DE69033251T2

DE69033251T2 - Luftzufuhrsystem für verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE69033251T2
Application number: DE69033251T
Authority: DE
Inventors: Robert Davis; Darren Smith
Original assignee: ORBITAL ENG AUSTRALIA; Orbital Engine Co Australia Pty Ltd
Current assignee: ORBITAL ENG AUSTRALIA; Orbital Engine Co Australia Pty Ltd
Priority date: 1989-02-17
Filing date: 1990-02-19
Publication date: 2000-02-03
Anticipated expiration: 2010-02-20
Also published as: US5251597A; EP0461129B1; CA2046346A1; KR920701631A; ATE183572T1; JP2885936B2; EP0461129A1; MX172111B; BR9007132A; WO1990009516A1; EP0461129A4; CA2046346C; KR0149512B1; DE69033251D1; JPH04503389A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Steuerung der Luftzuführung zu einer Verbrennungsmaschine, um die Einstellung des korrekten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in den Maschinenzylindern für eine Verbrennung des Kraftstoffs in einer wirkungsvollen und gesteuerten Weise zu ermöglichen.
Es ist gegenwärtig ein weiter Bereich von Vorrichtungen verfügbar für die Steuerung von Verbrennungsmaschinen, insbesondere die Steuerung des Verbrennungsvorgangs in derartigen Maschinen. Es besteht gegenwärtig eine Tendenz zu solchen Steuersystem hin, die allgemein als Antrieb durch Draht-Systeme bezeichnet werden, bei denen der Fahrer keine direkte mechanische Steuerung sowohl über die Kraftstoffzuführung als auch die Luftzuführung zu der Maschine hat, sondern beide durch geeignete Programme, die in einer elektronischen Steuereinheit (ECU) enthalten sind, gesteuert werden. In derartigen Systemen erzeugt die durch den Fahrer durchgeführte Steuerung des Gaspe dals oder Drosselventils ein elektrisches Eingangssignals für die ECU, welches die von dem Fahrer von der Maschine geforderte auszugebende Leistung anzeigt. Anhand dieses Eingangssignals und unter Berücksichtigung der Eingangssignale von anderen Maschinenparametern wie Temperatur und Geschwindigkeit bestimmt die ECU sowohl die Kraftstoff- und Luftanforderungen der Maschine und betätigt die geeigneten Vorrichtungen, um diesen Anforderungen zu entsprechen.
In derartigen Systemen wird ein elektrischer Motor verwendet, um die Luftzuführung beispielsweise durch Veränderung der Stellung eines Drosselventils, das sich in dem Maschinen-Luftzuführungsdurchgang befindet, zu steuern. Dieser Motor wird durch Signale von der ECU betätigt, um das Drosselventil in einer geeigneten Lage zu positionieren, so daß die geforderte Zuführungsgeschwindigkeit von Luft zu der Maschine erreicht wird. Der elektrische Motor muß daher in der Lage sein, rasch auf Änderungen bezüglich der Anforderungen an die Luftzuführung anzusprechen, während auch eine Genauigkeit bei der Positionierung des Drosselventils gegeben sein muß. Das rasche Ansprechen und die Genauigkeit bei der Positionierung des Drosselventils muß auch erhalten werden, wenn das Drosselventil in einer Leitung betätigt wird, durch welche die gesamte Luftzufuhr zu der Maschine erfolgt, und daß daher erheblichen Kräften ausgesetzt ist, die die zur Bewegung des Drosselventils erforderliche Energie beeinflussen. Demgemäß stellen solche elektrischen Motoren einen beträchtlichen Kostenfaktor in dem Maschinen-Gesamtsteuersystem dar und in vielen Fällen sind diese Kosten nicht gerechtfertigt.
Eine geringere Sorge bei Maschinen mit einem von ei nem elektrischen Motor angetriebenen Drosselventil oder anderen Luftsteuervorrichtungen als der einzigen Luftzuführungssteuerung ist der Umstand, daß ein Zusammenbruch der Motortätigkeit die Arbeitsfähigkeit der Maschine unmöglich macht. Dies kann ein ernstes Problem bei Maschinen sein, die in Motorfahrzeuge oder Boote eingebaut sind, da die Fahrzeuge oder Boote unbeweglich werden und die Insassen in Gefahr oder große Unannehmlichkeiten gebracht werden können. Demgemäß ist es bei Maschinen für derartige Zwecke gewöhnlich erforderlich, eine zusätzliche Form von Luftsteuerung vorzusehen, welche ermöglicht, daß die Maschine zumindest in Betrieb gehalten wird, und welche vorsieht, was allgemein als eine "Nachhausehinken-Kapazität" bezeichnet wird.
Die Alternative zu einer von einem elektrischen Motor angetriebenen Luftsteuervorrichtung besteht darin, eine mechanische Kupplung zwischen der vom Fahrer betätigten Drosselventil- oder Gaspedalsteuerung und der Luftsteuervorrichtung in dem Luftzuführungssystem vorzusehen, und dann einen Sensor in dem Luftzuführungssystem vorzusehen, um die Zuführungsgeschwindigkeit der Luft zu der Maschine anzuzeigen. Ein Signal von diesem Sensor wird zu der ECU geführt als ein Eingangssignal für die Bestimmung der erforderlichen Kraftstoffzuführung zu der Maschine. Dieses System vermeidet die hohen Kosten des Motors, der bei dem Antrieb durch Draht-System erforderlich ist, und liefert von Natur aus eine Nachhausehinken-Kapazität, da es normalerweise möglich ist, vorübergehende Reparaturen an mechanischen Kupplungen zwischen dem Drosselventil und der Drossel- oder Gaspedal-Steuerung durchzuführen. Jedoch verringert die Verwendung des mechanisch gekoppelten Drosselventils den Grad der Genauigkeit, der bei der Steuerung der Luftströmung in die Maschine erhalten werden kann.
Auch unter niedrigen bis mittleren Lastzuständen ist es häufig wünschenswert, eine relativ stetige Zuführungsgeschwindigkeit der Luft zu der Maschine aufrechtzuerhalten, oder zumindest kleine Veränderungen von dieser für relativ große Änderungen der Kraftstoffzuführung. Dieses Erfordernis führt zu Schwierigkeiten bei der Ausbildung einer praktischen Maschine, bei der die vom Fahrer geforderte Ausgangsleistung der Maschine anfänglich von der Änderung der Luftströmung in das Luftzuführungssystem der Maschine bestimmt wird.
In der GB-A-2052796 wird ein elektronisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuersystem beschrieben mit einem durch ein Gaspedal über eine Verbindung gesteuerten Drosselventil, welche eine Leerlaufvorrichtung enthält sowie ein Bypass-Ventil, das in einer das Drosselventil umgehenden Nebenleitung angeordnet ist und durch ein Solenoid betätigt wird, das mit einer Steuerschaltung verbunden ist, welche mehrere Eingänge enthaltend Eingänge, die jeweils mit einem Maschinenzustandssensor, einem Luftströmungs- Geschwindigkeitssensor, der sich stromaufwärts des Drosselventils und der Bypass-Ventile befindet und von welchem ein Maschinendrehmoment-Signal abgeleitet wird, und einem Potentiometer zum Erfassen der Position des Gaspedals verbunden sind, aufweist. Die Steuerschaltung steuert auch die Injektion von Kraftstoff stromaufwärts des Drosselventils und des Bypass-Ventils. Das Bypass-Ventil wird gesteuert, um ein genau bestimmtes Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu erhalten, wenn die Luftströmungsgeschwindigkeit gering ist, um einen weichen Start der Maschine zu fördern. Dieses System ist kompliziert und liefert nicht eine stetige Geschwindigkeit der Luftzuführung oder geringe Änderungen der Luftzuführung für relativ große Änderungen der Kraftstoffzuführung.
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, ein Maschinensteuersystem zu schaffen, bei welchem die obigen Probleme der Systeme nach dem Stand der Technik überwunden oder erheblich verringert werden und die Kosten des Systems kommerziell annehmbar sind.
Angesichts dieser Aufgabe ist ein Verfahren zum Zuführen von Luft zu einer Verbrennungsmaschine mit einem Luftzuführungssystem vorgesehen, welches aufweist:
einen ersten Lufteinlaßdurchgang, durch welchen Luft zu der Maschine strömen kann;
eine erste Steuervorrichtung, die betätigbar ist, um die Luftströmungsgeschwindigkeit durch den ersten Durchgang zu verändern;
einen vom Fahrer betätigten Mechanismus, der betriebsmäßig mit der ersten Steuervorrichtung gekoppelt ist, um die Luftströmungsgeschwindigkeit durch den ersten Durchgang zu der Maschine in Abhängigkeit von dem Verlangen des Fahrers zu ändern;
einen zweiten Lufteinlaßdurchgang, durch welchen Luft zu der Maschine strömen kann;
eine zweite Steuervorrichtung, welche betätigbar ist, um die Luftströmungsgeschwindigkeit durch den zweiten Durchgang zu ändern; und
eine Betätigungsvorrichtung, welche in Abhängigkeit von erfassten Maschinenbetriebsbedingungen betätigbar ist, um die zweite Steuervorrichtung zum Ändern der Luftströmungsgeschwindigkeit durch den zweiten Durchgang zu der Maschine zu betätigen;
wobei die erste Steuervorrichtung und die zweite Steuervorrichtung so betätigbar sind, daß an einigen Betriebspunkten der Maschine die Luft allein durch den ersten oder den zweiten Luftdurchgang oder gleichzeitig durch beide zu der Maschine geliefert werden kann; und wobei der vom Fahrer betätigte Mechanismus und die Betätigungsvorrichtung betriebsmäßig so angeordnet sind, daß während eines anfänglichen Abschnitts der vom Fahrer induzierten Bewegung des vom Fahrer betätigten Mechanismus von einer Maschinen-Leerlaufposition aus im Wesentlichen die gesamte Luftzuführung zu der Maschine durch den zweiten Luftdurchgang erfolgt, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß die Betätigungsvorrichtung so angeordnet ist, daß während wenigstens eines ersten Teils des anfänglichen Abschnitts der vom Fahrer induzierten Bewegung von einer Maschinen- Leerlaufposition aus die zweite Steuervorrichtung nicht wesentlich die Masse der pro Zylinder durch den zweiten Lufteinlaßdurchgang gelieferten Luft erhöht.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird über zumindest einen Teil des niedrigen bis mittleren Bereichs der Maschinenlast die erste Steuervorrichtung nicht betätigt, und somit ist dort im Wesentlichen keine oder ein im Wesentlichen fixiertes Minimum an Luftströmung zu der Maschine durch den ersten Lufteinlaßdurchgang. Während die Maschine in diesem Teil des Lastbereichs in Betrieb ist, wird die von der Maschine benötigte Luft im Wesentlichen nur durch den zweiten Lufteinlaßdurchgang zugeführt. Die Geschwindigkeit der durch den zweiten Lufteinlaßdurchgang zugeführten Luft wird bestimmt durch die ECU, die so programmiert ist, daß sie die für die Maschine benötigte Luft bestimmt in Abhängigkeit von empfangenen Signalen, welche verschiedene Maschinenbetriebszustände anzeigen, einschließlich der Lastanforderung, wodurch die ECU in die Lager versetzt wird, den Kraftstoffbedarf der Maschine zu bestimmen, und hieraus den Luftbedarf der Maschine. Die Eingangssignale zu der ECU können ein solches enthalten, das das Ausmaß der Bewegung eines vom Fahrer betätigten Mechanismus wie des Gaspedals anzeigt, oder eine Handdrosselsteuerung, welche sich auf die Lastanforderung der Maschine bezieht.
Vorzugsweise enthält der vom Fahrer betätigte Mechanismus ein Totgangmerkmal, so daß während eines anfänglichen Abschnitts der vom Fahrer induzierten Bewegung des Mechanismus von einer Maschinen- Leerlaufposition keine entsprechende Bewegung zu der ersten Steuervorrichtung übertragen wird. Nachdem der Mechanismus diesen anfänglichen Abschnitt seiner Bewegung von der Leerlaufposition ausgeführt hat, betätigt eine weitere Bewegung die erste Steuervorrichtung, um fortschreitend die Geschwindigkeit der Luftströmung zu der Maschine durch den ersten Luftdurchgang zu erhöhen.
Während des Betriebsabschnitts der Maschine, in welchem der mechanische Mechanismus in der Totgangsphase arbeitet, ist die Luftzuführung zu der Maschine durch den zweiten Durchgang vollständig unter der Steuerung der zweiten Steuervorrichtung. Jedoch ist es möglich, die Zuführung von Luft durch den zweiten Durchgang fortzusetzen, nachdem die erste Steuervorrichtung begonnen hat, durch den mechanischen Mechanismus betätigt zu werden. Dies ermöglicht eine Betätigung der zweiten Steuervorrichtung derart, daß sie eine gesteuerte zusätzliche Menge an Luft zusätzlich zu der Luftzuführung durch den ersten Durchgang liefert, wodurch eine "Trimm"-Fähigkeit in Bezug auf die Gesamtluftzuführung zu der Maschine erhalten wird.
Zweckmäßig ist die erste Steuervorrichtung ein Drosselventil, das sich betätigbar in dem ersten Durchgang befindet. Das Drosselventil ist durch einen mechanischen Mechanismus mit einem Drosselhebel oder dem Gaspedal gekoppelt, das so angeordnet ist, daß es durch den Fahrer der Maschine betätigbar ist. Der mechanische Mechanismus enthält ein Totgangmerkmal, wie vorstehend erwähnt ist, und wirkt mit einer Positionserfassungsvorrichtung zusammen, um ein Eingangssignal zu der die Maschine steuernden ECU zu liefern, wobei dieses Eingangssignal für die Last der Maschine repräsentativ ist, die von dem Fahrer über das Gaspedal eingestellt wird. Die Positionserfassungsvorrichtung ist vor dem Totgangmerkmal mit dem mechanischen Mechanismus verbunden.
Das Eingangssignal von der Positionserfassungsvorrichtung zusammen mit Eingangssignalen, welch sich auf andere Maschinenzustände beziehen, zu der ECU werden zur Berechnung des Maschinenkraftstoffbedarfs und des Maschinenluftbedarfs verwendet, um das erforderliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu erzielen. Eine Luftströmungs-Sensorvorrichtung ist vorzugsweise so positioniert, daß sie die gesamte Luftzuführung zu der Maschine durch den ersten und den zweiten Luftdurchgang bestimmt. Das Ausgangssignal der Luftströmungs-Sensorvorrichtung wird zu der ECU geliefert, so daß die tatsächliche und die berechnete Luftzufuhr verglichen werden, und wenn eine Korrektur der Geschwindigkeit der Luftzuführung erforderlich ist, bewirkt die ECU ein angemessenes Eingangssignal zu der Betätigungsvorrichtung, um die zweite Steuervorrichtung so einzustellen, daß die Luftzuführung in Beziehung auf die Kraftstoffzuführung korrigiert wird, um das erforderliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu erreichen.
Das Vorsehen des ersten Lufteinlaßdurchgangs und der ersten Steuervorrichtung hierfür, welche vom Fahrer betätigt wird, ergibt eine Nachhausehinken-Kapazität und vermeidet auch das Erfordernis, einen teuren elektrischen Motor vorzusehen, um die Steuerung der gesamten Luftzuführung zu der Maschine zu bewirken. Jedoch erzielt das Vorsehen des zusätzlichen zweiten Luftzuführungsdurchgangs mit seiner eigenen unabhängigen Steuervorrichtung, welche durch einen elektrischen Motor unter direkter Steuerung durch die ECU betrieben werden kann, einen hohen Grad an Genauigkeit bei der Steuerung der Luftzuführung unter allen Betriebszuständen. Jedoch kann wegen der verringerten Menge Luft, die unter niedrigen bis mittleren Lastzuständen benötigt wird, und des herabgesetzten Pegels der Veränderung darin der die Steuerung des zweiten Luftzuführungsdurchgangs bewirkende elektrische Motor relativ klein und von einfacher Konstruktion sein, und damit kostengünstiger als Motoren, die herkömmlicherweise bei Luftzuführungssystemen verwendet wurden.
Der zweite Luftzuführungsdurchgang mit einer unabhängigen Steuervorrichtung, die von der ECU gesteuert wird, bewirkt auch eine Kapazität, um andere Operationen der Maschine zu regulieren. Beim Betrieb einer Maschine kann das Problem auftreten, daß die Maschine hochläuft, wenn die Last plötzlich reduziert oder von der Maschine abgekoppelt wird. Dies tritt in Fahrzeugen während eines Gangwechsels auf und findet insbesondere bei Zweitaktmaschinen statt, bei denen die innewohnende Bremslast der Maschine relativ niedrig ist im Vergleich mit Viertaktmaschinen.
Um die Bremslast der Maschine während Hochlaufzustän den zu erhöhen, kann die zweite Steuervorrichtung durch die ECU aktiviert werden, um eine maximale Luftströmung durch den zweiten Luftdurchgang zu der Maschine zu ermöglichen. Dies erhöht die von der Maschine durchgeführte Pumparbeit, so daß die Bremslast erhöht und der Pegel des Maschinenhochlaufs reduziert werden. Es wurde gefunden, daß bei einer Maschinengeschwindigkeit im mittleren bis hohen Bereich diese Pumparbeit bedeutsam ist für die Erhöhung der Bremslast. Jedoch ist es im niedrigeren Geschwindigkeitsbereich vorteilhafter, sowohl den ersten als auch den zweiten Luftdurchgang zu schließen, um in diesen einen hohen Vakuumpegel zu schaffen.
Die den Betrieb der zweiten Steuervorrichtung steuernde ECU ist so programmiert, daß sie einen plötzlichen Abfall der Maschinenlast von einem Pegel, um einen Maschinenhochlauf zu induzieren, erfasst, und wenn die Maschinengeschwindigkeit auch in dem mittleren bis hohen Bereich wie beispielsweise von mehr als 2000 bis 2500 Umdrehungen pro Minute ist, aktiviert die ECU die zweite Steuervorrichtung, um eine maximale Luftströmung durch den zweiten Luftdurchgang zu bewirken. Die ECU ist auch so programmiert, daß sie nicht auf den sich ergebenden Anstieg der Luftströmung, welcher von dem Luftströmungssensor erfasst wird, anspricht und versucht, das Luft/Kraftstoff- Verhältnis zu korrigieren, wenn die Maschine im Hochlaufzustand ist.
Die Erfindung wird besser verstanden anhand der folgenden Beschreibung einer praktischen Anordnung des Luftzuführungs-Steuersystems, wie es in den begleitenden Zeichnungen illustriert ist.
In den Zeichnungen:
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des Luftinduktionssystems und von dessen Steuerung;
Fig. 2 ist eine Seitenansicht einer sekundären Luftsteuervorrichtung;
Fig. 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 3- 3 in Fig. 2;
Fig. 4 ist ein Diagramm der gesamten Luftströmung zu der Maschine über einen Bereich von Kraftstoffgeschwindigkeiten und Maschinengeschwindigkeiten;
Fig. 5 ist ein Diagramm von Luft/Kraftstoff- Verhältnissen für die Luft- und Kraftstoffgeschwindigkeit, wie in Fig. 4 gezeigt.
Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen, in der die Dreizylinder-Maschine 8 einen Lufteinlaßkrümmer 7 und einen Auslaßkrümmer 10 enthält. Der Einlaßkrümmer 7 ist in Verbindung mit dem primären Induktionsdurchgang 11, welcher Luft durch einen herkömmlichen Luftfilter 9 erhält. In dem primären Induktionsdurchgang 11 ist ein Drosselventil 12 angeordnet, das schwenkbar um eine zum Durchgang 11 senkrechte Achse gelagert und mit einem Betätigungsarm 4 gekoppelt ist.
Ein sekundärer oder Bypass-Durchgang 13 ist sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts des Drosselventils 12 mit dem primären Induktionsdurchgang 11 verbunden, wodurch ein Bypass vorgesehen ist, so daß Luft zu der Maschine strömen kann, selbst wenn das Drosselventil 12 sich in der geschlossenen Stellung befindet. In dem sekundären Durchgang 13 befindet sich ein von einem Motor 5 betätigtes Durchflusssteuerventil 18.
Der Luftströmungssensor 6 ist in dem primären Einlaßdurchgang stromabwärts von der Stelle, an der der sekundäre Durchgang stromaufwärts des Drosselventils 12 mit dem primären Durchgang verbunden ist, vorgesehen. Der Sensor 6 erfasst daher die gesamte Luftzuführung zu der Maschine sowohl über den primären als auch den sekundären Durchgang.
Der mit dem Drosselventil 12 verbundene Arm 4 ist über eine Verbindung 14 mit dem Gaspedal oder der Drosselsteuerung, die zur Betätigung durch den Fahrer bei der Steuerung der Maschine 8 vorgesehen ist, verbunden. Die Verbindung 14 enthält den Arm 15, der bei 16 geschwenkt wird und mit dem Arm 4 über einen Totgangmechanismus gekoppelt ist, welcher schematisch bei 3 angezeigt ist. Der Arm 15 trägt den Schleifarm 19 eines Potentiometers 2, das ein Eingangssignal zu der ECU 17 liefert, welches die Position der vom Fahrer betätigten Verbindung 14 vor dem Totgangmechanismus anzeigt.
Im Betrieb, wenn der Fahrer die Verbindung 14 von einer Leerlaufposition aus betätigt, liefert das Potentiometer 2 ein Signal zu der ECU 17, welches die Lastnachfrage der Maschine anzeigt. Die ECU bestimmt hieraus den von der Maschine benötigten Kraftstoff und die Luftströmung in die Maschine, die erforderlich ist, um das gewünschte Luft/Kraftstoff- Verhältnis in der Maschinenverbrennungskammer zu erzielen. Die ECU gibt dann ein angemessenes Signal aus, um den Motor 5 so zu aktivieren, daß das Ventil 18 so positioniert wird, daß die gewünschte Menge Luft durch den sekundären Durchgang 13 zu dem Maschi nenkrümmer 7 strömt.
Während die Maschine in Betrieb ist, empfängt die ECU auch ein Eingangssignal von dem Luftströmungssensor 6, das die tatsächliche gesamte Luftströmung zu der Maschine anzeigt, und sie führt jede angemessene Einstellung der Position des Ventils 18 durch, um die korrekte Geschwindigkeit der Luftzuführung für das gewünschte Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der Maschinenverbrennungskammer zu erzielen.
Durch die Anordnung des Totgangsmechanismus 3 erzeugt die anfängliche Bewegung der Verbindung 14 keine entsprechende Bewegung des Drosselventils 12 in dem primären Durchgang 11, so daß die gesamte von der Maschine benötigte Luft durch den sekundären Durchgang geliefert wird. Es kann selbstverständlich ein geringfügiges Entweichen von Luft an dem Drosselventil 12 vorbei stattfinden, aber solche entwichene Luft wird in die gesamte Luftströmung, die von dem Luftströmungssensor 6 erfasst wird, und so von der ECU bei der Bestimmung der erforderlichen Stellung des Ventils 18 berücksichtigt.
Wenn die Nachfrage nach Maschinenlast zunimmt, erreicht die Verbindung 14 eine Position, in der das Ausmaß des durch den Mechanismus 3 bewirkten Totganges aufgebraucht ist. Eine weitere Bewegung der den Arm 15 enthaltenden Verbindung 14, die durch den Fahrer induziert wird, bewirkt eine entsprechende Bewegung des Drosselventils 12, um zu ermöglichen, daß eine gesteuerte Luftströmung durch den primären Durchgang 11 zu der Maschine stattfindet. Der Luftströmungssensor 6 liefert weiterhin ein Eingangssignal zu der ECU 17, welches die tatsächliche gesamte Luftströmung zu der Maschine anzeigt, und jede ge ringe Korrektur, die bei der Geschwindigkeit der Luftzuführung erforderlich ist, kann durch Betätigung des Ventils 18 bewirkt werden.
Das vorbeschriebene Luftsteuersystem ermöglicht eine genaue Steuerung der Luftzuführung zu der Maschine, die über den sekundären Durchgang 13 und das Ventil 18 bei niedrigen bis mittleren Lasten bewirkt wird, während bei höheren Betriebslasten die Luftströmung grundsätzlich durch das Drosselventil 12 gesteuert wird, aber zu einem Grad durch die Betätigung des Ventils 18 eingestellt werden kann.
Es wurde gefunden, daß das obige Luftsteuersystem besonders vorteilhaft bei der Steuerung des Pegels der Abgasemission von Maschinen ist, da es eine größere Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses der in der Verbrennungskammer verbrannten Mischung ergibt. Die größere Steuerung folgt aus dem zweiten Luftdurchgang und dem von der ECU gesteuerten Ventil 18, um die Luftzuführung unabhängig von der Position des Drosselventils einzustellen, und sie wird weiterhin unterstützt durch die Verwendung eines Rückkopplungssystems mit geschlossener Schleife in Bezug auf die Luftzuführung zu der Maschine.
Diese Fähigkeit wurde verwendet bei der Steuerung von NOx bei Zweitaktmaschinen, indem die Luftzuführung begrenzt wurde wenn die Last im niedrigen und mittleren Lastbereich zunimmt, wodurch die Mischung angereichert und so die Verbrennungstemperatur herabgesetzt wurde. Es wurde gefunden, daß die gesamte Luftzuführung der Maschine durch den zweiten Luftdurchgang erfolgen kann unter der Steuerung des Ventils 18 über den Lastbereich bis zumindest einem Viertel und selbst bis zur Hälfte des Lastbereichs bei jeder be sonderen Maschinengeschwindigkeit. Das Drosselventil 12 wird grundsätzlich verwendet bei einem weit geöffneten Drosselbetrieb.
Es wird nun auf die Fig. 2 und 3 der Zeichnungen Bezug genommen, in denen eine praktische Konstruktion des Steuerventils 18 illustriert ist, das in dem sekundären Durchgang 13 vorgesehen ist.
Das Steuerventil weist einen länglichen Körper 20 mit zwei in axialem Abstand angeordneten Auslaßöffnungen 21 und einer Einlaßöffnung 22 auf. Die beiden Auslaßöffnungen 21 befinden sich in einer Ebene im Wesentlichen im rechten Winkel zu der Ebene, in welcher sich die Einlaßöffnung 22 befindet. Die Auslaßöffnungen 21 befinden sich in einer im Wesentlichen flachen Fläche 23 des Körpers 20, so daß eine geeignete Plenumkammer auf Körper befestigt werden kann, um mit jeder der Auslaßöffnungen 21 zu kommunizieren, wobei die Plenumkammer so ausgebildet ist, daß sie mit einer Leitung verbunden werden kann, durch welche die durch die Auslaßöffnungen 21 gelieferte Luft zu dem Maschineneinlaßkrümmer 7 in Fig. 1 befördert wird. Die Plenumkammer (nicht gezeigt) kann zweckmäßig an dem Körper 20 mittels Bolzen befestigt werden, welche durch Löcher 24 hindurchgehen, die in der flachen Fläche 23 des Körpers 20 vorgesehen sind. Die Einlaßöffnung 22 hat eine verlängerte Manschette 25 mit einer Reihe von Umfangsnuten. Eine geeignete Leitung, zweckmäßig von einer flexiblen Ausbildung, kann auf die Manschette 25 aufgesetzt und festgeklemmt werden, und sie ist mit dem Luftkasten (nicht gezeigt) der Maschine verbunden, von welchem Luft zu dem Inneren des Körpers 20 geliefert wird, wie nachfolgend beschrieben wird. Auf einem axialen Ende des Körpers 20 ist ein linearer elektrischer Motor 26 mit einem Be festigungsflansch 27 durch Befestigungsbolzen 28 befestigt, die den Flansch 27 an dem Körper 20 befestigen. Der Motor empfängt elektrische Energie über den Anschluß 29.
Es wird nun auf die Schnittansicht in Fig. 3 Bezug genommen, in der der Körper 20 eine im wesentlichen mittlere innere Kammer 30 in direkter Verbindung mit der Einlaßöffnung 22 und jeweilige Endkammern 31 und 31a in Verbindung mit den jeweiligen Auslaßöffnungen 21 aufweist. Koaxiale Übertragungsöffnungen 32 und 33, die koaxial mit der Spindel 35 des linearen Motors 26 angeordnet sind, stellen jeweils eine Verbindung zwischen der mittleren Kammer 30 und den Endkammern 31 und 31a her. Das Spulenventil 36 hat im Abstand angeordnete koaxiale Ventilköpfe 37 und 38, welche in den Öffnungen 32 bzw. 33 sitzen.
Die einstückig mit dem Spulenventil 36 ausgebildete Spindel 40 ist mit der Motorspindel 35 des linearen Motors 26 gekoppelt. An dem entgegengesetzten Ende des Spulenventils 36 ist eine weitere einstückig mit diesem ausgebildete Spindel 42 vorgesehen, die für eine axial gleitende Bewegung in der Manschette 43 gelagert ist, welche einstückig mit der Kappe 44 ausgebildet ist. Die Spindel 42 ist mit einem axialen Durchgang 45 und einem verbindenden Übertragungsdurchgang 46 versehen, so daß Fluid nicht in dem unteren Ende der Bohrung 47 in der Manschette 43 eingeschlossen wird und hierdurch die freie Bewegung des Spulenventils 36 behindert.
Eine wendelförmige Druckfeder 48 sitzt auf der Schulter 49, die auf der inneren Fläche der Kappe 44 gebildet ist, und sitzt am entgegengesetzten Ende um den leichten Vorsprung 15, der auf dem Ventilkopf 38 vorgesehen ist. Die Kappe 44 ist bei 51 in das Ende des Körpers 20 eingeschraubt, so daß die von der Feder 48 auf das Spulenventil 36 ausgeübte Vorspannung eingestellt werden kann. Es ist aus der obigen Beschreibung ersichtlich, daß das Spulenventil 36 in dem Körper 20 axial bewegt werden kann durch die Betätigung des linearen Motors 26, um den Öffnungsgrad der Öffnungen 32 und 33 zu verändern, wodurch die Geschwindigkeit der Luftströmung aus der mittleren Kammer 30 in die jeweiligen Endkammern 31 und 31a und von diesen durch die Auslaßöffnungen 21 gesteuert wird. Die Doppelendform des Spulenventils 36 und die beiden zusammenwirkenden Endkammern 32, 33 erzielen einen im Wesentlichen ausgeglichenen Druck auf das Spulenventil 36, so daß die von dem linearen Motor 26 gelieferte Leistung, die zur Betätigung des Spulenventils 33 erforderlich ist, erheblich herabgesetzt ist und grundsätzlich nur erforderlich ist, um die von der Feder 48 auf das Spulenventil 36 ausgeübte Last zu überwinden.
Dies trägt zu der Herabsetzung der anfänglichen Kosten des linearen Motors 26 bei und verringert auch den Energieabfluss des elektrischen Systems der Maschine durch die Betätigung des Ventilmechanismus.
Die vorbeschriebene Konstruktion des vom elektrischen Motor betriebenen Ventils, wie in den Fig. 2 und 3 illustriert ist, ist nur ein Beispiel eines geeigneten Ventils zur Verwendung bei der Steuerung der Luftströmung in dem sekundären Luftdurchgang. Zahlreiche andere Konstruktionen können verwendet werden.
Hinsichtlich der ECU, auf die in diesem Beispiel Bezug genommen wurde, kann diese von jeder der bekannten Konstruktionen und so programmiert sein, daß sie besonderen Anforderungen genügt. Die Verwendung einer derartigen ECU zur allgemeinen Steuerung der Kraftstoffzuführungsgeschwindigkeit und der Luftzuführung zu Verbrennungsmaschinen ist bekannt und wurde daher hier nicht im Einzelnen beschrieben.
Wie vorstehend angedeutet wurde, kann das gerade mit Bezug auf die Fig. 2 und 3 beschriebene Ventil 18 auch bei der Steuerung des Maschinenhochlaufs verwendet werden. Die Verwendung des beschriebenen Ventils erfordert keine konstruktive Änderung, um diese Funktion durchzuführen, sondern es ist nur eine geeignete Programmierung der ECU 17 erforderlich. In dieser Hinsicht wird die ECU 17 so programmiert, daß sie die Anstiegsgeschwindigkeit der Maschinengeschwindigkeit oberhalb eines voreingestellten Pegels erfasst gleichzeitig mit der Rückkehr der vom Fahrer betätigten Drosselsteuerverbindung 14 zu der geschlossenen Stellung des Drosselventils. Diese Kombination von Maschinenparametern zeigt die Existenz von Zuständen an, die zu einem Maschinenhochlauf führen, und die ECU ist so programmiert, daß bei der Existenz hiervon der Motor 26 erregt wird, um das Spulenventil 36 in die maximal geöffnete Position zu bringen, um eine maximale Zuführung von Luft durch den sekundären Durchgang 13 zu ermöglichen.
Die ECU 17 ist auch programmiert, um nur das Spulenventil 36 zu der maximal geöffneten Position zu bewegen, wenn die obige Kombination von Maschinenparametern erfasst wird und die Maschinengeschwindigkeit oberhalb eines voreingestellten Wertes wie beispielsweise 2500 Umdrehungen pro Minute ist, und das Spulenventil während einer ausgewählten Zeit intern offenzuhalten oder bis die Maschinengeschwindigkeit unter die voreingestellte Maschinengeschwindigkeit fällt. Vorzugsweise ist die ECU 17 so programmiert, daß, wenn die Maschinengeschwindigkeit unter den voreingestellten Wert fällt, während die Maschine im Hochlauf ist, das Spulenventil 36 vollständig geschlossen ist, um das Vakuum in dem Maschineninduktionssystem zu maximieren.
Schließlich ist die ECU 17 so programmiert, daß sie die Kraftstoffzuführung zu der Maschine beendet, während die ECU eine Hochlaufgeschwindigkeits- Steuerfolge durchführt.
Der Vorteil des vorstehende beschriebenen Luftzuführungssystems ist ersichtlich aus einer Betrachtung der in den die Fig. 4 und 5 bildenden Diagrammen dargestellten Informationen. Die Diagramme zeigen die Zuführungsgeschwindigkeit der gesamten Luft bzw. das gesamte Luft/Kraftstoff-Verhältnis gegenüber der Kraftstoffzuführung gemessen auf der Basis Zylinder pro Zyklus der Maschine. Die Informationen wurden erhalten durch Untersuchungen an einer 1200 Kubikzentimeter Dreizylinder-Zweitaktmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung und Funkenzündung. In Bezug auf eine derartige Maschine in einem angemessenen Fahrzeug entspricht das obere Ende des Fahrzyklus unter den Emissionsregelungen der Vereinigten Staaten von Amerika angenähert einer Kraftstoffgeschwindigkeit von 9 mg pro Zylinder pro Zyklus (mg/cyl/cyc), das etwa 40% der Maschinennennleistung ist. Bei normalem Gebrauch des Fahrzeugs auf der Straße kann die Kraftstoffgeschwindigkeit der Maschine bis zu etwa 15 mg/cyl/cyc sein, 60% der Nennleistung. Es ist insbesondere festzustellen, daß in Fig. 5 das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Grundlage der Gesamtmenge des pro Zylinder pro Zyklus zugeführten Kraftstoffs ist, und somit sind die Luft/Kraftstoff- Verhältnisse relativ mager. Jedoch ist das Luft/Kraftstoff-Verhältnis an der Zündkerze beträchtlich fetter aufgrund anderer Verbrennungssystem- Steuerungen wie der Injektion und der Zündzeit und Kraftstoffschichtung.
Es wird nun auf die in den Fig. 4 und 5 gezeigten Diagramme Bezug genommen, und es ist aus Fig. 4 ersichtlich, daß in dem Lastbereich, der eine niedrige Kraftstoff-Zuführungsgeschwindigkeit erfordert, die Geschwindigkeit der Luftzuführung zu der Maschine im Wesentlichen konstant bleibt, was eine wesentliche Herabsetzung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses darstellt, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, wenn die Kraftstoff-Zuführungsgeschwindigkeit zunimmt. Dies kann erreicht werden durch die Verwendung des zweiten Luftdurchganges als der einzigen Luftzuführung zu der Maschine, und die Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit hierdurch durch die ECU, um die im Wesentlichen konstante Geschwindigkeit der Luftzuführung nicht unter der direkten Steuerung des vom Fahrer betätigten Gaspedals oder die Drosselsteuerung zu erzielen.
Es ist auch aus Fig. 4 ersichtlich, daß in dem niedrigeren Geschwindigkeitsbereich die Luftzuführungsgeschwindigkeit im Wesentlichen konstant über einen wesentlichen Teil des Lastbereichs ist, selbst nachdem das Drosselventil in Betrieb gesetzt wurde. Dies wird erreicht durch Steuern der Luftströmung durch den sekundären Luftdurchgang, um eine Kompensation für die zunehmende Strömung durch den ersten Luftdurchgang zu geben.
Fig. 5 zeigt, daß in dem Maschinenlastbereich von etwa 5 bis 8 mg/cyl/cyc, das sind 20% bis 35% der Nennleistung, das gelieferte Luft/Kraftstoff-Verhältnis etwas kraftstoffreich ist, und dies wird erzielt durch die Verwendung des zweiten Luftdurchgangs unter der Steuerung der ECU, um die Luftströmung zu reduzieren, obgleich sogar der vom Fahrer betätigte Mechanismus, wenn er direkt mit dem Maschinen- Drosselventil gekoppelt wäre, die Luftströmungsgeschwindigkeit erhöhen würde. Die Anreicherung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in diesen Bereich des Maschinenbetriebs trägt zu der Steuerung von NOx- Emissionen bei, da die Steuerung von NOx in Beziehung zu dem Luft/Kraftstoff-Gesamtverhältnis der Maschinencharge steht, eher als zu dem örtlichen Luft/Kraftstoff-Verhältnis an der Zündkerze.
Die Übereinstimmung eines Fahrzeug mit den verschiedenen die Emissionen festlegenden Regelungen wird bestimmt in Beziehung zu einem vorgeschriebenen Fahrzyklus, welcher in Bezug auf ein Fahrzeug, welches die Maschine enthält, von der die Daten für die Fig. 4 und 5 erhalten wurden, im Allgemeinen in dem Kraftstoff-Zuführungsgeschwindigkeitsbereich von 2 bis 9 oder 10 mg/cyl/cyc ist, d. h. bis zu etwa 40% der Maschinennennleistung. Demgemäß ist es wichtig, NOx innerhalb des Betriebsbereichs zu steuern, und die Verwendung eines zweiten Luftdurchgangs mit unabhängiger Steuerung der Luftströmung hierdurch zu der Maschine in Kombination mit einem herkömmlichen, drosselgesteuerten ersten oder Hauptluftdurchgang unterstützt die Durchführung einer angemessenen Steuerung von NOx durch Steuerung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses.

Claims

1. Verfahren zum Zuführen von Luft zu einer Verbrennungsmaschine mit einem Luftzuführungssystem, welches aufweist:

einen ersten Lufteinlaßdurchgang (11), durch welchen Luft zu der Maschine strömen kann;

eine erste Steuervorrichtung (12), die betätigbar ist, um die Luftströmungsgeschwindigkeit durch den ersten Durchgang zu verändern;

einen treiberbetätigten Mechanismus (14), der betriebsmäßig mit der ersten Steuervorrichtung gekoppelt ist, um die Luftströmungsgeschwindigkeit durch den ersten Durchgang zu der Maschine in Abhängigkeit von dem Verlangen des Fahrers zu ändern;

einen zweiten Lufteinlaßdurchgang (13), durch welchen Luft zu der Maschine strömen kann;

eine zweite Steuervorrichtung (18), welche betätigbar ist, um die Luftströmungsgeschwindigkeit durch den zweiten Durchgang zu ändern; und

eine Betätigungsvorrichtung (2, 5, 6, 17), welche in Abhängigkeit von erfaßten Maschinenbetriebsbedingungen betätigbar ist, um die zweite Steuervorrichtung zum Ändern der Luftströmungsgeschwindigkeit durch den zweiten Durchgang zu der Maschine zu betätigen;

wobei die erste Steuervorrichtung und die zweite Steuervorrichtung so betätigbar sind, daß an einigen Betriebspunkten der Maschine die Luft allein durch den ersten oder den zweiten Luftdurchgang oder gleichzeitig durch beide zu der Maschine geliefert werden kann; und

wobei der vom Fahrer betätigte Mechanismus und die Betätigungsvorrichtung betriebsmäßig so angeordnet sind, daß während eines anfänglichen Abschnitts der vom Fahrer induzierten Bewegung des vom Fahrer betätigten Mechanismus von einer Maschinen-Leerlaufposition aus im Wesentlichen die gesamte Luftzuführung zu der Maschine durch den zweiten Luftdurchgang (13) erfolgt,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Betätigungsvorrichtung so angeordnet ist, daß während wenigstens eines ersten Teils des anfänglichen Abschnitts der vom Fahrer induzierten Bewegung von einer Maschinen- Leerlaufposition aus die zweite Steuervorrichtung nicht wesentlich die Masse der pro Zylinder durch den zweiten Lufteinlaßdurchgang gelieferten Luft erhöht.

2. Verfahren zum Zuführen von Luft zu einer Verbrennungsmaschine nach Anspruch 1, worin der anfängliche Abschnitt der vom Fahrer induzierten Bewegung sich von der Maschinen-Leerlaufposition der vom Fahrer betätigten Vorrichtung zu zumindest der Position entsprechend einem Viertel der maximalen Maschinenlast erstreckt.

3. Verfahren zum Zuführen von Luft zu einer Verbrennungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, worin die Betätigungsvorrichtung eine elektronische Steuereinheit (17) enthält, um Eingangssignale von mehreren Sensorvorrichtungen (2, 6) zu empfangen, welche die Maschinenbetriebsbedingung anzeigen, enthaltend eine Sensorvorrichtung (2), die die Position des vom Fahrer betätigten Mechanismus anzeigt, und eine Luftströmungs- Sensorvorrichtung (6), um die tatsächliche Ge samtluftzuführung zu der Maschine zu erfassen und aus wenigstens einigen der Eingangssignale die Kraftstoff- und Luftmenge zu bestimmen, die zur Herstellung eines ausgewählten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses erforderlich sind, wobei die elektronische Steuereinheit weiterhin programmiert ist, um die erfaßte tatsächliche Gesamtluftzuführung mit einer bestimmten Luftmenge zu vergleichen und die zweite Steuervorrichtung zu betätigen für die Einstellung der Luftströmungsgeschwindigkeit durch den zweiten Durchgang, um jegliche Veränderung zwischen der tatsächlichen und der bestimmten Luftzuführung zu der Maschine zu korrigieren.

4. Verfahren zum Zuführen von Luft zu einer Verbrennungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, worin die Betätigungsvorrichtung eine elektronische Steuereinheit (17) enthält, welche angeordnet ist, um Eingangssignale von mehreren Sensorvorrichtungen (2, 6) enthaltend eine Maschinengeschwindigkeits-Sensorvorrichtung und eine Sensorvorrichtung (2) für die Position des vom Fahrer betätigten Mechanismus zu empfangen, wobei die elektronische Steuereinheit programmiert ist, um aus den Eingangssignalen von wenigstens einigen der Sensorvorrichtungen einen Maschinenbetriebszustand zu bestimmen, der einer Maschinengeschwindigkeits-Überschreitung förderlich ist, und die elektronische Steuereinheit ausgebildet ist, um so auf die Erfassung dieses Zustands zu reagieren:

1. Beenden der Kraftstoffzuführung zu der Maschine;

2. Betätigen der zweiten Steuervorrichtung (18), um die maximale Luftströmungsgeschwindigkeit durch den zweiten Luftdurchgang zuzulassen;

3. Aufrechterhalten von 1. und 2., bis die Maschinengeschwindigkeit unter einen voreingestellten Wert fällt.

5. Verfahren zum Zuführen von Luft zu einer Verbrennungsmaschine nach Anspruch 4, worin die elektronische Steuereinheit (17) so ausgebildet ist, daß sie die zweite Steuervorrichtung (18) betätigt, um eine Luftströmung durch den zweiten Luftdurchgang (13) zu verhindern, nachdem die Maschinengeschwindigkeit unter den voreingestellten Geschwindigkeitswert gefallen ist und während diese Maschinenbetriebszustände andauern.

6. Verfahren zum Zuführen von Luft zu einer Verbrennungsmaschine nach Anspruch 3, worin die mehreren Sensorvorrichtungen eine Maschinengeschwindigkeits-Sensorvorrichtung enthalten und die elektronische Steuereinheit so programmiert ist, daß sie aus den Eingangssignalen von wenigstens einigen der Sensorvorrichtungen einen Maschinenbetriebszustand bestimmen, der für eine Maschinengeschwindigkeits-Überschreitung förderlich ist, und worin die elektronische Steuereinheit (17) so ausgebildet ist, daß sie auf die Erfassung dieses Zustands so reagiert:

1. Beenden der Kraftstoffzuführung zu der Maschine;

2. Betätigen der zweiten Steuervorrichtung (18), um die maximale Luftströmungsge schwindigkeit durch den zweiten Luftdurchgang zuzulassen;

3. Aufrechterhalten von 1. und 2. bis die Maschinengeschwindigkeit unter einen voreingestellten Wert fällt.

7. Verfahren zum Zuführen von Luft zu einer Verbrennungsmaschine nach Anspruch 6, worin die elektronische Steuereinheit (17) so ausgebildet ist, daß sie die zweite Steuervorrichtung betätigt, um eine Luftströmung durch den zweiten Luftdurchgang zu verhindern, nachdem die Maschinengeschwindigkeit unter den voreingestellten Geschwindigkeitswert gefallen ist und während diese Maschinenbetriebszustände andauern.