über einen konstanten Kurbelwinkel hinweg öffnet, und daß der Phasenwinkel der Ventilöffnung relativ zum Kurbelwinkel in Übereinstimmung mit den Betriebsbedingungen eingestellt wird.

2. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststelleinrichtungen einen Maschinendrehzahlsensor (51) und einen Sensor (24) umfassen, über den der Betätigungsgrad eines Gaspedals (23) feststellbar ist.

3. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventil-Steuerungseinrichtung (60) derart ausgebildet ist, daß die Phase bei sinkender Maschinendrehzahl vorgerückt wird.

4. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventil-Steuerungseinrichtung (60) derart ausgebildet ist, daß bei ganz losgelassenem Gaspedal (23) das Drehschieberventil (35) zu einem vorverlegten Zeitpunkt schließt.