DE4028757C2 - Verfahren zum Steuern einer Zweitakt-Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern einer Zweitakt-Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-PS 9 09 646 bekannt. Diese Druckschrift be­ schreibt eine Zweitakt-Verbrennungskraftmaschine mit ei­ nem Abschlußorgan im Auspuffkanal, das in Abhängigkeit von der in die Maschine eingespritzten Brennstoffmenge und in Abhängigkeit vom Druckgefälle auf der Frisch­ gasseite der Verbrennungskraftmaschine verstellt wird. Diese Verstelleinrichtung nimmt keine Rücksicht auf die durch die Abgasschwingungen hervorgerufenen Druckbedin­ gungen in Auspuffanlage und Zylinder, sondern folgt im wesentlichen den Befehlen des Gaspedals. Dadurch dürfte dieses Abschlußorgan mehr schaden als nützen, da es wäh­ rend des Betriebes konträr zu den tatsächlichen Bedingun­ gen im Motor verstellt wird.

Beim Zweitaktmotor entsteht im Auspuffrohr durch die schnelle Öffnung eines großen Schlitzquerschnittes ein Druckstoß, der das Auspuffrohr bis zum Schalldämpfer durchläuft und von diesem reflektiert wird. Durch das sehr schnelle Abfließen des sich fast wie eine kompakte Masse verhaltenden Abgases entsteht im Zylinder ein Un­ terdruck. Kehrt die reflektierte Druckwelle zum Zylinder zurück, so wird er erneut mit verbranntem Gas gefüllt. Es er folgt ein nochmaliger Abfluß in das Auspuffsystem auf niedrigerem Druckniveau sowie eine mehrfache Wiederholung der Vorgänge, bis der Auslaßschlitz sich schließt.

Amplitude und Frequenz dieser Auspuffschwingungen lassen sich durch die Höhe des Auslaßschlitzes und durch eine besondere Gestaltung des Auspuffsystems verändern. Beim konventionellen schlitzgesteuerten Zweitaktmotor gelingt es dadurch, die Höhe des maximalen Drehmomentes bzw. Mit­ teldruckes zu verändern und seine Lage auf der Drehzahlskala zu verschieben. Daraufberuhen die extrem hohen Leistungen moderner Zweitakt-Motorradmotoren.

Leider gelang es bisher nicht, den Bereich des Motorkenn­ feldes vor und hinter dem maximalen Drehmoment so positiv zu beeinflussen, daß keine Frischgasverluste entstehen. Versuche mit während des Betriebes veränderbaren Auspuff­ rohrlängen (Schieberohre) wirken nur bei Vollast in ei­ nem kleinen Drehzahlbereich. Auch Vorrichtungen zur Ver­ ringerung der Auslaßschlitzhöhe oder Klappen im Aus­ puffsystem können die negativen Schwingungseinflüsse nur sehr wenig beeinflussen, zumal dadurch die Symmetrie der Schlitzsteuerung nicht angetastet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung einer Zweitakt-Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art so auszubilden, daß für den Gaswechsel die Gasschwingungen im Abgasstrang bei den unterschiedlichsten Betriebsbedingungen optimal genutzt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruches 1 gelöst.

Durch diese erfindungsgemäße Verstellung des Auslaßdreh­ schiebers bei maximalem Unterdruck am Auslaßschlitz kann der Gaswechsel optimal unter Berücksichtigung der Gasschwingungen erfolgen, indem durch richtiges Verstel­ len des Drehschiebers die negativen Einflüsse der Gas­ schwingungen völlig beseitigt, die postiven aber genutzt werden. Da der Auslaßdrehschieber geschlossen wird, wenn am Auslaßschlitz durch die im Auspuff vom Auslaßschlitz fortführende Druckwelle maximaler Unterdruck herrscht, bleibt dieser Unterdruck im Zylinder bis zum Öffnen des Einlaßschlitzes erhalten. Der Zylinder saugt deshalb das Frischgas aufgrund des in ihm herrschenden Unterdruckes stärker an, als das bei den bisher bekannten Zweitakt- Verbrennungskraftmaschinen der Fall ist. Es ergibt sich deshalb eine besonders gute Füllung. Die rückflutende Druckwelle im Auspuff führt zu keinem Wiedereinströmen von Abgas in den Zylinder, da zu diesem Zeitpunkt der Auslaßdrehschieber bereits geschlossen ist.

Dank des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich eine Ab­ senkung des Auslaßschlitzes erreichen, so daß sich der nutzbare Kompressionshub vergrößert.

Vorzugsweise bei Vollast schließt der Drehschieber im Abgaskanal, wenn im Zylinder Unterdruck herrscht, um die Füllung des Zylinders mit Frischgas zu verbessern und da­ mit die Leistung zu steigern. Bei Leerlauf und niedriger Teillast kann aber auch durch frühes Schließen des Dreh­ schiebers im Abgaskanal ein Teil der verbrannten Gase im Zylinder zurückgehalten werden, der sich beim Einströmen von Frischgas damit mischt. Auf diese Weise läßt sich die Bildung von Stickoxid auch ohne aufwendige Abgasrück­ führungseinrichtung völlig vermeiden.

Andererseits kann der Auslaßschlitz aber auch erst dann geschlossen werden, wenn die Sinuswelle der Abgasschwin­ gung ihr Minimum durchlaufen hat und einen Überdruck im Auspuffrohr und im Zylinder aufbaut. Dann wird ein Teil des in den Auspuff gesaugten Frischgases als zusätzliches Ladevolumen genutzt und auch ohne zusätzliche Aufla­ deeinrichtung eine Aufladung im Zylinder bewirkt.

Aus den vorgenannten Gründen konnten ungeregelte Dreh­ schieber nicht verhindern, daß über weite Bereiche des Kennfeldes die rücklaufende Abgaswelle den Zylinder mit Abgas füllte, da die Drehschieber in Bezug auf die Abgas­ welle den Auslaßschlitz zur falschen Zeit schlossen. Mit modernen Berechnungsmethoden ist es jedoch heute möglich, für den rotierenden Abgasschieber ein Steuerkennfeld zu errechnen, durch welches dafür gesorgt ist, daß der Aus­ laßdrehschieber in jedem Punkt des Motorkennfeldes genau dann schließt, wenn die ablaufende Abgaswelle im Zylinder für maximalen Unterdruck gesorgt hat. Es ist aber auch möglich, den Auslaßdrehschieber durch einen Drucksensor und einen elektronischen Wandler direkt anzusteuern.

Soll die Zweitakt-Verbrennungskraftmaschine mit Quanti­ täts-(Mengen-)Regelung betrieben werden, also als konven­ tioneller Benzinmotor, wird die Frischgasfüllung des Zy­ linders durch einen zusätzlichen Drehschieber im Spülka­ nal zwischen Aufladeeinrichtung und Zylinder gesteuert, den die Kurbelwelle mit halber, ganzer oder doppelter Drehzahl antreibt, und der über eine Verstelleinrichtung vom Gaspedal oder von einer elektronischen Einrichtung während des Betriebes derart verstellt werden kann, daß er eine Drosselklappe ersetzt. Bei Betrieb mit Qualitäts­ regelung, also als Diesel, entfällt der Drehschieber im Spülkanal. An dessen Stelle sind Membran- oder Zungen­ ventile vorgesehen.

Die Zweitakt-Verbrennungskraftmaschine kann unterschied­ lichen Betriebsbedingungen exakt angepaßt werden, wenn gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung nur der Einlaß­ drehschieber mechanisch mit dem Gaspedal gekoppelt wird und der Auslaßdrehschieber durch eine verschiedene Be­ triebswerte berücksichtigende, elektronische Steuerung verstellt wird.

Die bestmögliche Anpassung an unterschiedliche Betriebs­ bedingungen erreicht man, wenn die Verstelleinrichtungen beider Drehschieber mittels jeweils einer elektronischen Steuerung betätigbar ausgebildet sind und die Steuerung des Einlaßschiebers mit einem elektronischen Gaspedal verbunden ist.

Soll die Zweitakt-Verbrennungskraftmaschine als Diesel laufen, so wird der Einlaßdrehschieber durch Membran- oder Zungenventile ersetzt.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, für Quantitätsregelung sowohl Zungenventile als auch eine Drosselklappe vor der Aufladeeinrichtung oder zwischen Aufladeeinrichtung und Zungenventilen im Spülkanal zu verwenden.

Zur weiteren Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen. Diese zeigt in

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines senk­ rechten Schnittes durch einen für das erfin­ dungsgemäße Verfahren wesentlichen Bereich einer Zweitakt-Verbrennungskraftmaschine,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines hori­ zontalen Schnittes durch die Zweitakt-Ver­ brennungskraftmaschine,

Fig. 3 ein die Druckverhältnisse am Auslaßschlitz bei geringer Drehzahl wiedergebendes Diagramm,

Fig. 4 ein die Druckverhältnisse am Auslaßschlitz bei höherer Drehzahl wiedergebendes Diagramm,

Fig. 5 ein die Druckverhältnisse am Auslaßschlitz bei hoher Drehzahl wiedergebendes Diagramm,

Fig. 6 ein Steuerdiagramm der Zweitakt-Verbrennungs­ kraftmaschine nach den Fig. 1 und 2 für Leerlauf,

Fig. 7 ein Steuerdiagramm der Zweitakt-Verbrennungs­ kraftmaschine nach den Fig. 1 und 2 für halbe Last,

Fig. 8 ein Steuerdiagramm der Zweitakt-Verbrennungs­ kraftmaschine nach den Fig. 1 und 2 für volle Last,

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines senkrech­ ten Schnitts durch einen mit Qualitätsrege­ lung arbeitenden Motor gemäß der Erfindung,

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines senkrech­ ten Schnitts durch einen quantitätsgeregelten Motor einfachster Bauart gemäß der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt von einer Zweitakt-Verbrennungskraftma­ schine einen Zylinder 1 mit einem Kolben 2. Das Frisch­ gas wird dem Zylinder 1 über einen Spülschlitz 3 aus ei­ nem Spülkanal 4 zugeführt. Das Abgas verläßt den Zylin­ der durch einen Auslaßschlitz 5 und strömt dann durch ei­ nen Auslaßkanal 6 zum nicht gezeigten Auspuff. Wichtig für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, daß im Auslaßkanal 6 ein Auslaßdrehschieber 8 an­ geordnet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist zusätzlich im Spülkanal 4 ein Einlaßdrehschieber 7 angeordnet. Der Einlaßdrehschieber 7 und der Auslaßdreh­ schieber 8 laufen mit halber, ganzer oder doppelter Dreh­ zahl der Kurbelwelle um. Ihre Phasenlage zur Kurbelwelle ist verstellbar.

Der horizontale Schnitt gemäß Fig. 2 verdeutlicht zu­ sätzlich die Gestaltung der Zweitakt-Verbrennungskraftma­ schine. Zu erkennen ist, daß das Frischgas über insge­ samt drei Spülschlitze 3, 3a, 3b in den Zylinder 1 ge­ langt und diesen über zwei Auslaßschlitze 5, 5a verläßt.

Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen den gemessenen Druckver­ lauf im Auspuffrohr direkt hinter dem Auslaßschlitz 5 ei­ nes konventionellen Einzylinder-Zweitaktmotors mit symme­ trischen Steuerzeiten bei Vollast und drei verschiedenen Drehzahlen. Mit Aö wurde jeweils die Winkelstellung mar­ kiert, bei der der Auslaßschlitz öffnet, und mit Sö die Winkelstellung, bei der der Spülschlitz öffnet. Entspre­ chend wurde mit Ss die Winkelstellung markiert, bei der der Spülschlitz schließt und mit As die Stellung, bei der der Auslaßschlitz schließt. Mit u.T. wurde der unte­ re Totpunkt des Kolbens angegeben. Die Winkelstellung des Kolbens, bei der jeweils der größte Unterdruck herrscht, wurde durch eine gestrichelte Linie hervorge­ hoben. Zu erkennen ist, daß diese Linie mit zunehmender Drehzahl näher an den unteren Totpunkt heranrückt. Gemäß der Erfindung wird der Auslaßdrehschieber 8 immer dann geschlossen, wenn der maximale Unterdruck erreicht ist, also dort, wo in den Fig. 3, 4 und 5 die gestrichelte Linie eingetragen wurde.

Im Steuerdiagramm gemäß Fig. 6 für den Leerlauf ist ein Sektor von etwa 120 Grad eingezeichnet. Sein rechter Schenkel kennzeichnet die Winkelstellung der Kurbelwel­ le, bei der die obere Kolbenkante die Spülschlitze 3, 3a und 3b und die Auslaßschlitze 5, 5a freigibt. Der linke Schenkel kennzeichnet die Winkelstellung, bei der die obere Kolbenkante die Spülschlitze 3, 3a und 3b und die Auslaßschlitze 5, 5a versperrt. Verfolgt man die Funktio­ nen vom oberen Totpunkt aus, so ergibt sich folgender Ab­ lauf. Nach knapp 90 Grad-Kurbelwellendrehung öffnet der Auslaßdrehschieber. Etwa 30 Grad später gibt die obere Kolbenkante den Auslaßschlitz frei, so daß dann das Ab­ gas abströmen kann. Wiederum etwa 30 Grad später schließt der Auslaßdrehschieber. Erst danach und kurz vor dem Schließen des Spülschlitzes durch die obere Kol­ benkante öffnet der Einlaßdrehschieber. Er schließt erst, nachdem der Kolben längst den Spülschlitz abge­ deckt hat. Es kann somit nur sehr kurze Zeit Frischgas in den Zylinder einströmen.

Die Diagramme gemäß den Fig. 7 und 8 zeigen, daß mit zunehmender Last der Einlaßdrehschieber zunehmend früher den Spülschlitz freigibt, so daß zunehmend mehr Zeit zum Einströmen von Frischgas zur Verfügung steht. Dadurch wird der Abstand zwischen dem Schließen des Auslaßdreh­ schiebers und dem Öffnen des Einlaßdrehschiebers immer geringer. Wichtig ist jedoch, daß der Auslaßdrehschieber schließt, bevor der Einlaßdrehschieber öffnet.

Die erläuterte Verstellung der Drehschieber kann auf be­ liebige, dem Fachmann bei anderen Maschinenelementen ge­ läufige Weise erfolgen, so daß sie nicht näher erläutert werden muß.

Die Fig. 9 zeigt wiederum einen Zylinder 1, in welchem sich ein Kolben 2 auf einem durch den Hub festgelegten Weg bewegt. Direkt vor dem Auslaßschlitz 5 ist, der Aus­ laßdrehschieber 8 angeordnet. Während der Kolben 2 mit seiner oberen Kolbenkante 9 den Auslaßschlitz 5 öffnet, wird dieser durch eine Schließkante 10 des Auslaßdreh­ schiebers 8 geschlossen, so daß kein Gas mehr in den Aus­ laßkanal 6 fließen kann oder von dort in den Zylinder 1.

Die Frischgaszuführung erfolgt wie bei dem Ausführungs­ beispiel nach Fig. 1 über einen Spülkanal 4 und einen Spülschlitz 3. Eine Steuerfunktion haben obere und unte­ re Spülschlitzkanten nicht mehr; sie wird von einem Zun­ genventil 11 übernommen. Dieses öffnet sich, wenn der Druck im Zylinder 1 unter den im Spülkanal 4 fällt, und schließt selbsttätig, wenn der Druck im Zylinder 1 über den im Spülkanal 4 steigt.

Die Fig. 10 zeigt einen quantitätsgeregelten, äußerst einfach aufgebauten Motor, bei dem im Spülkanal 4 hinter einer Aufladeeinrichtung 12 vor dem Zungenventil 11 eine Drosselklappe 13 angeordnet ist. Diese Drosselklappe 13 könnte auch vor der Aufladeeinrichtung 12 vorgesehen wer­ den. Genau wie bei der zuvor erläuterten Ausführungsform ist auch bei der Ausführungsform nach Fig. 10 im Auslaß­ kanal 6 ein während des Laufens der Verbrennungskraftma­ schine hinsichtlich seiner Phasenlage zur Kurbelwelle verstellbarer Auslaßdrehschieber 8 vorgesehen.

Bezugszeichenliste

1

Zylinder

2

Kolben

3

Spülschlitz

4

Spülkanal

5

Auslaßschlitz

6

Auslaßkanal

7

Einlaßdrehschieber

8

Auslaßdrehschieber

9

Kolbenkante

10

Schließkante

11

Zungenventil

12

Aufladeeinrichtung

13

Drosselklappe

Claims (2)

1. Verfahren zum Steuern einer Zweitakt-Verbrennungs­ kraftmaschine mit einem eine Kurbelwelle antreibenden Kolben (2) in einem einen Brennraum aufweisenden Zylinder (1), welcher zumindest einen mit einem Auslaßkanal (6) verbundenen Auslaßschlitz (5) und zumindest einen mit einem Spülkanal (4) verbundenen Spülschlitz (3) aufweist, und bei der zur Steuerung der Gasströme im Auslaßkanal (6) ein Auslaßdrehschieber (8) vorgesehen ist und dieser Auslaßdrehschieber (8) von der Kurbelwelle mit ganzer, halber oder doppelter Kurbelwellendrehzahl im oder entgegen dem Uhrzeigersinn angetrieben und so gesteuert und angeordnet wird, daß er den Auslaßkanal (6) versperrt, bevor Abgas aus dem Auspuffrohr zurück in den Zylinder (1) gelangt, und wobei während des Betriebs der Zweitakt-Verbrennungskraftmaschine der Auslaßdrehschie­ ber (8) hinsichtlich seiner Phasenlage zur Kurbelwelle verstellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß­ drehschieber (8) bei maximalem Unterdruck am Auslaß­ schlitz (5) geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßdrehschieber (8) direkt durch einen Drucksensor im Auspuffsystem und ein von sonstigen Funk­ tionen unabhängiges, einfaches Steuergerät verstellt wird.