DE2424799A1

DE2424799A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2424799A1
Application number: DE2424799A
Authority: DE
Inventors: Konstantin Dr Ing Pattas
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1974-05-22
Filing date: 1974-05-22
Publication date: 1975-12-04
Also published as: US4056081A; DE2424799C2; JPS50160621A

Description

Daimler-Benz, Aktiengesellschaft
Stuttgart-Untertürkheim

3o. April 1974

Palm Io

Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Zündkanimer und homogener Geinischversorgung des Hauptbrennraumes.

Bei Brennkraftmaschinen der vorgenannten Art wird dor Ilauptbrennraum über den ganzen Betriebsbereich des Motores mit einem in seiner Qualität im wesentlichen gleichbleibenden, mageren Gemisch versorgt, und es wird die zur Entflammung dieses mageren Gemisches notwendige Zündenergie in der Zündkarnmer erzeugt, die mit einem annähernd stöchiometrischen und damit zündwilligen Gemisch gespeist wird.

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Die Versorgung des IIauptbrennraumes mit dem mageren, also ein großes Kraftstoff-Luftverhältnis aufweisenden Gemisch dient dazu, eine möglichst schadstoffarme Verbrennung zu erzielen. Verbunden mit diesem Vorteil ist auf der anderen Seite aber ein Abfall in der Hubraumleistung, und damit auch in der Maximalleistung des Motors.

Durch die Erfindung soll nun eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dahingehend weitergebildet werden, daß zwar für jene Bereiche, so beispielsweise den Stadt-

denen

und Kurzstreckenverkehr, in/es besonders auf eine schadstoff arme Verbrennung ankommt, die diesbezüglichen Vorteile der bekannten Brennkraftmaschinen beibehalten werden, daß andererseits aber auch hiervon unabhängig eine maximale Leistungsausbeute ermöglicht wird.

Gemäß der Erfindung wird dies bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß das Kraftstoff-Luftverhältnis der Verbrennung abhängig von der Belastung des Kotores zumindest über einen Teil des Drehzahlbereiches derart gesteuert wird, daß es mit zunehmender Belastung ausgehend von der oberen Grenze eines unteren Lastbereiches, in dem ein in Annäherung konstantes, großes Kraftstoff-Luftverhältnis gegeben iet, verkleinert wird.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung, die insbesondere für Fahrzeuge mit in bezug auf das Fahrzeuggewicht starker Motorxsierung in Frage kommt, ermöglicht ih einfacher Weise einen schadstoffarmen Betrieb im unteren Lastbereich

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des Motores, der im wesentlichen für den Stadt- und Kurzstreckenverkehr von Bedeutung ist, und sie macht andererseits auch die maximale Leistungsausbeute zumindest für den hohen Lastbereich möglich, so daß trotz im wesentlichen schadstoff arniesa Betriebes für Lberholvorgänge oder Notsituationen eine snaxiffiele Leistung eingesetzt werden kann.

In Ausgestaltung der Erfindung kann darüber hinaus die Steuerung des Kraftstoff-Luftverhältnisses in dem vorgenannten Sinne auf den unteren Drehzahlbereich beschränkt bleiben, so daß im höheren Drehzahlbereich, der insbesondere bei tlberlandfahrten von Bedeutung ist, über den ganzen Lastbereich mit einem annähernd stöchiotnetrischen Gemisch gefahren werden und somit auch im Hinblick auf Beschleunigung und Endgeschwindigkeit eine maximale Leistungsausbeute erreicht werden kann. Das Kraftstoff-Luftverhältnis wird damit im oberen Drehzahlbereich etwa konstant gehalten.

Die erf indungsgeniäße Steuerung des Kraftstoff-Luftverhältnisses in Abhängigkeit von der Belastung des Motores läßt sich bei Brennkraftmaschinen, bei denen zur homogenen Versorgung des Hauptbrennraumes mit einem Gemisch ein Vergaser vorgesehen ist, in einfacher Weise dadurch erreichen, daß dem Vergaser ein Luftb>ypaß zugeordnet wird, deren Querschnitt in Abhängigkeit von der Drosselklappen-Stellung des Vergasers veränderbar ist. Die Veränderung des Querschnittes de* Luftbypaeeee iet dabei in einfacherwWeise über eine als Drosselklappe wirkende Luftklappe zu erreichen.

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Ein besonders einfacher Gesamtaufbau ergibt sich hierbei, wenn die Luftklappe zusammen mit der Drosselklappe des Vergasers einstellbar ist. Zur Verstellung der Luftklappe ist dabei mit Vorzug ein Stellnocken vorgesehen, der zusammen mit der Drosselklappe des Vergasers über eine übliche Pedalsteuerung einstellbar ist.

Die gemeinsame Steuerung der Drosselklappe des Vergasers und der Luftklappe läßt sich dabei in einfachster Weise dadurch erreichen, daß die Drehachse der Drosselklappe und die Drehachse des Stellnockens zusammenfallen. Di· über den Nocken zu erreichende Steuercharakterietik für die Luftklappe ist etwa derart, daß diese ausgehend von ihrer geschlossenen Stellung zunächst mit zunehmender Öffnung der Drosselklappe geöffnet .wird, etwa an der oberen Grenze des unteren Lastbereiches voll offen ist und dann wieder geschlossen wird, derart, daß die Schließstellung etwa bei voller Droaselklappenöffnung erreicht ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Luftklappe in Abhängigkeit von der Droseelklappenetellung sowie zusätzlich drehzahlabhängig derart gesteuert werden, daß der Öffnungswinkel der Luftklappe ab einer vorgegebenen Grenzdrehzahl nach oben begrenzt ist.

Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren erfindungsgemäßen Einzelheiten anhand der Zeichnungen erläutert« Es zeigen:

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Fig. 1 in einer schematisierten Schnittdar-

etellung den oberen Teil eines Zylinders einer Brennkraftmaschine mit Zündkarnmer,

Fig. 2 eine schematisierte Draufsicht auf

eine Brennkraftmaschine gemäß Fig. 1, wobei die dem. Ein- und Auslaß zugeordneten Kanäle ebenfalls schematisch dargestellt sind,

Fig. 3 im Schema einen Schnitt durch einen

'Vergaser mit zusätzlicher Luftkorrektur, wie er in Fig. 2 schematisch angedeutet ist,

Fig. 4 eine Pedalsteuerung für den Vergaser

mit Luftkorrekturνgemäß Fig. 3«

Fig. 5 ein Diagramm, in dem die Öffnungswin

kel der Drossel- und Luftklappe des Vergasers mit zusätzlicher Luftkorrektur über dem Pedalweg dargestellt sind,

Fig. 6 ein weiteres Diagramm mit über der

Drehzahl aufgetragenen Drehmomentkurven, wobei diese Drehmomentkurven Verhältnislinien des jeweils eingestellten Kraftstoff-Luftverhältnisses.entsprechen,

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Fig. 7 eine der Fig. k entsprechende Pedal

steuerung für einen Vergaser mit
Luftkorrektur, wobei die Luftkorrektur in Abhängigkeit von der Stellung der Drosselklappe und der Drehzahl erfolgt,

Fig. 8 eine der Fig. 5 entsprechende Dia—

grammdarstellung für eine Steuerung gemäß Fig. 7,

Fig. 9 eine der Fig. 6 entsprechende Dia

grammdarstellung für eine Steuerung gemäß Fig. 7«

In der in Fig. 1 gezeigten Schemadarstellung ist eine
Brennkraftmaschine mit einer Zündkammer 1 dargestellt, die auf den Hauptbrennraum 2 eines Zylinders 3 ausmündet, in dem ein Kolben k in üblicher Weise verschiebbar angeordnet ist. Zur Steuerung des Gaswechsels dient im AusfüHrungsbeispiel gemäß Fig. 1 ein Einlaßventil 5 und ein Auslaßventil 6. Der Zündkammer 1 ist eine Zündkerze 7 zugeordnet.

Die Anordnung einer Zündkammer 1, die im Vergleich zum Volumen des Hauptbrennraumes verhältnismäßig klein ist und vorzugsweise etwa 5 % dem gesamten Drennraunvolumens ausmacht, gibt bei gesonderter Versorgung derselben mit einem gut zündfähigen, vorzugsweise etwa stöchiometrischon Gemisch die Möglichkeit, den Hauptbrennraum mit
einem verhältnismäßig mageren, schlechtzündfähigem Gemisch zu versorgen und dennoch eine gute Durchbrennung

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des Gesamt genii s ehe s zu erreichen, da die Zündenergie bei einer derartigen Stichflammenzündung wesentlich größer ala bei Zündung mittels einer Zündkerze ist.

Die Abmagerung des Gesamtgemisches, die durch die Verwendung einer Zündkommer möglich ist, erweist sich im Hinblick auf die Verringerung der Maximaltemperaturen, und die damit verbundene Verringerung der NO-Emission als zweckmäßig. Die Verringerung der toaximaltemperatur bedingt allerdings auch ein Absinken der Leistung, zumal durch die Abmagerung des Gesamtgemisches auch die Verbrennung bis weit in die Expaneionsphase hinein verschleppt wird und dadurch der Prozeßwirkungsgrad bei Erhöhung der Abgasenthalpie verschlechtert wird.

In Fig. 2 istk nun eine mehrzylindrige, gemäß Fig. 1 gestaltete Brennkraftmaschine gezeigt, und es sind hier wiederum, nunmehr allerdings in Draufsicht, die Ein- und Auslaßventile sowie die Zündkammer angedeutet. Für diese Teile finden die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 Verwendung. An die Zündkatnmern 1 schließen dabei jeweils Ansaugleitungen 8 an, während über die Einlaßventile 5 die entsprechenden Einlaßkanäle 9 gesteuert werden. 'Die über die Auslaßventile 6 gesteuerten Auslaßkanäle sind mit Io bezeichnet* Ansaugleitungen 8, Einlaßkanäle 9 und Auslaßkanäle Io sind jeweils zusammengefaßt und es gehen die Ansaugleitungen 6 von einem kleinen Vergaser 11 aus, der vorzugsweise ohne Drosselung arbeitet und der zur Versorgung der Zündkammern mit einem gleichbleibenden, etwa stöchiometrischen

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und damit gut zündfähigen Gemisch dient. Die Einlaßkanäle 9 gehen von einem Vergaser 12 aus, der einen Luftby— paß 13 aufweist, dessen freier üffnungequerschnitt, wie insbesondere Fig. 3 zeigt, über eine als Drosselklappe ^wi**kende Luftklappe l4 steuerbar ist. In dem zur Gemischaufbereitung dienenden Teil 15 des Vergasers ist zur Steuerung des freien Einströmquerschnittes eine Drosselklappe l6 vorgesehen. Das in seiner Qualität, d.h. also im Hinblick auf sein Kraftstoff-Luftverhältnis im wesentlichen konstante, im Teil 15 erzeugte Gemisch kann nun aufgrund des vorgesehenen Luftbypasses 13 in seiner Zusammensetzung verändert werden, wobei diese Veränderung durch entsprechende Steuerung der Luftklappe l4 in Abhängigkeit von der Drosselklappe l6 erreichbar ist. Entsprechende Steuereinrichtungen zeigen die Fig. 4 und 7«

Bezogen auf eine Anordnung gemäß Fig. 3 iet aus Fig. 4 eine Betätigung für die Drosselklappe l6 «reichtlich, bei der ein auf der Drosselklappenwelle l8 angeordneter Stellhebel 19 über ein Verbindungsglied 2o mittels eines Pedales 17 verstellbar ist. Der drehfest auf der Welle l8 angeordnete Stellhebel 19 ist auf seiner vom Anschluß des Verbindungsgliedes 2o abgelegenen Seite nokkenartig ausgebildet und dient somit als Nocken 21. Die Auflaufkurve 22 des Nockens 21 wirkt mit dem Anschlag eines Einstellhebels 24 zusammen, der auf der Welle 25 der Luftklappe l4 gelagert ist und über den die Luftklappe l4 verstellbar ist. Die Verstellwinkel des Stellhebels 19t bzw. des von diesem auch gebildeten Nockens und des Einstellhebels 24 sind mit cA^und ρ bezeichnet.

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Die Auflauf kurve 22 des Nockens 21 ist dabei derartig gestaltet, daß beim Niederdrücken des Pedales 17 in Richtung des Pfeiles 26, also beim Öffnen der Drosselklappe l6 zunächst auch die Luftklappe ik geöffnet wird und daß nach Erreichen der maximalen Cffnungsstellung/aie Luftklappe l4 die Avflaufkurve 22 derart abfällt, daß bei maximaler üffnungsstellung der Drosselklappe l6 die Luftklappe lk geschlossen ist. Die prinzipielle Zuordnung der Verstellwinkel (h. und β ist im Diagramm gemäß Fig. 5 dargestellt.

Das Diagramm gemäß Fig. 6 läßt nun die Auswirkungen dieser Maßnahme auf das Kraftstoff-Luftverhältnis erkennen, mit dem der Hauptbrennraum über die Einlaßkanäle 9 versorgt wird.

Hier ist zunächst ersichtlich_> daß entsprechend dem aus Fig. 5 erkennbaren Versatz zwischen Beginn des Öffnen« der Drosselklappe 16 und Beginn des Öffnen« der Luftklappe lk ein Bereich 27 vorgesehen ist, in dem das Gemisch, mit dem der Hauptbrennraum über die Kanäle 9 versorgt wird, in seinem Kraftstoff-Luftverhältnis dem Gemisch entspricht, das in dem zur Gemischaufbereitung dienenden Teil 15 des Vergasers 12 erzeugt wird. Es liegt also im Bereich 27 im wesentlichen ein stöchiometrisches Gemisch vor, durch das ein guter Übergang aus dem Leerlaufbetrieb erreicht wird. In dem darüberliegenden Bereich 28 wird mit abgemagertem Gemisch gefahren, da nunmehr entsprechend dem Diagramm gemäß Fig. 5 die Luftklappe lk mit der Drosselklappe l6 geöffnet wird· Die Zuordnung der Öffnungswinkel ist dabei so gewählt, daß im Bereich 28

emiach gegeben ist _e das in bezug auf

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sein Kraftstoff-Luftverhältnis bevorzugt nahe der Zündbarkeitsgrenze liegt und dementsprechend mager ist. Hierdurch ergibt sich im Bereich 28 eine sehr magere Verbrennung, die eine geringe NO-Emission zur Folge hat, die aber aufgrund der erreichten guten Durchbrennung auch zu geringen CO- und HC-Emissionen führt.

Auegehend von der oberen Grenze dieses unteren Lastbereiches 28, in dem insbesondere bei schwereren Motoren im Stadt— und Kurzstreckenverkehr in der Hauptsache gefahren wird, wird das über die Kanäle 9 zugeführte Gemisch in bezug auf sein Kraftstoff-Luftverhältnis nunmehr angereichert, und zwar dadurch, daß gegenläufig zur Drosselklappe 16 die Luftklappe ΐΛ beim weiteren Öffnen der Drosselklappe 16 geschlossen wird. Hierdurch ergibt sich eine Gemischanreicherung, die bei maximaler Öffnungsstellung der Drosselklappe l6 und geschlossener Luftklappe 14 ein nahezu stöchiometrischea Kraftstoff-Luftverhältnis zur Folge hat. Entsprechend den Diagrammen gemäß Fig. 5 und 6 ergibt eich dabei ausgehend von der oberen Grenze des unteren Lastbereiches 28 zunächst ein Dereich 29} innerhalb dessen das Kraftstoff-Luftverhältnis zunächst bis zum Grenzwert λ » 1 angereichert wird. Oberhalb dieses Bereiches 29, der nach oben durch die Grenzkurve 30 begrenzt ist, die einer Lastlinie mit 9o bis 95 % Last entspricht, ergibt sich dann noch ein schmaler Bereich 31, in dem sich bei geschlossener Luftklappe lk ein

Gemisch mit einem Kraftstoff-Luftverhältnis von etwa 0,9 einstellt.

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Vnährend bei der Auegestaltungsform gemäß Fig. 4 bis 6 die ausschließlich lastabhängige Steuerung über den ganzen Drehzahlbereich erfolgt, ist in den Fig. 7 eine Steuerung gezeigt, die zusätzlich eine drehzahlabhängige Steuerung ermöglicht, und zwar derart, daß im oberen Drehzahlbereich über den ganzen Lastbereich ein Kraftstoff-Luftver-

von

hältnis/etwa 1 gegeben ist, während im unteren Drehzahlbereich eine Steuerung gemäß dem Aueführungsbeispiel nach Fig. 4 bis 6 erfolgt.

Dies wird gemäß Fig. 71 in der, wie auch in den Fig. δ und 9 zu den Fig. 4 bis 6 analoge Dezugszeichen Verwendung finden, dadurch erreicht, daß der Einstellhebel 24a zwar auf der Welle 25 der Luftklappe l4 gelagert ist, mit dieser aber nicht drehfest verbunden ist. Die Verbindung in Drehrichtung erfolgt vielmehr über einen Zwischenhebel 32, welcher über ein Federglied 33 verschwenkbar mit dem Einstellhebel ?4agekuppelt ist. Die federnde Verbindung zwischen dem Zwischenhebel 32 und dem Einstellhebel 24a ist derart gestaltet, daß eine Verschwenkung der Drosselklap-

in Offnungsrichtung
pe lo/kein zwangsweises Verschwenken der Luftklappe l4 mit sich bringt, wenn der Schwenkweg de* Zwischenhebels begrenzt wird. Eine solche Begrenzung kann abhängig von

der Drehzahl der Brennkraftmaschine über den Fliehkraftin
regler 34 erfolgen, der/nicht näher dargestellter Weise mit der Brennkraftmaschine antriebeverbunden ist und der über einen Anschlag 35 den Schwenkweg des Zwischenhebele in Offnungsrichtung der Luftklappe l4 begrenzt.

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Dies hat zur Folge, daß die zusätzliche Zuführung von Luft über den Luftbypaß 13 auf den unteren Drehzahlbereich beschränkt ist, so daß eich lediglich für diesen eine Steuerung des Kraftstoff-Luftverhältnissee gemäß der Erfindung ergibt, wobei sich in diesem Bereich Kraftstoff-Luftverhaltniese gemäß Fig.. 6 einstellen. Die entsprechenden Bereiche sind mit 27a, 28a und 29a bezeichnet. Die obere Grenzkurve ist in Fig· 9 analog zu Fig. 6 mit 3oa bezeichnet.

In dem Bereich, in dem gemäß dem Diagramm nach Fig. 8 aufgrund der drehzahlabhängigen Absteuerung der Luftbypaß 13 nahezu geschlossen ist und der mit j6 bezeichnet ist, ist ein nahezu stöchiometrisches Kraftstoff-Luftverhältnis gegeben, so daß in den höheren Drehzahlbereichen keine abmagerungsbedingte Minderung der Leistung hingenommen werden muß·

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Claims

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Ansprüche

ί 1J Brennkraftmaschine mit Zündkammer und homogener Gemischversorgung des Hauptbrennraumes, dadurch gekennzeichnet , daß das Kraftstoff-Luft verhältnis der Verbrennung abhängig von der Belastung des Motores zumindest über einen Teil des Drehzahlbereiches derart gesteuert wird, daß es mit zunehmender Belastung ausgehend von der oberen Grenze eines unteren Lastbereiches (2G₁ 28a), in dem ein in Annäherung konstantes,-großes Kraftstoff-Luftverhältnis gegeben ist, verkleinert wird.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichne t , daß eine Steuerung des Kraftstoff-Luftverhältnissee lediglich für den unteren Drehzahlbereich vorgesehen ist.
3· Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennze ichnet , daß das Kraftstoff-Luftverhältnis im oberen Drehzahlbereich etwa konstant ist.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftstoff-Luftverhältnis im oberen Drehzahlbereich etwa stöchiometrisch ist.

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5« Drennkraftmaachine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der zur homogenen Versorgung des Hauptbrennrauniee mit einem Gemisch ein Vergaser vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet , daß dem Vergaser (12) ein Luftbypaß (13) zugeordnet ist, dessen Querschnitt in Abhängigkeit von der Stellung der Drosselklappe (l6) des Vergasers veränderbar ist.
6. Drennkraftmaschine nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß der Querschnitt des Luftbypasses (13) über eine als Drosselklappe wirkende Luftklappe (lk) veränderbar ist.
7· Drennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Luftklappe (lk) zusammen mit der Drosselklappe (l6) des Vergasers einstellbar ist.
8. Drennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß zur Verstellung der Luftklappe (l4) ein Stellnocken (21) vorgesehen ist, der zusammen mit der Drosselklappe (l6) des Vergasers einstellbar ist.
9· Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Drehachse (l8) der Drosselklappe (l6) des Vergasers und die Drehachse des Stellnockens (21) zusammenfallen.

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- 15 - Daitn Io Πβ/k
10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 9» dadurch gekennze lehne t , daß die Luftklappe (ik) ausgehend von ihrer geschlossenen Stellung zunächst mit zunehmender Öffnung der Drosselklappe (l6) öffnet, etwa an der oberen Grenze des unteren Lastbereiches (2ß) voll offen ist und dann derart geschlossen wird, daß die Schließstellung etwa bei voller Öffnung der Drosselklappe (l6) erreicht ist·
11. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis Io, dadurch gekennzeichnet , daß die Luftklappe ilk) in Abhängigkeit von der Stellung der Drosselklappe (l6) sowie drehzahlabhängig derart gesteuert wird, daß der Öffnungswinkel der Luftklappe ab einem vorgegebenen Drehzahlgrenzwert nach oben begrenzt ist.

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