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DE4030768C2 - Zweitakt-Dieselmotor - Google Patents

Zweitakt-Dieselmotor

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Publication number
DE4030768C2
DE4030768C2 DE4030768A DE4030768A DE4030768C2 DE 4030768 C2 DE4030768 C2 DE 4030768C2 DE 4030768 A DE4030768 A DE 4030768A DE 4030768 A DE4030768 A DE 4030768A DE 4030768 C2 DE4030768 C2 DE 4030768C2
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DE
Germany
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fuel injection
compression ratio
engine
diesel engine
cylinder
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Hideaki Ito
Masanori Miyamoto
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Yamaha Motor Co Ltd
Original Assignee
Yamaha Motor Co Ltd
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Publication date
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zweitakt-Dieselmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Steuerung eines Zweitakt-Dieselmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 8.
Bei einem Zweitakt-Dieselmotor wird nur die Ansaugluft zuerst komprimiert und anschließend durch die Spülkanäle bzw. Spülöffnungen in die Verbrennungskammer des Zylinders eingeführt und wird sodann dort in der Verbrennungskammer weiter komprimiert, während bei hoher Temperatur, die durch diese Verdichtung verursacht wird, Kraftstoff in die Verbrennungskammer eingespritzt wird, um durch Selbstentzündung verbrannt zu werden.
Diesbezüglich ist in der japanischen Patentanmeldung S63-65121 eine Anordnung zur Verbesserung der Startfreudigkeit und der Ausgangsleistung eines derartigen Dieselmotors gezeigt, in dem das Verdichtungsverhältnis auf einen niedrigeren Wert innerhalb eines Hochgeschwindigkeits- bzw. Hochdrehzahl- Betriebsbereiches des Motors begrenzt wird, während das Verdichtungsverhältnis innerhalb des Motorbetriebsbereiches vom Start bis zu einer niedrigen bis mittleren Drehzahl bzw. Geschwindigkeit der Motorbetätigung erhöht wird.
In dem Fall, in dem das Verdichtungsverhältnis in dem Bereich vom Start des Motors bis zu einer niedrigen bis mittleren Drehzahl der Motorbetätigung erhöht wird, wird, da die Verdichtungstemperatur der Luft zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung höher wird, die Zündfähigkeit verbessert und die Zündverzögerungsdauer wird verkürzt. Da die Verbrennungsgeschwindigkeit demzufol­ ge plötzlich erhöht wird und auch die Verbrennungstemperatur höher wird, reagieren der Stickstoff und der Sauerstoff miteinander innerhalb der Verbrennungskammer, wodurch sich in nachteiliger Weise eine Erhöhung des Stickoxidausstoßes (NOx) ergibt. Mit dem Anstieg der Verbrennungstemperatur sind außerdem Nachteile derart verbunden, daß das Klopfgeräusch (Nageln), das für Dieselmotoren charakteristisch ist, lauter wird.
Aus der Druckschrift DE 32 15 169 A1 ist eine Zweitakt-Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Kurbelgehäusevorverdichtung und einer Zündkerze bekannt. Um bei einem Startvorgang, d. h. bei einer niedrigen Drehzahl der Brennkraftmaschine die Verdichtung zu reduzieren und somit den Startvorgang zu erleichtern, ist zwischen der Oberkante eines Überstromkanals und dem oberen Totpunkt eines Kolbens eine Bohrung bzw. eine Nut entlang der Zylinderwand vorgesehen, die einen vorgegebenen geringen Quer­ schnitt aufweist. Diese Bohrung bzw. Nut verbindet den Hochdruckkompressionsraum im Zylinder mit dem Niederdruckkompressionsraum in dem Kurbelgehäuse bzw. in dem Überstromkanal. Durch den gewählten geringen Querschnitt der Bohrung bzw. der Nut wird das Verdichtungsverhältnis während des Startvorgangs entscheidend verringert, während bei Betriebsdrehzahl die Verringerung der Verdichtung vernachlässigbar ist.
Aus der Druckschrift US 48 41 936 ist eine Kraftstoff-Einspritzsteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem konstanten Verdichtungsverhältnis bekannt. Diese Steuervorrichtung steuert die Kraftstoffeinspritzmenge sowie die Kraftstoffeinspritzzeit in Abhängigkeit der Motordrehzahl, der Motorlast, des Drucks im Ansaugkanal der Kühl­ wassertemperatur und des Kraftstoffdrucks im Einspritzsystem.
Aus den Druckschriften US 47 60 830 und US 47 63 630 ist ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Steuerung eines Kraftstoffzündzeitpunkts in einem Dieselmotor mit konstan­ tem Verdichtungsverhältnis bekannt. Dabei wird auf Grundlage der Betriebsparameter, wie beispielsweise der Motordrehzahl und der Motorlast, ein Zündzielzeitpunkt bestimmt. Der tatsächliche Zündzeitpunkt wird durch einen entsprechenden Sensor ermittelt und mit dem Zündzielzeitpunkt verglichen. Auf Grundlage dieses Vergleichs werden die Kraftstoffeinspritzparameter korrigiert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zweitakt-Dieselmotor und ein Verfahren zur Steuerung eines Zweitakt-Dieselmotors der jeweils eingangs genann­ ten Art anzugeben, bei dem der Stickoxidausstoß innerhalb eines Betiebsbereiches des Motors vermindert werden kann, indem dieser ein erhöhtes Verdichtungsverhältnis be­ sitzt und bei dem die Erzeugung des Klopf- oder Nagelgeräusches zumindest beträcht­ lich eingeschränkt werden kann.
Die Aufgabe wird bei einem Zweitakt-Dieselmotor der eingangs genannten Art erfin­ dungsgemäß durch die planzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Weiterhin wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Steuerung eines Zweitakt- Dieselmotors der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 8 gelöst.
Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, durch die Erhöhung der Spätverstellung der Kraftstoffeinspritzung eine gleichmäßige und verlangsamte Verbrennung des Luft­ kraftstoffgemisches zu erreichen und so eine Stickoxidemission zu vermindern.
Vorzugsweise weist der erfindungsgemäße Zweitakt-Dieselmotor eine Steuereinrichtung auf, die in Abhängigkeit von den Motorbetriebszustand repräsentierenden Parametern einerseits einen Schrittmotor zur Ansteuerung einer Ventilbetätigung von einem Abgaskanal jeweils steuernden Ventilen zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses sowie eine Erregerwicklung einer Elektromagnetspule ansteuert, die ihrerseits einen Stellkolben eines Spritzverstellers beeinflußt.
Weitere, bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den übrigen Unteransprüchen dargelegt.
Ein Zweitakt-Dieselmotor nach der vorliegenden Erfindung ist insbesondere insofern vorteilhaft, als dadurch, daß die Größe der Verzögerung der Kraftstoffeinspritzung zeitweilig erhöht wird wenn das Verdichtungsverhältnis auf ein höheres Verdichtungsverhältnis geändert wird, die Verbrennung innerhalb der Verbrennungskammer langsam wird, und durch die Vergrößerung der Einspritzverzögerung die Verkürzung der Einspritzverzögerung wieder kompensiert wird, die aus der Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses resultiert.
Daher kann, da eine abrupte Verbrennung innerhalb des Verbrennungsraumes beschränkt wird, die Verbrennungstemperatur niedriger gehalten werden und der Stickoxidausstoß kann vermindert werden. Da außerdem die Verbrennungstemperatur niedriger wird, tritt ein Klopfen oder Nageln des Motors weniger auf und das Klopf- oder Nagelgeräusch kann vermin­ dert werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Zweitakt-Dieselmotors nach einem Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines Steuersystems für ein Öffnungs-/Schließ-Ventil auf der Motorseite und des Zeitgebers auf Seiten einer Kraftstoffeinspritzpumpe bei einem Zweitakt-Dieselmotor nach Fig. 1,
Fig. 3 ein Kennliniendiagramm, das den Motorbetriebsbereich zeigt, in dem das Verdichtungsverhältnis erhöht werden soll,
Fig. 4 ein Diagramm, das die Größe der Verzögerung des Zeitpunktes der Kraftstoffeinspritzung in Abhängigkeit von der Motordrehzahl zeigt,
Fig. 5 ein Diagramm, das die Größe der Verzögerung des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes in Abhängigkeit von der Motorlast zeigt,
Fig. 6 ein Diagramm, das die Emissionscharakteristik an Stickoxiden (NOx), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoff (HC) in einem Fall zeigt, in dem der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung verzögert ist,
Fig. 7 ein Ablaufdiagramm, das den Inhalt eines durch einen Mikrocomputer abgearbeiteten Steuerungsablaufes zeigt,
Fig. 8 eine Schnittdarstellung einer Kraftstoffeinspritzpumpe des Dieselmotors nach Fig. 1,
Fig. 9 eine Vorderansicht des Dieselmotors nach Fig. 1,
Fig. 10 eine Draufsicht des Dieselmotors nach Fig. 1, und
Fig. 11 ein Diagramm, das die Größe der Verzögerung eines Kraftstoffeinspritzzeitpunktes in Abhängigkeit von der Motordrehzahl für ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines Zweitakt-Diesel­ motors wird zunächst anhand der Fig. 1 bis 10 erläutert. Wie insbesondere aus den Fig. 1, 2, 9 und 10 ersichtlich ist, zeigt dieses einen Dreizylinder-Zweitakt-Dieselmotor für Kraftfahrzeuge mit einem Kurbelgehäuse 1, in dem eine Kurbelwelle 2 aufgenommen ist. Das Kurbelgehäuse 1 ist mit einem Zylinderblock 3 verbunden, der durch einen Zylinderkopf 4 nach oben abgeschlossen ist. Innerhalb des Zylinderblockes 3 sind drei Zylinder 5 in Reihenanordnung in axialer Richtung der Kurbelwelle 2 und parallel zueinander angeordnet, wobei ein Kolben 6 jedes Zylinders durch eine Pleuelstange 7 mit einem Kurbelzapfen 2a der Kurbelwelle 2 verbunden ist.
Zwischen einem Kopfabschnitt des Kolbens 6 und dem Zylinderkopf 4 wird jeweils ein Verbrennungsraum bzw. eine Verbrennungskammer 8 in jedem Zylinder 5 begrenzt. In dem Zylinderkopf 4 ist jeweils eine Vorbrennkammer 9, die eine Wirbelkammer bildet, vorgesehen, welche mit dem jeweiligen Verbrennungsraum 8 verbunden ist. Ferner sind jeweils ein Kraftstoffeinspritzventil 10 und eine Glühkerze 11 angeordnet, die in die Vorbrennkammer 9 hineinweisen.
Der Zylinderblock 3 besitzt eine Mehrzahl von sich durch diesen hindurch erstreckenden Spülkanälen 12. Ein Ende jedes Spülkanales 12 befindet sich auf der Innenfläche des jeweiligen Zylinders 5, so daß er durch den zugehörigen Kolben 6 geöffnet oder geschlossen wird und das andere Ende jedes dieser Spülkanäle 12 öffnet sich in den Kurbelraum 13 innerhalb des Kurbelgehäuses 1.
Der Zylinderblock 3 besitzt auch einen Hauptabgaskanal 14 und einen Hilfs- oder Unter-Abgaskanal 15, die sich durch den Zylinderblock 3 erstrecken. Ein Ende jedes dieser Abgaskanäle 14 und 15 öffnet sich auf der Innenfläche des jeweiligen Zylinders 5, so daß er durch den Kolben 6 geöffnet oder verschlossen werden kann und das andere Ende des Hauptabgaskanales 14 öffnet sich zur Außenseite des Zylinderblockes 3 hin. Ein Ende des Hilfs- oder Unterabgaskanales 15 ist in Richtung zu dem Zylinderkopf 4 hin verlagert, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, so daß er höher angeordnet werden kann als der Hauptabgaskanal 14 und das andere Ende dieses Hilfsabgaskanales 15 öffnet sich in den Hauptabgaskanal 14.
Mit jedem der Hauptabgaskanäle 14 jedes Zylinders 5 ist ein Auspuffrohr 21 verbunden.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, erstreckt sich durch den Zylinderblock 3 eine kreisförmige Durchgangsbohrung 16, die an einer Stelle entsprechen dem Mittelabschnitt des Hilfs- bzw. Unter-Abgaskanales 15 angeordnet ist und die sich quer durch diesen Hilfsabgaskanal 15 in axialer Richtung der Kurbelwelle 2 erstreckt, wobei in der Durchgangsbohrung 16 Öffnungs-/Schließ-Ventile 17 angeordnet sind, die eine Änderungseinrichtung für das Kompressionsverhältnis bzw. Verdichtungsverhältnis bilden. Die Öffnungs-/Schließ-Ventile 17 sind zylindrisch ausgebildet und um ihre jeweilige Achse drehbar innerhalb der Durchgangsbohrung 16 angeordnet und sind miteinander durch Verbindungsteile 18 verbunden. Jedes Öffnungs-/Schließ-Ventil 17 hat diametral eine Verbindungsbohrung 19, die das Ventil 17 an einer Stelle durchsetzt, welche dem Hilfsabgaskanal 15 zugewandt ist und jedes Öffnungs-/Schließ-Ventil 17 kann durch einen Schrittmotor 20 zwischen seiner Offen-Stellung, in der die obige Verbindungsbohrung 19 mit dem Hilfsabgaskanal 15 kommunizierend übereinstimmt, und seiner Schließstellung, in der die vorgenannte Verbindungsbohrung 19 gegenüber dem Hilfsabgaskanal 15 verlagert und nicht mit diesem kommunizierend verbunden ist, drehbetätigt werden.
Das Kurbelgehäuse 1 besitzt auch eine Ansaugöffnung bzw. einen Ansaugkanal 22, ausgebildet derart, daß diese bzw. dieser sich in den Kurbelraum 13 für jeden Zylinder 5 öffnet. Wie Fig. 10 zeigt, sind die Ansaugöffnungen 22 in einer Reihe in axialer Richtung der Kurbelwelle 2 angeordnet und jeder von ihnen ist mit einem Reed-Ventil 23 versehen, welches eine Strömung der Ansaugluft nur in Richtung der Kurbelkammer 13 ermöglicht. Mit den Ansaugöffnungen 22 sämtlicher Zylinder 5 ist ein Ansaugverteiler 24 verbunden, der über ein Ansaugrohr 25 aus Gummi mit einem Luftreiniger 26 verbunden ist.
Demzufolge wird, wenn der jeweilige Kolben 6 in seinen Kompressionshub gelangt, und somit ein Vakuum innerhalb des Kurbelraumes 13 erzeugt wird, die Luft, die durch den Luftreiniger 26 angesaugt wird, in den Kurbelraum 13 eingesaugt, anschließend, nachdem sie primär in dem Kurbelraum 13 komprimiert worden ist, wird die Ansaugluft in die Verbrennungskammer 8 durch den jeweiligen Spülkanal 12 eingeführt.
Auf der anderen Seite ist das Kraftstoffeinspritzventil 10 jedes Zylinders 5 am Zylinderkopf 4 durch ein Kraftstoffeinspritzrohr 31 mit einer Kraftstoffeinspritzpumpe 32 vom Verteilertyp verbunden, wobei Einzelheiten der Kraftstoff-Einspritzpumpe 32 in Fig. 8 dargestellt sind.
In Fig. 8 bezeichnet das Bezugszeichen 33 ein Pumpengehäuse, in das eine Antriebswelle 34 eingesetzt ist, welche durch die Kurbelwelle 2 angetrieben wird. Die Antriebswelle 34 treibt rotierend die Drehförderpumpe 35 in dem Pumpengehäuse 33 an, wobei diese Rotorpumpe 35 ausgelegt ist, um Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 36 anzusaugen und diesen in eine Niedrigdruck-Kraftstoffkammer 37 in dem Pumpengehäuse 33 zu fördern.
Mit einem Ende der Antriebswelle 34 ist eine scheibenförmige Nockenplatte 39 durch eine Kupplung 38 verbunden. Die Nockenplatte 39 hat eine der Anzahl der Zylinder 5 entsprechende Anzahl von Scheibennocken 40, d. h. drei Scheibennocken, die auf einer Endfläche der Nockenplatte 39 ausgebildet sind und eine Mehrzahl von Rollen 41 ist im Kontakt mit dieser Endfläche der Nockenplatte 39. Die Rollen 41 sind durch einen ringförmigen Rollenhalter 42 gelagert, der durch das Pumpengehäuse 33 drehbar um seine Achse aufgenommen ist.
Da die Scheibennocken 40 der Nockenplatte 39 abfolgend in Kontakt mit den Rollen 41 gebracht werden, wird dann, wenn die Antriebswelle 34 in Rotation versetzt wird, die Nockenplatte 39 in axialer Richtung der Antriebswelle 34 hin- und hergehend bewegt, und zwar mit einer Hubzahl, die derjenigen der Zylinder während einer 360° -Umdrehung entspricht.
Außerdem ist ein Verteiler 43 an einer Stelle, die der Nockenplatte 39 gegenüberliegt, angeordnet. In dem Zylinderraum 44 des Verteilers 43 ist ein Kolben 45 axial gleitbar aufgenommen, dessen eines Ende mit einer Endfläche der Nockenplatte 39 verbunden ist. Daher wird auch der Kolben 45 mit der gleichen Hubzahl axial hin und hergehend während seiner Drehung um 360° bewegt, entsprechend der Anzahl der Zylinder 5.
Zwischen dem anderen Ende des Kolbens 45 und dem Zylinderraum 44 ist eine Pumpkammer 46 gebildet, die mit dem Ansaugkanal 48 kommuniziert, der mit der Niederdruck-Kraftstoffkammer 37 durch Ansaugnuten 47 verbunden ist, die am Außenumfang des anderen Endes des Kolbens 45 in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind, wobei diese Verbindung dann erfolgt, wenn der Kolben 45 aus dem Zylinder 44 herausgezogen wird und durch diese Verbindung wird der Kraftstoff aus der Niederdruck-Kraftstoffkammer 37 in die Pumpkammer 46 angesaugt.
Anschließend wird, wenn der Kolben 45 in den Zylinder 44 hineingedrückt wird, der Kraftstoff, der in die Pumpkammer 46 angesaugt worden ist, unter Druck gesetzt, um in einen Zuführungskanal 49 innerhalb des Kolbens 45 gedrückt zu werden, wobei der Zuführungskanal 49 mit der Verteileröffnung 50 kommunizierend verbunden ist, die sich am Außenumfang des Kolbens 45 öffnet. Die Verteileröffnung 50 ist so aufgebaut, daß sie mit der Zuführungsöffnung 51 am Innenumfang des Zylinderraumes 44 kommunizierend verbunden ist, während der Kolben 45 seine 360°-Drehung ausführt und dieser Zuführungskanal 51 ist in Verbindung mit der Kraftstoffeinspritzleitung 31.
Das stromabseitige Ende des Zuführungskanales 49 ist durch die Entlastungsöffnung bzw. den Entlastungskanal 52, der sich durch den Kolben 45 erstreckt und am Außenumfang desselben mündet, mit der Niederdruck-Kraft­ stoffkammer 37 verbunden und der Außenumfang des Kolbens 45, auf dem sich die Entlastungsöffnung 52 öffnet, trägt einen Überlauf- oder Entlastungsring 53, der auf dem Kolben 52 axial gleitbar ist. Der Entlastungsring 53 dient zur Steuerung der Kraftstoffzuführungsmenge zu der Kraftstoffeinspritzleitung 31, d. h. wenn der Überlauf- bzw. Entlastungsring 53 den Entlastungskanal 52 während des Kompressionshubes des Kolbens 45 öffnet, tritt der Kraftstoff aus dem Zuführungskanal 49 nach außen in die Niedrigdruck-Kraftstoffkammer 37 durch die Entlastungs­ öffnung 52, so daß die zu dem Kraftstoffeinspritzventil 10 geführte Kraftstoffmenge vermindert werden kann.
Der Überlauf- oder Entlastungsring 53 ist mit einem Betätigungshebel 54 verbunden, der durch eine Schwenkwelle 55 gelenkig bzw. drehbar an dem Pumpengehäuse 33 gelagert ist und der durch eine Feder 56 und eine Betätigungshebelwelle 57 mit einem Gaspedal (nicht gezeigt) verbunden ist. Daher bewegt sich der Entlastungsring 53 axial, um den Entlastungskanal 52 zu öffnen oder zu schließen, so daß die dem Kraftstoffeinspritzventil 10 zugeführte Kraftstoffmenge durch Niederdrücken oder Entlasten des Gaspedales unter Verschwenkung des Betätigungshebels 54 eingestellt werden kann.
In Fig. 8 bezeichnet das Bezugszeichen 58 einen Fliehkraftregler zur Drehung des Betätigungshebels 54 entsprechend der Motordrehzahl.
Innerhalb seines unteren Abschnittes ist in das Pumpengehäuse 33 ein Zeitgeber oder Zeitsteuerglied 60 zur Steuerung des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes eingesetzt. Wie in Fig. 1 und 8 gezeigt ist, ist der Zeitgeber (Spritzversteller) 60 mit einem Kolben 61 versehen, der unter dem Rollenhalter 42 angeordnet ist. Der Kolben 61 ist in einer Richtung rechtwinklig zu der Antriebswelle 34 beweglich eingesetzt und an einer Endseite des Kolbens 61 ist eine Druckkammer 62 vorgesehen, die mit der Ansaugseite der Förderpumpe 35 kommunizierend verbunden ist. Außerdem steht ein Zeitgeberstift 63 des Spritzverstellers 60 vom Außenumfang des Kolbens 61 hervor, wobei sein Spitzenende mit dem Rollenhalter 42 verbunden ist.
Wenn daher der Druck des Kraftstoffes, der von der Förderpumpe 35 zugeführt wird, mit der Zunahme der Motordrehzahl ansteigt, wird der Kolben 61, der diesen Druck aufnimmt, verschoben, so daß der Rollenhalter 42 durch den Zeitgeberstift 63 in einer Richtung entgegengesetzt zur Rotation der Antriebswelle 34 gedreht wird. Durch diese Drehung wird der Phasenwinkel zwischen der Rolle 41 und der jeweiligen Scheibennocke 40 kleiner und der Hubzeitpunkt des Kolbens 45 wird in bezug auf den Kurbelwinkel vorverstellt, d. h. der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung wird vorverstellt, wie dies in unterbrochenen Linien in Fig. 4 gezeigt ist.
Hierbei ist der obige Zeitgeber bzw. Spritzversteller 60 mit einer Steuereinrichtung für die Verzögerung der Kraftstoffeinspritzung versehen, um den Rollenhalter 42 in Drehrichtung der Antriebswelle 34 zu verdrehen, d. h. um den Spritzversteller in einer Richtung zur Spätverstellung des Zeitpunktes der Kraftstoffeinspritzung zu betätigen. Die Spätverstellungs-Steuereinrichtung wird bei diesem Ausführungsbeispiel durch eine Elektromagnetspule 65 vom linearen Typ gebildet, wobei in das Innere der Anregungsspule 66 derselben ein Kolbenabschnitt 67 sich von dem Kolben 61 aus erstreckt. Wenn diese Anregungsspule 66 mit Energie versorgt wird, wird der Kolben 61 entgegen der Wirkung der Rückstellfeder 68 in eine Richtung zur Zurückbewegung von der Elektromagnetspule 65 verschoben. Diese Elektromagnetspule 65 wird durch einen Mikrocomputer 70 gesteuert, der ebenfalls den Schrittmotor 20 zum Antrieb der Öffnungs-/Schließ-tTentile 17 steuert.
Der Mikrocomputer 70 ist so ausgelegt, daß er dann, wenn die Motordrehzahl sich in einem Bereich verhältnismäßig niedriger Drehzahl, einschließlich einem Leerlaufzustand befindet, wie dies in Fig. 3 für den Bereich A dargestellt ist, d. h. wenn der Motor in einem Betriebszustand mit niedriger bis mittlerer Drehzahl bzw. Geschwindigkeit ist, ein Signal abgibt, um die Öffnungs-/Schließ-Ventile 17 in Richtung ihres Schließzustandes durch den Schrittmotor 20 zu betätigen und auch ein Signal zur Spätverstellung des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes an die Elektromagnetspule 65 zu geben.
Fig. 3 zeigt ein Leistungscharakteristik-Diagramm, welches die Änderung des Drehmomentes in bezug auf die Motordrehzahl unter Vollastbedingungen zeigt.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise des Mikrocomputers 70 unter Bezugnahme auf ein Ablaufdiagramm erläutert, wie es in Fig. 7 dargestellt ist.
Das heißt, wenn der Motor läuft, werden in den Mikrocomputer 70 drei Datenwerte eingegeben, die den Motorbetriebszustand repräsentieren, nämlich S1 (die Motordrehzahl), S2 (die Kraftstoffeinspritzmenge entsprechend der Bewegung des Entlastungsrings 53 - entspricht dem Öffnungswinkel der Drosselöffnung), und S3 (die Kühlwassertemperatur). Auf der Grundlage dieser Datenwerte S1, S2 und S3 stellt der Mikrocomputer 70 als erstes fest, ob der Motor sich in einem Zustand befindet, in dem es erforderlich ist, daß der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung verzögert, d. h. eine Spätverstellung der Kraftstoffeinspritzung vorgenommen wird.
Für diese Bewertung besitzt der Mikrocomputer 70 eine Tabelle, die vorher gespeichert worden ist, um die Größe der Verzögerung des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes optimal für die augenblicklichen Motorbetriebsbedingungen auf der Basis der Motordrehzahl, der Kraftstoffeinspritzmenge und der Kühlwassertemperatur abzuleiten, wobei der Mikrocomputer 70 den Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung aus dieser Tabelle auf der Grundlage der erfaßten tatsächlichen Datenwerte S1, S2 und S3 ableitet. Wenn durch diese Untersuchung festgestellt wird, daß der Motor sich in einem Betriebszustand befindet, der erfordert, daß der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung verzögert wird, wird ein optimaler Kraftstoffeinspritzzeitpunkt in bezug auf die momentanen Betriebsbedingungen bestimmt. Anschließend wird der Datenwert, der den Einspritzzeitpunkt repräsentiert, an die Anregungsspule 76 der Elektromagnetspule 65 als ein Anregungssignal abgegeben und die Elektromagnetspule 65 wird durch dieses Ausgangssignal betätigt.
Da der Kolben 61 des Spritzverstellers bzw. Zeitgebers 60 den Rollenhalter 42 in der gleichen Richtung dreht, in der sich auch die Antriebswelle 34 dreht, wird hierbei der Phasenwinkel zwischen der Rolle 41 und der Scheibennocke 40 vergrößert und der Hubbewegungszeit­ punkt des Kolbens 45 wird in bezug auf den Kurbelwinkel verzögert, d. h. der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt wird allmählich von einer bestimmten Voreilung bzw. Vorverstellung in Richtung Spätverstellung verschoben, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.
Andererseits stellt der Mikrocomputer 70 während des Motorlaufes auf der Grundlage der vorerwähnten Daten S1, S2 und S3 fest, ob sich der Motor innerhalb des Betriebsbereiches A befindet, oder nicht, indem das Verdichtungsverhältnis zu erhöhen ist.
Das heißt, der Mikrocomputer 70 besitzt eine vorher in diesem gespeicherte Tabelle zum Ableiten der optimalen Öffnung des jeweiligen Öffnungs-/Schließ-Ventiles 17 für den momentanen Motorbetriebszustand auf der Grundlage der vorerwähnten Daten S1, S2 und S3 und ermittelt die Öffnung für die Öffnungs-/Schließ-Ventile 17 aus dieser Tabelle.
Wenn diese Ableitung ergibt, daß sich der Motor innerhalb des Betriebsbereiches A befindet, indem das Verdichtungsverhältnis bzw. Kompressionsverhältnis erhöht werden soll, wird ein Öffnungsgrad der Öffnungs-/ Schließ-Ventile 17 bestimmt, der optimal für den momentanen Betriebszustand ist. Ein Datenwert, der diesen Öffnungsgrad des Öffnungs-/Schließ-Ventiles 17 repräsentiert, wird an den Schrittmotor 20 als Steuersignal ausgegeben und der Schrittmotor 20 wird durch dieses Ausgangssignal in einer Richtung zum Schließen des jeweiligen Öffnungs-/Schließ-Ventiles 17 betätigt.
Da hierbei die Verbindungsbohrung 19 des Öffnungs-/ Schließ-Ventiles 17 aus dem Hilfsabgaskanal 15 verlagert wird und somit das zugehörige Öffnungs-/Schließ-Ventil 17 in seine Schließstellung gedreht wird, wenn der Kolben 6 in seinen Kompressionshub gelangt, wird die Kompression begonnen, wenn die Oberseite des Kolbens 6 mit der Öffnungsoberkante des Hauptabgaskanales bzw. der Hauptabgaskanalöffnung 14 zusammenfällt. Entsprechend wird im Vergleich zu dem Fall, in dem der Hilfsabgaskanal 15 geöffnet wird, der Kompressionszeitpunkt schneller erreicht und entsprechend wird der Kompressionshub von V1 auf V2 verlängert (s. Fig. 2), so daß das Verdichtungsverhältnis erhöht wird.
Außerdem wird bei diesem Ausführungsbeispiel ein solcher Schrittmotor 20 angewandt, daß dieser das Öffnungs-/ Schließ-Ventil 17 jeweils langsam von der Offenstellung in die Schließstellung dreht und somit der Vorgang zum Schließen des Hilfsabgaskanales 15 langsam in einem definierten Zeitraum erfolgt. Wenn außerdem der Mikrocomputer 70 feststellt, daß der Motor innerhalb des Arbeitsbereiches A betrieben wird, in dem das Verdichtungs- oder Kompressionsverhältnis erhöht werden soll, sendet der Mikrocomputer 70 ein Anregungssignal an die Anregungswicklung 66 der Elektromagnetspule 65, um zeitweilig den Kolben 61 des Spritzverstellers 60 weiterzuverschieben. Da der Phasenwinkel zwischen der Rolle 41 und der jeweiligen Scheibennocke 40 durch diese Verschiebung größer gemacht wird, wird die Größe der Verzögerung des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes erhöht und die Neigung der geraden Linie, die die Verzögerungs­ geschwindigkeit bzw. -rate in bezug auf die Motordrehzahl bei konstanter Motorlast (Fig. 4) repräsentiert, wird steiler. Da in diesem Fall das Anregungssignal an die Anregungswicklung 66 in Verbindung mit der Bewegung des Schrittmotors 20 abgegeben wird, erfolgt die Erhöhung der Größe der Spätverstellung langsam in einem definierten Zeitraum. Es ist überdies festgelegt, daß diese Zunahme des Betrages der Verzögerung bzw. Spätverstellung beendet wird, wenn das Öffnungs-/Schließ-Ventil 17 jeweils bis in seine Schließstellung gedreht worden ist, d. h. wenn der Hilfsabgaskanal 15 vollständig geschlossen ist. Daher wird innerhalb des Betriebsbereiches A, in dem das Verdichtungsverhältnis erhöht wird, die Verzögerungsge­ schwindigkeit bzw. das Maß der Verzögerung des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes gleich derjenigen, ehe der Betrag der Verzögerung bzw. Spätverstellung zeitweilig erhöht wurde und ist in diesem Ausführungsbeispiele auf einen bestimmten Betrag der Verzögerung innerhalb eines Motordrehzahlbereiches unter einer bestimmten Motordrehzahl festgelegt.
Fig. 5 zeigt den Betrag der Spätverstellung des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes für den Fall, in dem die Motordrehzahl konstant gehalten wird, d. h. in bezug auf eine Änderung der Motorbelastung entlang der Linie X1 in Fig. 3. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß der Betrag bzw. die Größe der Spätverstellung des Kraftstoffeinspritz­ zeitpunktes in diesem Fall kleiner ist im Vergleich zu demjenigen Fall, bei dem die Motordrehzahl verändert wird (s. Fig. 4).
In den Fig. 3 bis 5 bezeichnen der Bezugsbuchstabe B den Punkt, in dem der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und das Verdichtungsverhältnis umgeschaltet werden.
Wenn der Motorbetrieb in den Hochdrehzahlbereich überführt worden ist und der Mikrocomputer 70 feststellt, daß der Arbeitsbereich der Motorbetätigung außerhalb des Arbeitsbereiches liegt, der durch den Buchstaben A in Fig. 3 bezeichnet ist, gibt der Mikrocomputer 70 ein Signal an den Schrittmotor 20 aus, um die Öffnungs-/Schließ-Ventile 17 in die Offenstellung zu drehen. Da hierbei das jeweilige Öffnungs-/Schließ- Ventil den Unter- oder Hilfsabgaskanal 15 öffnet, wird, wenn der Kolben in seinen Kompressionshub gelangt, die Kompression begonnen, wenn die Oberseite des Kolbens mit der Öffnungsoberkante des Hilfsabgaskanales 15 bzw. der zugehörigen Öffnung zusammenfällt. Im Vergleich mit dem Fall, in dem der Hilfsabgaskanal 15 geschlossen ist, wird daher der Kompressionszeitpunkt verzögert und, entsprechend, wird der Kompressionshub von V1 auf V2 verkürzt (s. Fig. 2), so daß das Verdichtungsverhältnis erniedrigt wird.
Zusätzlich zu dieser Verminderung des Verdichtungsverhältnisses ermittelt der Mikrocomputer 70 den optimalen Kraftstoffeinspritzzeitpunkt für den momentanen Motorarbeitszustand aus der Tabelle und vorverstellt den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt.
Fig. 6 zeigt die HC- und CO-Emissionskennlinien in bezug auf den NOx-Ausstoß in Fällen, in denen das Verdichtungsverhältnis erhöht oder verringert wird, in beiden Fällen in bezug auf eine Verstellung des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes in Richtung Spätverstellung. Wie sich aus Fig. 6 ergibt, hat in dem Fall, wenn nur das Verdichtungsverhältnis einfach erhöht wird und die gerade Linie, die mit a bezeichnet ist, als Grenze angenommen wird, durch die das Verdichtungsverhältnis geändert wird, die Stickoxidemission (NOx) eine Neigung, sich zu erhöhen, obwohl die Emission von CO und HC vermindert wird, wie dies die strichpunktierte Linie in Fig. 6 zeigt.
Im Gegensatz hierzu zeigen Kohlenmonoxide (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) eine Neigung mit der Zunahme des Betrages der Verzögerung in stärkerem Maße emittiert zu werden, wenn der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt zusätzlich zur Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses spätverstellt wird, obwohl sich die Stickoxidemission (NOx) vermindert, wie dies durch eine Vollinie in Fig. 6 verdeutlicht ist.
Entsprechend ist es wünschenswert, daß dann, wenn der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung innerhalb des höheren Verdichtungsbereiches spätverstellt wird, der Betrag dieser Spätverstellung innerhalb des Bereiches festgelegt wird, der in Fig. 6 durch R bezeichnet ist, d. h. innerhalb eines Bereiches, in dem die CO und HC-Emission sich nur unwesentlich von derjenigen an dem Punkt unterscheiden, wenn das Verdichtungsverhältnis umgeschaltet wird und im weiteren sich nur die Stickoxidemission scharf vermindert.
Da der Betrag der Verzögerung des Zeitpunktes der Kraftstoffeinspritzung bei einem derartigen Ausführungsbeispiel zeitweilig erhöht wird, wenn das Verdichtungsverhältnis innerhalb des Arbeitsbereiches des Motors zwischen Start und niedriger bis mittlerer Motordrehzahl erhöht wird, wird die Zündverzögerungsdauer verlängert und die Verbrennung innerhalb des Verbrennungsraumes 8 wird verlangsamt, wodurch die Verkürzung der Zündverzögerungsdauer, welche durch die Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses verursacht wird, kompensiert bzw. ausgeglichen werden kann und eine schnelle bzw. abrupte Verbrennung innerhalb des Verbrennungsraumes 8 eingeschränkt werden kann.
Wie somit deutlich aus Fig. 6 erkennbar ist, kann die NOx-Emission wirksam vermindert werden. Da außerdem eine langsamere Verbrennung zu einer niedrigeren Verbrennungstemperatur führt, kann das Klopf- oder Nagelgeräusch, das für diese Motoren charakteristisch ist, weitestgehend eingeschränkt werden. Daher wird das Motorgeräusch vermindert und ein ruhiger Motorlauf erreicht.
Obwohl der Betrag der Verzögerung des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes in einem festen, definierten Zeitraum bei dem obigen Ausführungsbeispiel langsam erhöht wird, kann für den Fall, daß die Öffnungs-/Schließ-Ventile 17 abrupt bzw. plötzlich geöffnet und geschlossen werden, die Größe der Spätverstellung abrupt bzw. plötzlich in Verbindung mit der Öffnungs- und Schließbetätigung der Ventile 17 erhöht werden und die Neigung der geraden Linie, die die Verzögerungsgeschwindigkeit bzw. deren Maß angibt, kann vertikal gemacht werden, wie dies in Fig. 11 dargestellt ist.
Obwohl in dem vorerläuterten Ausführungsbeispiel das Verdichtungsverhältnis durch Öffnen oder Schließen des Hilfsabgaskanales bewirkt wird, ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht beschränkt, sondern kann auch in Fällen angewandt werden, in denen ein Hilfsabgaskanal jeweils fehlt und der Hauptabgaskanal mit einem Ventil versehen ist, das an seinem Öffnungsende hin- und herbeweglich ist, so daß die Öffnungshöhe des Hauptabgaskanales bzw. der Hauptabgasöffnung durch dieses Ventil geändert werden kann.
Der Zweitakt-Dieselmotor nach der vorliegenden Erfindung ist außerdem auch nicht auf einen Motor beschränkt, bei dem der Kurbelraum jeweils als primäre Luftkompressions­ kammer wirksam ist, sondern die vorliegende Erfindung kann in gleicher Weise auf einen Motor angewandt werden, der mit einer Spülpumpe zur Luftkompression innerhalb des Luftansaugkanales, verbunden mit der Luftansaugöffnung, versehen ist, und die Kraftstoffpumpe ist nicht auf eine Pumpe vom Verteilertyp beschränkt, sondern kann auch eine Pumpe vom mitlaufenden Typ (In-Line-Typ) sein.
Da erfindungsgemäß die Verbrennung innerhalb des Verbrennungsraumes jedes Zylinders durch Verzögerung bzw. Spätverstellung des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes langsam gemacht ist, kann die Verkürzung der Zündverzögerungsdauer, welche durch die Erhöhung des Kompressionsverhältnisses verursacht wird, kompensiert werden. Daher kann eine abrupte, plötzliche Verbrennung innerhalb des Verbrennungsraumes des jeweiligen Zylinders beschränkt werden und die NOx-Emission kann wirksam vermindert werden. Da außerdem die Verbrennung langsam durchgeführt wird, kann die Verbrennungstemperatur auf einen niedrigeren Wert beschränkt werden, wobei dies vorteilhaft ist, um das diesen Motoren eigene Klopf- oder Nadelgeräusch weitestmöglich einzuschränken und einen ruhigen Motorlauf zu sichern.

Claims (8)

1. Zweitakt-Dieselmotor mit einem Zylinderblock, der zumindest einen Abgaska­ nal aufweist, der durch einen Kolben geöffnet oder geschlossen wird, einem Zylinder­ kopf, der mit dem Zylinderblock verbunden ist, um zwischen sich und dem Kolben ei­ nen Verbrennungsraum zu bilden, einem Kraftstoffeinspritzventil, das sich durch den Zylinderkopf hindurch erstreckt, wobei der Zylinderblock mit einer Veränderungsein­ richtung für das Verdichtungsverhältnis versehen ist, wobei das Verdichtungsverhält­ nis durch Verminderung der Öffnungshöhe des Abgaskanals in Bezug auf den Zylin­ derkopf erhöht wird, wenn die Motordrehzahl einen Arbeitsbereich niedriger und mitt­ lerer Motordrehzahl erreicht, und wobei das Verdichtungsverhältnis durch Erhöhen der Öffnungshöhe des Abgaskanals innerhalb des Arbeitsbereiches des Motors bei hoher Drehzahl vermindert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kraftstoffein­ spritzzeitpunkt-Änderungseinrichtung (60) vorgesehen ist, die, während einer Spät­ verstellung des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes innerhalb des Arbeitsbereiches des Motors von mittleren bis niedrigen Drehzahlen den Betrag der Spätverstellung des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes zeitweilig erhöht, wenn das Verdichtungsverhältnis durch die Veränderungseinrichtung (15, 17) für das Verdichtungsverhältnis erhöht wird.
2. Zweitakt-Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (70) zur Steuerung der Veränderungseinrichtung (15, 17) für das Verdichtungsverhältnis und der Kraftstoffeinspritz-Änderungseinrichtung (60) in Ab­ hängigkeit von den den Motorbetriebszustand repräsentierenden Parametern (S1 bis S3) vorgesehen ist.
3. Zweitakt-Dieselmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter, die den Motorbetriebszustand repräsentieren die Motordrehzahl (S1), die Kraftstoffeinspritzmenge (S2) entsprechend der Drosselöffnung (Motorlast) und die Temperatur des Kühlwassers (S3) sind.
4. Zweitakt-Dieselmotor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinrichtung einerseits einen Schrittmotor (20) zur Ansteue­ rung einer Ventilbetätigung eines den Abgaskanal steuernden Ventils (17) der Verän­ derungseinrichtung zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses ansteuert und ande­ rerseits eine Erregerwicklung (65) einer Elektromagnetspule (66) ansteuert, die ihrer­ seits einen Stellkolben (61) der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt-Änderungseinrichtung (60) beeinflußt, steuert.
5. Zweitakt-Dieselmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß strö­ mungsverbunden mit einem Hauptabgaskanal (14) ein in Bezug auf eine Bewe­ gungsrichtung eines Kolbens (6) versetzt in einen Zylinder (5) mündender Hilfsabgas­ kanal (15) vorgesehen ist, der durch das innerhalb des Zylinderblockes (3) angeord­ nete Ventil (17), welches durch den Schrittmotor (20) in seinem Öffnungsquerschnitt steuerbar ist.
6. Zweitakt-Dieselmotor nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Luftansaugkanal (24) in einen Kurbelraum (13) eines jewei­ ligen Zylinders (5) unter Vermittlung eines Reed-Ventiles (23) mündet und der Kurbel­ raum (13) einen Primär-Verdichtungsraum für die Ansaugluft bildet.
7. Zweitakt-Dieselmotor nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit einem Verbrennungsraum (8) jedes Zylin­ ders (5) in dem Zylinderkopf (4) und einem Oberteil des Zylinderblockes für jeden Zy­ linder (5) eine Wirbelkammer (9) ausgebildet ist, in die das Kraftstoffeinspritzventil (10) sowie eine Glühkerze (11) mündet.
8. Verfahren zur Steuerung eines Zweitakt-Dieselmotors nach Anspruch 1, wo­ bei Arbeitsparameter (S1, S2, S3) des Dieselmotors durch eine Steuereinrichtung (70) erfaßt werden und in Abhängigkeit von den Arbeitsparametern eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zur zeitweiligen Vermeidung der Verringerung einer Spätverstellung eines Zeitpunktes der Kraftstoffe­ inspritzung in einem Bereich geringer bis mittlerer Motordrehzahlen eine Vergröße­ rung der Spätverstellung der Kraftstoffeinspritzung in Bezug auf den Kurbelwinkel durch Kopplung einer Befehlsgabe für eine Änderung des Kompressionsverhältnisses mit einer Befehlsgabe für eine zeitweilige Erhöhung der Spätverstellung in Abhängig­ keit von der Motordrehzahl oder der Motorlast eingerichtet wird.
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