DE2450977C2 - Verfahren zum Betreiben einer Viertakt-Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren zum Betreiben einer Viertakt-BrennkraftmaschineInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Viertakt-Brennmaschine, bei dem zur Verringerung des Schadstoffausstoßes bei Teillast eine Zündzeitpunktverzögerung erfolgt. Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 20 64 266 bekannt, bei der auch eine Abgasrückführung vorgesehen ist, die aber bei Teillast unterbrochen ist. Mindestens bei Bergabfahrt wird eine Kraftstoff-Anreicherung des Ansauggemisches benötigt um einen CO-Anteil des Abgases zu reduzieren und einen Rundlauf der Maschine zu erhalten.
- Aus der US-PS 33 53 524 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei dem im Leerlauf eine Spätzündung im Bereich von 5° bis 15° nach dem oberen Totpunkt eingestellt wird, bei einem etwa stöchiometrischen Verhältnis des Ansauggemisches, ohne daß der Gehalt an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas maßgeblich erhöht wird. Allerdings steigt auch hier der Kraftstoffverbrauch im Leerlauf verglichen mit demjenigen ohne Spätzündung etwas an.
- Bei beiden bekannten Verfahren wird zwar die Schadstoffemission verringert. Um den Rundlauf der Brennkraftmaschine auch bei Teillast zu erhalten, ist die Schadstoffreduktion jedoch nur begrenzt.
- Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß bei Teillastbetrieb eine stärkere Reduzierung der Schadstoffemission bei einwandfreiem Rundlauf der Brennkraftmaschine ohne Fehlzündungen erreicht wird.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Teillast die Drosselklappe weiter geöffnet wird als es der zugehörigen Maschinendrehzahl entspricht und einer daraus resultierenden Drehzahlerhöhung der Brennkraftmaschine durch die Zündzeitpunktverzögerung entgegengewirkt wird, daß der Brennkammer im Teillastbetrieb ein Luft-Kraftstoffgemisch mit überstöchiometrischem Verhältnis zugeführt wird und die Regelung der Drosselklappenöffnung und der Überlappungszeit der Öffnungsperioden der Ein- und Auslaßventile jeder Brennkammer in Abhängigkeit eines Rückstandsverhältnisses (x R ) erfolgt, das auf einem ausreichend kleinen dem Brennkraftmaschinentyp eigenen Wert gehalten wird, wobei das Rückstandsverhältnis (x R ) sich aus der Formel errechnet &udf53;vu10&udf54;°Kx°T°KR°t = @W:°KMR°kÉ:°KML°kÊ+°KMR°kÉ&udf54;&udf53;zl10&udf54;worin MR&sub1; die Menge der Gasrückstände darstellt, die aus dem vorherigen Zyklus in der Brennkammer verbleiben und ML&sub2; die Menge Frischluft darstellt, die beim folgenden Zyklus der Brennkammer zugeführt wird.
- Während man bisher das Hauptaugenmerk darauf richtete, beim Teillastbetrieb die Kraftstoffzufuhr möglichst niedrig zu halten, schlägt die Erfindung vor, die Komponenten der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von dem oben definierten Rückstandsverhältnis zu regeln, das unmittelbar von den Gasrückständen und der Frischluftmenge abhängig ist. Normalerweise würde beim Übergang vom Hochlastbetrieb bei geöffneter Drosselklappe zum Teillastbetrieb bei nahezu geschlossener Drosselklapppe aufgrund der Druckverhältnisse an den Ein- und Auslaßventilen die Menge der Gasrückstände in der Brennkammmer ansteigen. Gleichzeitig würde die zuzuführende Luftmenge geringer werden. Beide Effekte führen zu einem Ansteigen des Rückstandsverhältnisses x R. . Jede Brennkraftmaschine hat ein maschinentypisches minimales Rückstandsverhältnis x R , bei dem gerade noch ein einwandfreier Rundlauf der Maschine gewährleistet ist. Regelt man nun die Zündeinrichtung und/oder die Ventileinrichtung in Abhängigkeit vom Rückstandsverhältnis x R , und zwar so, daß dieses sich beim Übergang von Hochlast auf Teillast nicht erhöht, vielmehr im Bereich des zulässigen Minimalwertes gehalten wird, so läßt sich die Brennkraftmaschine auch im Teillastbetrieb mit einem überstöchiometrischen Gemisch im unmittelbaren Grenzbereich betreiben, bei dessen Verlassen sofort Fehlzündungen auftreten. Die Folge ist, daß die Schadstoffemission bei Teillastbetrieb sehr wesentlich reduziert wird.
- Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.
- Anhand der Zeichnung sei die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
- Es zeigt
- Fig. 1 eine grafische Darstellung des sich bei einer herkömmlichen Brennkraftmaschine mit steigendem Ansaugdruck erhöhendem Rückstandsverhältnisses,
- Fig. 2 eine grafische Darstellung, das die Beziehung zwischen dem Rückstandsverhältnis und dem Luft- Kraftstoffverhältnis veranschaulicht,
- Fig. 3 eine Ansicht einer Einrichtung zum Verändern der Ventilüberlappungszeiten und
- Fig. 4 eine Ansicht des Zündverteilers mit einer Steuerung zur Verstellung der Unterbrecher in Richtung Spätzündung.
- Es ist bekannt, daß bei einem Betrieb einer Brennkraftmaschine mit unterstöchiometrischem Gemisch, also mit einem Luft-Kraftstoffverhältnis, das für Benzin unterhalb etwa 15 liegt, der Ausstoß von Schadstoffen erheblich ist und daß beim Übergang auf ein überstöchiometrisches Gemisch der Schadstoffanteil stark abnimmt. Bei Hochlastbetrieb ist der Schadstoffausstoß bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen wesentlich geringer als im Teillastbetrieb. Das vorstehend definierte Rückstandsverhältnis x R hat einen vergleichsweise niedrigen Wert, wie am linksseitigen Beginn der in Fig. 1 gezeigten Kurve zu erkennen ist. Dieser Kurvenpunkt entspricht einer voll geöffneten Drosselklappe. Mit zunehmendem Schließen der Drosselklappe in Richtung Teillastbetrieb erhöht sich der Schadstoffausstoß und - wie Fig. 1 zeigt - auch das Rückstandsverhältnis. Das neue Verfahren hält demgegenüber das Rückstandsverhältnis X R im wesentlichen unabhängig von dem Ansaugdruck etwa konstant und zwar auf einem möglichst niedrigen Wert der jedem Maschinentyp eigen ist. Der Schadstoffausstoß wird damit auf einem Minimum gehalten, ohne daß im Teillastbetrieb Fehlzündungen auftreten.
- In Fig. 2 ist die Abhängigkeit des Rückstandsverhältnisses x R vom Luft-Kraftstoffverhältnis veranschaulicht. Die gezeigten Kurven stellen theoretische Grenzlinien verschiedener Brennkraftmaschinen in Abhängigkeit vom Luft-Kraftstoffverhältnis dar, wobei im Bereich unterhalb der jeweiligen Kurve Fehlzündungen verhindert werden, im darüberliegenden Bereich jedoch solche Fehlzündungen auftreten. Liegt bei der ausgezogenen Kurve in Fig. 2 das Rückstandsverhältnis x R oberhalb dem Wert 3, so arbeitet die Brennkraftmaschine sowohl mit unterstöchiometrischem als auch mit überstöchiometrischem Gemisch nicht fehlzündungsfrei. Um auch bei Teillast mit überstöchiometrischem Gemisch zu fahren, darf das Rückstandsverhältnis x R den Wert von etwa 2 nicht überschreiten.
- Das Rückstandsverhältnis x R kann durch verschiedene Maßnahmen beeinflußt werden. Die übliche Abgasrückführung in den Ansaugstutzen der Brennkraftmaschine vergrößert das Rückstandsverhältnis, weswegen im Teillastbetrieb die Abgasrückführung reduziert werden muß und im Leerlauf in der Regel ganz unterbrochen wird, um das Rückstandsverhältnis auf dem gewünschten kleinen Wert zu halten. Die Kombination einer Drosselklappenverstellung in Verbindung mit einer Zündverzögerung, derart, daß die Drosselklappe bei Teillastbetrieb weiter geöffnet wird als es der geforderten Last entspricht, erhöht den Ansaugdruck, womit sich der Betriebspunkt auf der Kurve gemäß Fig. 1 nach links verschiebt, was eine Verringerung des Rückstandsverhältnisses x R bedeutet. Wenn andererseits im Teillastbetrieb die Drosselklappe nahezu geschlossen ist, verbleiben mehr Gasrückstände, da der Ansaugdruck gering ist. Wenn gleichzeitig die Überlappungszeit der Öffnungsperioden der Ein- und Auslaßventile auf einem relativ großen Wert von bis zu 80°-Kurbelwellenwinkel gehalten wird, um den Kraftstoffverbrauch im Hochlastbetrieb zu reduzieren, würde sich die Frischluftmenge im Ansaugstutzen bei Teillast verringern, womit das Rückstandsverhältnis x R ansteigen würde. Verringert man nun diese Überlappungszeit der Öffnungsperioden der Ein- und Auslaßventile, so verringert sich auch das Rückstandsverhältnis x R .
- Fig. 3 veranschaulicht eine Einrichtung zum Verstellen der Überlappungszeit der Öffnungsperioden der Ein- und Auslaßventile 21, 22, die von Nockenwellen 81, 82 und deren Nocken 81 a, 82 a betätigt werden. Eine Kette 85 steht mit Zahnrädern 81 b, 82 b der Nockenwellen 81, 82 in Eingriff und umschlingt ein Antriebszahnrad 84, das zusammen mit einem zweiten Zahnrad 86 auf einer gemeinsamen Welle sitzt. Das Zahnrad 86 wird über eine Kette 83 von einem Zahnrad 87 der Kurbelwelle 88 angetrieben. Eine Kettenspannvorrichtung 215 hält die Kette 85 in gespanntem Zustand, so daß die Kette 85 in dem zwischen den beiden Nockenwellen 81, 82 befindlichen Bereich in gestreckter Lage gehalten wird. Die wirksame Länge der Kette 85 im Bereich zwischen den beiden Nockenwellen 81, 82 ist mit 223 bezeichnet und hat in Fig. 3 ihren Kleinstwert. Mit einer Kolben- Zylinderanordnung 90 kann diese wirksame Länge 223 zwischen den beiden Nockenwellen 81, 82 vergrößert werden, indem der Kolben 91 aus dem Zylindern 92 ausfährt und diesen Kettenbereich nach unten auswölbt. Der Kettenspanner 215 verstellt sich dabei entsprechend. Fährt dieser Kolben 91 aus, so wird die Winkelbeziehung zwischen den Nockenwellen 81, 82 verändert, derart, daß die Ventilüberlappungszeit vergrößert wird. Die maximal ausgefahrene Stellung des Kolbens 91 entspricht dem Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine.
- Die Betätigung der Kolbenzylinderanordnung 90 erfolgt über ein Hydrauliksystem 94 mit Tank, Pumpe, Absperrventil und einem Steuerventil 97, welches die Versorgungsleitung der Kolbenzylinderanordnung 90 wahlweise mit der Druckseite oder der Saugseite des Steuersystems 94 verbindet. Das Mehrwege-Steuerventil 97 wird mechanisch oder auch druckabhängig von der Drosselklappe 130 angesteuert. Ist der Ansaugdruck niedrig, ist die Kolbenzylinderanordnung 90 gemäß Fig. 3 über das Steuerventil 97 mit der Saugseite des Steuersystems 94 verbunden. Die Kette ist im Bereich der beiden Nockenwellen 81, 82 gespannt. Die Ventilüberlappungszeit hat ihr Minimum. Wird nun die Drosselklappe weiter geöffnet, ist der Ansaugdruck groß. Das Steuerventil 97 wird verstellt und der Kolben 91 fährt aus, wodurch die Nockenwelle 81 relativ zur Nockenwelle 82 voreilt und die Überlappungszeit der Ein- und Auslaßventile 21, 22 von einem Wert im Bereich etwa 10° bis 32° Kurbelwellenwinkel bei Teillastbetrieb auf einen Wert von 24° bis etwa 80° bei Vollastbetrieb erhöht.
- Die Zündverzögerungseinrichtung gemäß Fig. 4 umfaßt einen Zündverteiler 242 mit drehbarer Scheibe 240 innerhalb des Verteilergehäuses 241. Mit einer Membran 245 einer Druckdose 246 ist ein Stellglied 243 verbunden, das seinerseits mit der drehbaren Scheibe 240 in Verbindung steht. Die Druckdose 246 ist über eine Leitung 250 mit dem Ansaugstutzen im Bereich der Drosselklappe 130 verbunden. Wenn der Druck im Ansaugstutzen abnimmt, bewegt die Membran 245 das Stellglied 243 nach oben und dreht die Unterbrecherplatte gegen den Uhrzeigersinn, wodurch sich die Öffnungszeit der Unterbrecherkontakte im Sinne einer Zündverzögerung verändert. Hoher Ansaugdruck verstellt demgegenüber den Unterbrechersatz in Richtung Frühzündung. Der soweit beschriebene Zündverteiler 242 ist herkömmlich. Das Neue besteht darin, daß neben dem ersten Satz von Unterbrecherkontakten 251 ein zusätzlicher Satz von Unterbrecherkontakten 252 vorgesehen ist. Der erste Satz 251 ist nur bei Hochlastbetrieb aktiv. Der zweite Satz 252 ist dann unwirksam. Bei Teillastbetrieb ist nur der zweite Unterbrechersatz 252 aktiv. Der zweite Unterbrechersatz 252 ist auf der Scheibe 240 unter einem Winkel zum ersten Unterbrechersatz 251 angeordnet, sodaß sich eine Zündverzögerung von ungefähr 10° bis etwa 15° relativ zum ersten Unterbrechersatz 251 ergibt. Ein Nocken 256 des zweiten Unterbrechersatzes 252 öffnet den Kontakt etwa später als den des ersten Satzes. Zwischen beiden Unterbrechersätzen 251, 252 besteht eine Überlappungsperiode, während deren beide Sätze gleichzeitig offen sind. Der erste Unterbrechersatz 251 öffnet und schließt immer zuerst und der zweite Satz 252 öffnet nach dem ersten und schließt vor dem zweiten. Die Umschaltung zwischen den beiden Unterbrechersätzen 251, 252 erfolgt über einen Schalter 255, der mechanisch von der Drosselklappe 130 betätigt wird. Ist die Drosselklappe 130 nahezu geschlossen, ist der Schalter 255 offen und der erste Unterbrechersatz 251 ist durch das nicht aktivierte Relais 274 stromlos, während der zweite Unterbrechersatz 252 aktiviert ist. Die Zündung wird in Richtung Spätzündung verstellt, womit die Drehzahl der Brennkraftmaschine herabgesetzt wird. Wird die Drosselklappe 130 über ein bestimmtes Maß hinaus geöffnet, schließt der Schalter 255. Das Relais 274 zieht an. Der zweite Unterbrechersatz 252 wird stromlos und der erste Unterbrechersatz 251 wird aktiviert.
Claims (4)
1. Verfahren zum Betreiben einer Viertakt-Brennkraftmaschine, bei dem zur Verringerung des Schadstoffausstoßes bei Teillast eine Zündzeitpunktverzögerung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß bei Teillast die Drosselklappe weiter geöffnet wird als es der zugehörigen Maschinendrehzahl entspricht und einer daraus resultierenden Drehzahlerhöhung der Brennkraftmaschine durch die Zündzeitpunktverzögerung entgegengewirkt wird, daß der Brennkammer im Teillastbetrieb ein Luft-Kraftstoffgemisch mit überstöchiometrischem Verhältnis zugeführt wird und die Regelung der Drosselklappenöffnung und der Überlappungszeit der Öffnungsperioden der Ein- und Auslaßventile jeder Brennkammer in Abhängigkeit eines Rückstandsverhältnisses (x R ) erfolgt, das auf einem ausreichend kleinen dem Brennkraftmaschinentyp eigenen Wert gehalten wird, wobei das Rückstandsverhältnis (x R ) sich aus der Formel errechnet &udf53;vu10&udf54;°Kx°k°T°KR°t¤=¤@W:°KMR°kÉ:°KML°kʤ+¤°KMR°kÉ&udf54;&udf53;zl10&udf54;worin MR&sub1; die Menge der Gasrückstände darstellt, die aus dem vorherigen Zyklus in der Brennkammer verbleiben und ML&sub2; die Menge Frischluft darstellt, die beim folgenden Zyklus der Brennkammer zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zündzeitpunktverzögerung ein zusätzlicher Satz (252) Unterbrecherkontakte im Verteiler (242) für den Teillastbetrieb verwendet wird, und daß die Kontakte des nur bei Teillast aktiven zusätzlichen Unterbrechersatzes (252) relativ zu denjenigen eines nur bei Hochlastbetrieb aktiven ersten Unterbrechersatzes (251) um einen Winkel im Bereich von etwa 5° bis etwa 10° in Richtung Spätzündung versetzt sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlappungszeit der Öffnungsperioden der Ein- und Auslaßventile (21, 22) jeder Brennkammer im Teillastbetrieb bei abnehmendem Ansaugdruck dadurch verringert wird, daß die Länge (323) einer die beiden Nockenwellen (81, 82) für die Ein- und Auslaßventile (21, 22) antreibenden endlosen Kette (85) im Bereich zwischen den beiden Nockenwellen (81, 82) verringert und in einem anderen Bereich entsprechend vergrößert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (323) des zwischen beiden Nockenwellen (81, 82) liegenden Kettenbereiches dadurch verringert wird, daß dieser Kettenbereich aus einer gekrümmten Bahn in eine gestreckte Bahn überführt wird.
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