DE4109538A1 - Brennkraftmaschine mit verbessertem brennstoffverbrauch - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine und insbesondere eine verbesser­ te Einspritzung, um den Brennstoffverbrauch sowie den Ausstoß von Kohlenwasserstoffen (KW) zu verringern.

Die Vorteile der unmittelbaren Einspritzung von Brennstoff in die Zylinder sind bekannt. Ein Nachteil der direkten Zylinderbrennstoffeinspritzung besteht aber darin, daß unter bestimmten Laufbedingungen der Brennstoffverbrauch ansteigt. Der Grund hierfür liegt in der Überlappung zwischen dem Öffnen des Auslaßkanals und dem Zeitpunkt der Brennstoffein­ spritzung. Häufig ist die Einströmung in die Brennkammer die Ursache dafür, daß ein Teil des direkt eingespritzten Brenn­ stoffs durch den offenen Auslaßkanal während der Brennstoff­ einspritzzeit austritt, so daß sich der Brennstoffverbrauch erhöht und die KW-Emissionen vergrößert werden.

Dieses Problem tritt insbesondere bei Zweitaktmaschinen auf, da bei diesen die Brennstoffeinspritzung und die Offenzeit des Auslaßkanals häufig eine wesentliche Überlappung haben. Obwohl direkte Einspritzung in die Zylinder zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit bei Zweitaktmaschinen vorgeschlagen worden ist, wurde nicht das Problem gelöst, daß eingespritz­ ter Brennstoff unmittelbar aus dem Auslaßkanal bei solchen Zweitaktmaschinen mit direkter Einspritzung austreten kann.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, die Brennkraftmaschine so auszubilden und ein Verfahren dafür anzugeben, daß bei Brennstoffeinspritzung der Brennstoff nicht aus dem Auslaßkanal austreten kann, wenn dieser geöffnet ist. Die Aufgabe soll insbesondere bei Zweitaktmaschinen mit direkter Einspritzung gelöst werden, um den Brennstoffverbrauch zu senken.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbil­ dungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß ist eine Zeiteinstellvorrichtung für den Auslaßkanal einer Brennkraftmaschine mit Brennkammer und einem Auslaßkanal für den Austritt des Gases aus der Brenn­ kammer vorgesehen, um den Zeitpunkt zu verändern, in dem der Auslaßkanal geöffnet ist. Die Einspritzung des Brennstoffes erfolgt dabei unmittelbar in die Brennkammer. Erfindungsge­ mäß sind Mittel vorgesehen, um die Zeiteinstellung für das Öffnen das Auslaßkanals und die Brennstoffeinspritzung so gegeneinander abzustimmen, daß der Austritt von in die Brennkammer eingespritzten Brennstoffes aus dem Auslaßkanal verhindert wird, wenn mindestens bestimmte Laufbedingungen der Maschine vorherrschen.

Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 8 richtet sich ebenfalls auf die Zeiteinstellung zur Veränderung des Zeit­ punktes, zu dem der Auslaßkanal geöffnet ist, um den Aus­ tritt von Brennstoff zu vermeiden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Zylinder einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Steuerein­ richtung für die Zeiteinstellung am Auslaßkanal,

Fig. 3 eine graphische Darstellung von Drehzahl und Last sowie für den Zeitpunkt, zu dem das Öffnen des Auslaßkanals erfindungsgemäß erfolgt,

Fig. 4 eine Darstellung für den Zeitpunkt der Brennstoff­ einspritzung bei veränderlicher Last und Drehzahl sowie Zeiteinstellung zum Öffnen des Auslaßkanals und

Fig. 5 eine Darstellung des Drehmoments abhängig von der Drehzahl mit einer Kurvenschar für veränderliche Auslaßkanalzeiten.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschi­ ne 11 mit einer Brennstoffeinspritzung und einer Auslaßka­ nalsteuerung gemäß der Erfindung. Die Maschine 11 weist drei Zylinder in Reihenbauweise auf und arbeitet als Zweitaktma­ schine mit Kurbelwellengehäusekompression und Zündung durch Zündkerzen. Die Erfindung ist anhand einer derartigen Ma­ schine erläutert, doch gelten die gleichen Prinzipien für Maschinen mit anderer Zylinderzahl, anderen Zylinderbau­ weisen sowie Maschinen, die andere Arbeitsgrundlagen haben. Jedoch ist die Erfindung bei Zweitaktmaschinen besonders nützlich. Es wird für ausreichend angesehen, wenn in Fig. 1 nur ein einziger Zylinder der Maschine dargestellt ist.

Die Maschine 11 hat einen Zylinderblock 12 mit einzelnen Zylinderbuchsen, um Zylinderbohrungen 13 zu bilden, in denen Kolben 14 eingesetzt sind, die über Pleuels 15 mit den einzelnen Abschnitten 16 einer Kurbelwelle 17 verbunden sind, die in einer Kurbelwellenkammer 18 gelagert ist, die von Wänden des Zylinderblocks 12 und einem Kurbelwellenge­ häuse 19 gebildet ist, das an dem Zylinderblock befestigt ist.

Wie bei sochen Zweitaktmaschinen üblich, sind die einzelnen Kurbelwellenkammern 18, die jeweils zu einer Zylinderbohrung 13 gehören, voneinander isoliert und die Luft tritt in die einzelnen Kammern 18 über ein Einlaßsystem 19 ein. Dieses Einlaßsystem 19 weist ein Gehäuse 21 auf, in dem nicht dar­ gestellte Drosselklappen angeordnet sind. Das Gehäuse 21 mündet in einen Einlaßverteiler 22, dessen einzelne Auslaß­ kanäle mit Einlaßkanälen 23 zusammenwirken, die in den Kurbelwellenkammern 18 ausgebildet sind. Rückschlageventile 24 der Bauart Reed sind jeweils in jedem Einlaßkanal 23 vorgesehen, um ein Rückströmen von Luft aus den Kammern 18 zum Einlaßsystem 19 zu sperren, wenn das Luftvolumen in den Kammern 18 bei der nach unten gerichteten Bewegung der Kolben 14 verdichtet wird.

Ein Zylinderkopf 25 ist auf den Zylinderblock 12 aufgesetzt. Eine Brennkammer 26 wird von einer Ausnehmung 27 im Zylin­ derkopf 25, einer Ausnehmung 28 in den Stirnseiten der Kol­ ben 14, und von den Zylinderbohrungen gebildet. Das in den Kurbelwellenkammern 18 komprimierte Luftvolumen wird durch eine oder mehrere Spülkanäle (nicht dargestellt) in die Brennkammern 26 geleitet.

Eine Brennstoff-Luf-Einspritzung 29 ist vorgesehen, um Brennstoff und Luft unter hohem Druck in die Brennkammer 26 zu einem bestinmten Zeitpunkt einzuspritzen. Das Einspritz­ system 29 weist einen Abschnitt 31 für die Brennstoffein­ spritzung auf sowie ein Magnetventil 32 mit einem Magnetteil 33 zum Öffnen eines Einspritzventils zum Einleiten von Brennstoff und Luftvolumen in die Brennkammer. Ein Luftver­ teiler 34 ist seitlich von den Einspritzeinheiten 29 befe­ stigt und liefert Druckluft. Ein Brennstoffanschluß 35 liefert Brennstoff zu den einzelnen Injektoren 31. Die Bau­ weise des Einspritzssystems 29 für Brennstoff und Luft ist an sich bekannt, doch ist es auch möglich, daß nur Brenn­ stoff allein eingesetzt wird, wie dies beispielsweise in der US-Patentanmeldung 6 08 682 vom 2. 11. 1990 der Patentanmel­ derin im Einzelnen dargestellt ist. Zu Einzelheiten der Brennstoffeinspritzung wird auf diese Anmeldung verwiesen.

Zusätzlich kann ein Hilfsinjektor 36 in dem Gehäuse 21 vorgesehen sein, um bei bestimmten Laufbedingungen, die in der vorgenannten Anmeldung erläutert sind, Brennstoff zu liefern.

Das in der Brennkammer 26 befindliche Brennstoff-Luft- Gemisch wird von einer Zündkerze 37 gezündet, deren Elektro­ denspalt 38 in die Brennkammer ragt. Die Zündkerze 37 ist an eine Zündeinrichtung angeschlossen und der Zündzeitpunkt wird entsprechend den Betriebsbedingungen der Maschine eingestellt.

Beim Zünden und Expandieren des Gemisches wird der Kolben 14 nach unten getrieben. Das Abgas tritt dann durch einen Aus­ laßkanal 39 aus, der eine Auslaßöffnung 41 in der Zylinder­ buchse aufweist und in einen Auslaßkanal 42 im Zylinderblock 12 mündet. Der Auslaßkanal 42 endet am Abgasverteiler 43, von dem die Abgase zu einem nicht dargestellten Abgassystem geleitet werden, das die Abgase in die Atmosphäre abgibt, Geräusche dämpft und mit Katalysator versehen sein kann.

Entsprechend einem wesentlichen Merkmal der Erfindung ist ein Abgassteuerventil 44 im Zylinderblock 12 drehbar gela­ gert und weist einen Ventilabschnitt 45 auf, mit dem der Querschnitt der Auslaßöffnung 41 sowie der Öffnungszeitpunkt steuerbar ist. Wie insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, sind die Abgassteuerventile 44 für jeden Zylinder der Brennkraft­ maschine mit einer gemeinsamen Ventilsteuerwelle 46 verbunden. Alle Ventilsteuerwellen 46 sind mit einer Servo­ einrichtung 47 verbunden, die von der Steuereinheit 48 ein Steuersignal S erhält, um in zu beschreibender Weise die Zeiteinstellung für den Auslaßkanal zu verändern. Wenn auch die Steuerung in verschiedener Weise vorgenommen werden kann, so ist in dem Ausführungsbeispiel vorgesehen, daß die Steuereinheit 48 mit Signalen von einem Sensor 49 für die Drosselklappenstellung und von einem Sensor 51 für die Maschinendrehzahl gespeist wird.

Ist das Abgassteuerventil 44 in der voll geöffneten Stel­ lung, wie dies in ausgezogenen Linien in Fig. 2 dargestellt ist, so wird der Auslaßkanal 41 bei einem früheren Kurbel­ wellenwinkel geöffnet, wenn der Kolben 14 nach unten geht und schließt sich bei einem späteren Kurbelwellenwinkel, wenn der Kolben 14 nach oben geht, als wenn das Abgassteuerventil 44 in seiner vollen vorderen Lage ist, die in Fig. 2 gestri­ chelt und in Fig. 1 durchgezogen dargestellt ist.

In dem Zeitdiagramm der Fig. 4 sind die verschiedenen Öff­ nungszustände für den Auslaßkanal dargestellt. Der Bereich liegt zwischen einer minimalen Öffnung von 140° Kurbelwel­ lendrehung bei einem Drehwinkel von 110° nach O. T. (ge­ strichelte Lage in Fig. 2 und durchgezogene in Fig. 1) und einem maximalen Bereich von 180° für die Auslaßöffnung beginnend bei einem Winkel von 90° nach O. T.

Hieraus geht hervor, daß die Spülung der Brennkammer von Abgas um so besser ist, je größer die Öffnung des Auslaß­ kanals ist. Wenn jedoch der Auslaßkanal länger und zu einem früheren Zeitpunkt geöffnet wird, so besteht das Risiko, daß frischer vom Einspritzsystem 29 gelieferter Brennstoff aus dem Auslaßkanal 41 austritt und damit die KW-Emission an­ steigt. Das Auslaßsteuerventil 44 wird abhängig von bestimm­ ten Laufbedingungen der Maschine betätigt, ohne daß dadurch die Leistung der Maschine bei maximaler Drehzahl verringert wird.

Fig. 5 zeigt eine Drehmomentenkurve für die Maschine und zwar mehrere Drehmomentkurven bei unterschiedlichen Öff­ nungen des Auslaßkanals. Aus der Kurve e ist ersichtlich, daß das Drehmoment schnell abfällt, wenn die Drehzahl ansteigt und wenn der Auslaßkanal 41 verzögert und mit minimaler Dauer öffnet. Öffnet das Abgassteuerventil 44 zunehmend bei Anstieg der Drehzahl und der Last, so erhält man schließlich die durchgezogene Drehmomentkurve für maximale Leistung. Jedoch wird die Einspritzung 29 in der nunmehr erläuterten Weise gesteuert, um Brennstoffverlust aus dem Auslaßkanal insbesondere bei niedrigen Drehzahlen und kleinen Lasten zu vermieden, bei der sich schlechte Brennstoffausnutzung und größere KW-Emissionen ergeben. Deshalb kann durch Abstimmung zwischen dem Abgassteuerventil 44 und der Dauer der Einspritzung seitens der Einheit 29 eine größere Leistung ohne Brennstoffmehrverbrauch erzielt werden.

Fig. 3 zeigt das durchzuführende Programm, bei dem das Abgas­ steuerventil während niedriger Drehzahl und kleiner Last zeitverzögert arbeitet und die Brennstoffeinspritzung unter diesen Bedingungen verzögert wird, um sicherzustellen, daß der in die Brennkammer 26 eingespritzte Brennstoff nicht durch den Auslaßkanal 41 während des Spülvorgangs austritt. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß die Brennstoffeinspritzung bei niedriger Last und kleiner Drehzahl derart erfolgt, daß die Einspritzung lange nach Schließen des Auslaßkanals beginnt und lange vor dem Öffnen des Auslaßkanals beendet ist.

Steigt die Last bei kleinen Drehzahlen oder steigt die Dreh­ zahl bei kleinen Lasten so folgt die Kurve b für den Zeit­ punkt der Einspritzung, wonach diese früher beginnt und später endet, wobei jedoch immer das Abgassteuerventil 44 geschlossen ist.

Bei mittlerer Last der Maschine und mittleren Drehzahlen folgt die Einspritzkurve c, wonach die Einspritzung vor dem vollständigen Schließen des Auslaßkanals beginnt, doch beendet ist lang vor dem Wideröffnen des Auslaßkanals. Auf diese Weise stellt man sicher, daß der eingespritzte Brenn­ stoff den Auslaßkanal nicht zu einer Zeit erreicht, wenn dieser geöffnet wird. Es ergibt sich eine Überlappungszeit A, doch diese liegt zu Beginn der Einspritzung und bei Schließen des Auslaßkanals, so daß Brennstoff nicht aus dem Auslaßkanal austreten kann und die KW-Emission gesteuert ist. Natürlich beginnt das Abgassteuerventil seine Bewegung in Richtung zu der weniger verzögerten Position und längeren Dauer, nachdem die Last diese Bedingung erreicht.

Bei maximaler Drehzahl und maximaler Last gilt die Kurve d, wobei Brennstoff während der Zeit eingespritzt wird, in der der Auslaßkanal offen ist, doch die Brennstoffeinspritzung beendet wird lang bevor der nächste Öffnungsvorgang des Auslaßkanals beginnt, um zu gewährleisten, daß die Spülluft keinen Brennstoff aus dem Auslaßkanal zur Folge hat. Durch Vorverlegung des Beginns der Einspritzung und durch die Einspritzdauer bei steigender Drehzahl und Last, während gleichzeitig der Zeitpunkt vorverlegt wird, in dem der Auslaßkanal öffnet und die Dauer vergrößert wird wenn die Last und Drehzahl steigen, erhält man eine hohe Leistung ohne Mehrverbrauch an Brennstoff oder hohe KW-Emissionen, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen und kleiner Last. Im vorhergehenden ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, wobei Änderungen möglich sind.

Claims (8)

1. Brennkraftmaschine mit einer Brennkammer, einem Auslaßkanal für den Austritt von Abgasen aus der Brenn­ kammer, mit einer Zeiteinstellvorrichtung am Auslaßkanal zur Veränderung des Öffnungszeitpunktes des Auslaßkanals, mit einer Brennstoffeinspritzung zum unmittelbaren Einspritzen von Brennstoff in die Brennkammer und mit Mitteln zum Ab­ stimmen der Zeiteinstellvorrichtung am Auslaßkanal und der Brennstoffeinspritzung, um den Austritt von in die Brennkam­ mer eingespritztem Brennstoff aus dem Auslaßkanal unter mindestens bestimmten Laufbedingungen der Maschine zu verhindern.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeiteinstellmittel den Zeitpunkt verändern, an dem der Auslaßkanal öffnet.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt zum Öffnen des Austritts­ kanals und die Dauer der Öffnungszeit einstellbar sind.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungszeit und Zeitdauer bei niedrigen und mittleren Belastungen und niedrigen und mittleren Drehzahlen verzögert wird.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt und die Zeit­ dauer der Brennstoffeinspritzung abhängig von der Drehzahl und Last veränderlich sind.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Beginn der Brennstoffeinspritzung vorverlegt und die Dauer verlängert wird, wenn die Drehzahl und Last ansteigen.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Zweitaktmaschine mit Kurbelwellenkompression ist und die Zeiteinstellvorrichtung aus einem Abgassteuerventil besteht, das den wirksamen Öff­ nungsquerschnitt des Auslaßkanals steuert.

8. Verfahren zum Steuern des Abgasaustritts und der Brennstofeinspritzung einer Brennkraftmaschine mit einer Brennkammer, bei der der Öffnungszeitpunkt des Auslaßkanals zeiteinstellbar ist und bei der die Brennstoffeinspritzung unmittelbar in die Brennkammer erfolgt, wobei die Zeitein­ stellung für die Betätigung des Auslaßkanals und die Brenn­ stoffeinspritzung derart aufeinander abgestimmt sind, daß der Austritt von in die Brennkammer eingespritztem Brenn­ stoff aus dem Auslaßkanal unter mindestens bestimmten Laufbedingungen der Maschine verhindert wird.