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Die Erfindung betrifft eine Zweitakt-Brennkraftma- schine, mit mindestens einem Zylinder, mindestens einer Einlassöffnung bzw. Gruppe von Einlassöffnungen und zwei jeweils durch eine Nockenwelle gesteuerten Auslassventilen bzw. Gruppen von Auslassventilen pro Zylinder, welche die Strömungsverbindung zwischen Brennraum und jeweils einen ersten oder zweiten Abgasstrang herstellen, wobei die Steuerzeit des einem ersten Abgasstrang zugeordneten ersten Auslassventiles bzw. der ersten Gruppe von Auslassventilen in Abhängigkeit von Last und/oder Drehzahl der Brennkraftmaschine nach früh verstellbar ist, sowie mit einem Abgasturbolader zur Verdichtung der Ansaugluft.
Zweitakt-Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselbrennkraftmaschinen, werden aufgrund ihres günstigen Leistungsgewichtes sowie ihrer kompakten Bauweise wieder vermehrt in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten eingesetzt. Um eine ähnliche Energieausbeute wie bei Viertakt-Motoren zu erhalten, muss beim Zweitakt-Motor die Abgasenergie zum Antrieb von Ladern, wie z. B. Turbolader oder ähnliche, zumindest zum Teil, ausgenützt werden.
Bei Aufladung eines Zweitakt-Motors durch einen Turbolader ist jedoch die Startwilligkeit und der Betrieb des Motors bei niedrigen Drehzahlen aufgrund der bei dieser Drehzahl zu geringen Förderung von Luft durch den Lader problematisch.
In der europäischen Patentanmeldung mit der Nummer EP-93890094. 1 wird eine Zweitakt-Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei der die Steuerzeit zumindest eines Auslassventiles gegenüber der Steuerzeit eines anderen Auslassventiles des gleichen Zylinders'vorverstellt wird, wodurch das Ansprechverhalten des Turboladers verbessert werden kann. Dabei wird allerdings das gesamte Abgas über die Abgasturbine geleitet. Eine Anpassung der Abgasturbinendrehzahl auf unterschiedliche Motorbetriebszusttände ist nur sehr eingeschränkt möglich.
I Weiters ist aus der EP-PS 0 192 796 eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der zur Erhöhung der Leistung des Abgasturboladers bei niedriger Last und/oder Drehzahl der Brennkraftmaschine der öffnungsbeginn nach Früh verstellt wird, sodass ein vorbestimmter Druck in der verdichteten Verbrennungs-
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luft nicht unterschritten wird. Die Regelung des öffnungsbe- ginnes erfolgt allerdings ausschliesslich in Abhängigkeit vom Ladedruck, sodass nicht alle Betriebspunkte des Motors bei unterschiedlicher Drehzahl erfasst werden können. Massnahmen zur Verbesserung des Ansprechverhaltens des Laders in der Startphase sind keine vorgesehen.
Weiters ist es bekannt, zur Verdichtung der Ansaugluft in Strömungsrichtung gesehen, nach dem Verdichterteil der Abgasturbine einen mechanisch durch die Kurbelwelle angetriebenen Verdichter anzuordnen, wobei die gesamte Ansaugluft sowohl den Turbolader als auch den mechanischen Lader durchströmt. Eine Beeinflussung der Aufladung in Abhängigkeit vom Motorbetriebszustand ist nur in unzureichendem Ausmass möglich.
Ferner ist es bekannt, die Abgasturbine mechanisch mit der Kurbelwelle zu koppeln, wobei die Turbinenwelle durch eine Freilaufkupplung ab einer gewissen Drehzahl vom mechanischen Antrieb getrennt wird. Dadurch kann besonders in niederen Drehzahl- und Lastbereichen die Aufladung und die Spülung des Brennraumes verbessert werden. Diese Lösung ist allerdings, insbesondere für kleinvolumige Dieselmotoren, wegen der nötigen zahlreichen mechanischen Teile meistens zu platzaufwändig.
Aufgabe der Erfindung ist, diese Nachteile zu vermeiden, und die Aufladung einer insbesonders kleinvolumigen Brennkraftmaschine derart zu verbessern, dass in allen Motoretriebsbereichen die Aufladung an die Erfordernisse angepasst und ein optimaler Wirkungsgrad erreicht werden kann.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass von den beiden Abgassträngen nur der erste über den Turbinenteil des Abgasturboladers geführt ist. Der zum ersten Abgasstrang führende Auslass wird dabei durch die vorverstellte Steuerzeit zuerst geöffnet, sodass zum Antrieb des Turboladers für kurze Zeit der gesamte Abgasdruck zur Verfügung steht. Nach öffnen des zweiten Auslasses kann das im Brennraum verleibende Abgas über den zweiten Abgasstrang, ohne durch eine Abgasturbine gehindert zu werden, gegebenenfalls über Katalysator und Schalldämpfer, ins Freie gelangen.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Vorverstellung der Steuerzeiten des oder der ersten Auslassventile durch Verdrehen zumindest einer Nockenwelle oder zumindest eines Nockens der
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Nockenwelle von einer Normalposition für den optimalen Motorbetrieb bei Vollast in eine vorverstellte Position für den optimalen Motorbetrieb bei der jeweiligen Teillast und/oder Drehzahl stufenlos erfolgt. Durch die stufenlose Vorverstellbarkeit der ersten Auslassventile kann die an die Abgasturbine abzugebende Abgasenergie je nach den Erfordernissen, dosiert werden. Vorteilhafterweise kann dies dadurch erfolgen, dass zur Vorverstellung der Steuerzeiten an einer der Nockenwellen ein Phasenversteller vorgesehen ist, welcher in Abhängigkeit von Motorbetriebsparametern, wie Last, Temperatur und Drehzahl, durch eine elektronische Kontrolleinheit steuerbar ist.
Damit ist gewährleistet, dass die Turbine bei allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine ausreichend Energie bekommt, damit der Verdichter die für den Spülvorgang notwendige Luftmenge liefern kann. Dies wird besonders dann erreicht, wenn im Motorbetrieb das Maximum der Vorverstellung der Steuerzeit des ersten Auslassventiles bzw. der ersten Gruppe von Auslassventilen bei der jeweiligen Drehzahl im Teillastbereich zwischen einem Drittel bis zwei Drittel der Vollast liegt.
Zur weiteren Verbesserung des Ansprechverhaltens des Abgasturboladers kann zusätzlich ein die Ansaugluft verdichtender mechanischer Lader in der Ansaugleitung vorgesehen sein. In einer möglichen Ausführungsvariante ist der mechanische Lader zu dem Verdichterteil des Abgasturboladers parallel geschaltet, wobei in Strömungsrichtung unmittelbar nach dem mechanischen Lader und nach dem Verdichterteil des Abgasturboladers jeweils ein Rückschlagventil vorgesehen ist. Bei gewissen Motorbetriebszuständen, beispielsweise niedriger Drehzahl und/oder Teillast, erfolgt die Aufladung überwiegend über den mechanischen Lader.
In Bereichen höherer Last und/oder Drehzahl, wird die Nockenwelle des ersten Auslasses nach Früh verstellt und damit ein höheres Druckniveau vom Zylinder auf die Turbine gebracht, wodurch der Verdichterteil des Turboladers Ansaugluft mit höherem Druck liefert, als der mechanische Lader. Sobald sich das dem mechanischen Lader nachgeschaltete Rückschlagventil schliesst, erfolgt die Aufladung ausschliesslich durch den Abgasturbolader.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der mechanische Lader dem Verdichterteil des Ab-
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gasturboladers vorgeschaltet ist, wobei in einer den mechanischen Lader umgehenden Bypassleitung ein Rückschlagventil angeordnet ist. Im Gegensatz zu dem parallel geschalteten mechanischen Lader benötigt diese einfache Anordnung nur ein Rückschlagventil. Der Luftstrom aus dem mechanisch angetriebenen Lader kann über das Verdichterrad die Turboladerwelle antreiben, wodurch bereits ein niederer Druckzustand im ersten Abgasstrang vorherrscht, auch wenn die Steuerzeit des ersten Auslasses noch nicht vorverstellt ist. Dadurch wird die Zylinderentleerung unterstützt.
Sobald beispielsweise bei höherer Last und/oder Drehzahl die Nockenwelle des ersten Auslasses nach Früh verstellt wird, übernimmt allmählich der Turbolader die Aufladung des Motors, sodass der mechanische Lader stillgelegt werden kann.
Die Stillegung des mechanischen Laders kann in vor- teilhafter Weise dadurch erreicht werden, dass der mechanische Lader elektromagnetisch vom Antrieb abkoppelbar ist. Zum Antrieb des mechanischen Laders muss somit nur Energie aufgebracht werden, wenn dieser zur Aufrechterhaltung eines optimalen Motorbetriebes notwendig ist.
Zur Erzielung eines guten Füllungsgrades ist es weiters vorteilhaft, wenn stromabwärts des oder der Lader ein Ladeluftkühler angeordnet ist.
In einer äusserst vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung sind insgesamt vier Auslassventile vorgesehen, welche paarweise von zwei Nockenwellen betätigbar und symmetrisch um die Position einer Einspritzdüse angeordnet sind.
Diese Ausführungsvariante zeichnet sich durch beste Spülergebnisse (Längsspülung) und gute Einspritzbedingungen durch die zentral angeordnete Einspritzdüse aus. Durch den grossen Auslassquerschnitt der vier Auslassventile wird ein rascher Ladungswechsel gewährleistet, wobei jeweils zwei Auslasskanäle in einen Abgasstrang münden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine erfindungsgemässe Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung, Fig. 2 und 3 weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung, Fig. 4 und 5 Ventilhubdiagramme in Abhängigkeit des Kurbelwinkels, sowie Fig. 6 ein Last/Drehzahlkennfeld mit eingezeichneten Bereichen der Steuerzeit-Vorverstellung.
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Funktionsgleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in Fig. 1 dargestellte Zweitakt-Brennkraftma- schine, beispielsweise eine Dieselbrennkraftmaschine, weist einen Zylinder l mit vom Kolben 2 gesteuerten Einlassschlit- zen 3 auf. Im Zylinderkopf 4 sind vier Auslassventile (zwei davon sichtbar) zu zwei Untergruppen mit jeweils zwei ersten Auslassventilen 5a und zwei zweiten Auslassventilen Sb zusammengefasst, welche jeweils von einer Nockenwelle 6a und 6b betätigbar sind. Die ersten 5a und zweiten Auslassventile Sb geben jeweils einen Strömungsweg zu einem ersten Abgasstrang 7a und einen zweiten Abgasstrang 7b frei, wobei im ersten Abgasstrang 7a der Turbinenteil 8'eines Abgasturboladers 8 angeordnet ist, welcher den in der Ansaugleitung 9 angeordneten Verdichterteil 8" antreibt.
Dem Verdichterteil 8" ist in der Ansaugleitung 9 ein Ladeluftkühler 10 nachgeschaltet. Mit 11 ist der Luftfilter am Beginn der Ansaugleitung bezeichnet.
Zur Verstellung der Steuerzeiten der ersten Auslassventile 5a ist an der Nockenwelle 6a ein Phasenversteller 12 vorgesehen, welcher über die Signalleitung 12a durch eine elektronische Kontrolleinheit 13 gesteuert wird. Die Kontrolleinheit 13 empfängt über verschiedene Sensoren, wie den Phasensensor 14 der Nockenwelle 6a, den Phasen bzw. Drehzahlsensor 15 der Kurbelwelle 20, den Lastsensor 16 an der Einspritzpumpe 19, sowie den Temperaturfühler 17 Daten über den Motorbetriebszustand. Die Signalleitungen zwischen den Sensoren und der Kontrolleinheit 13 sind mit den Bezugszeichen 14a, 15a, 16a und 17a bezeichnet. Durch die strichpunktierte Linie ist die Einspritzleitung 18a zwischen Einspritzpumpe 19 und Einspritzdüse 18 angedeutet.
In Fig. 2 ist dem Verdichterteil 8" des Abgasturboladers 8 ein mechanischer Lader 21 parallel geschaltet, wobei nach dem Verdichterteil 8" des Abgasturboladers 8 und nach dem mechanischen Lader 21 jeweils ein-Rückschlagventil 22 bzw. 23 angeordnet ist. Wird die Nockenwelle 6a durch den Phasenversteller 12 nach Früh verstellt, kann ein höheres Druckniveau vom Zylinder 1 auf den Turbinenteil 8'des Abgasturboladers 8 gebracht werden, wodurch der Verdichterteil 8" Luft mit höherem Druck als der mechanische Lader 21 liefert. Dabei wird das Rückschlagventil 23 geschlossen. über eine elektromagnetische
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Kupplung 21a kann der mechanische Lader 21 vom Motor abgekoppelt werden, der Motor fährt somit nur im Abgsturbobetrieb.
In der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsvariante ist der mechanische Lader 21 dem Verdichterteil 8" des Abgasturboladers 8 vorgeschaltet. In einer, den mechanischen Lader 21 umgehenden Bypassleitung 24 ist ein Rückschlagventil 25 vorgesehen. Bei niedriger Drehzahl des Abgasturboladers 8 kann der Luftstrom aus dem mechanischen Lader 21 bereits über den Verdichterteil 8" den Turbinenteil 8'des Abgasturboladers 8 antreiben, wodurch bereits ein niederer Druckzustand im ersten Abgasstrang 7a vorherrscht, wenn auch die Nockenwelle 6a noch nicht verdreht ist. Dadurch wird die Entleerung des Zylinders 1 unterstützt.
Sobald bei höherer Last und/oder Drehzahl die Nockenwelle 6a nach früh verstellt wird, übernimmt all- mählich der Abgasturbolader 8 die Aufladung, sodass der mechanische Lader 21 mittels der elektromagnetischen Kupplung 21a vom Antrieb abgekoppelt werden kann. Mit 26 sind Antriebsriemen für die Einspritzpumpe 19 und die Nockenwellen 6a, 6b bezeichnet.
Fig. 4 zeigt die Ventilerhebungskurven 5a'und 5b' der ersten und zweiten Auslassventile 5a bzw. 5b ohne Vorverstellung des ersten Auslassventiles 5a. In Fig. 5 dagegen sind die Ventilerhebungskurven 5a"und 5b"der ersten und zweiten Auslassventile 5a bzw. Sb mit einer Vorverstellung Sc des ersten Auslassventiles 5a gegenüber dem zweiten Auslassventil 5b von beispielsweise 150 Kurbelwinkel dargestellt.
Im in Fig. 6 ersichtlichen Beispiel eines Kennfeldes einer Zweitakt-Brennkraftmaschine ist für jede Last L und Drehzahl n die zugehörige Vorverstellung der Steuerzeit des Auslassventiles dargestellt. Die eingezeichneten Muschelkurven symbolisieren die Bereiche der Vorverstellung. niolo entspricht der Nenndrehzahl, nso der halben Nenndrehzahl und ni¯ der Leerlaufdrehzahl.
Im Kennfeld ist weiters der Vollastbereich mit Loo, sowie die Teillastbereiche bei 30%, 50% bzw. 75% der Vollast Loo mif Lso, Lso bzw. L7s bezeichnet. Der Bereich A bezieht sich auf eine Standard-Steuerzeit, beispielsweise bei Vollast Lico und Nenndrehzahl niolo, Bereich B deutet eine bis etwa 150 Kurbelwinkel gegenüber der Standardsteuerzeit, Be-
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reich C eine zwischen etwa 150 und etwa 200 Kurbelwinkel vorverstellte Steuerzeit an.
Im Bereich D ist die Steuerzeit zwischen etwa 20 und etwa 250 Kurbelwinkel vorverstellt. Um jeden Motorbetriebspunkt abdecken zu können, sind stetige Bereichsübergänge, sowie ein kontinuierliches Ansteigen der Vorverstellung innerhalb eines Bereiches vorteilhaft.
Wie in Fig. 6 gezeigt, liegt das Maximum der Vorverstellung bei der jeweiligen Drehzahl, durch die strichpunktiert eingezeichnete Linie m verdeutlicht, innerhalb eines strichliert angedeuteten Streubereiches S von etwa z30 Kurbelwinkel im Bereich der halben Vollast.
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