DE102009013699A1

DE102009013699A1 - Viertaktmotor und Verfahren zum Ansteuern des Einlassventils

Info

Publication number: DE102009013699A1
Application number: DE102009013699A
Authority: DE
Inventors: Robert Richter
Original assignee: RI SPORT AUTOMOBILTECHNIK GmbH; RI-SPORT AUTOMOBILTECHNIK GmbH
Current assignee: RI-SPORT AUTOMOBILTECHNIK GMBH, 50170 KERPEN, DE
Priority date: 2009-03-20
Filing date: 2009-03-20
Publication date: 2010-09-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Viertaktmotor, welcher einen Ansaugtakt, einen Verdichtungstakt, einen Arbeitstakt und einen Ausstoßtakt aufweist, wobei der Viertaktmotor einen Zylinder mit verschiebbarem Kolben aufweist, wobei der Kolben insbesondere kraftübertragend mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist, wobei der Zylinder wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil aufweist, welche über eine Ventilsteuervorrichtung ansteuerbar sind, wobei eine Luftzufuhr über eine Zuleitung über das geöffnete Einlassventil in dem Zylinder erfolgt, wobei die Zuleitung ein Einwegeventil aufweist, sodass sich zwischen Einwegeventil und Einlassventil ein abgeschlossener Raum bildet. Dadurch regelt das Einwegeventil die Luftzufuhr in den Zylinder und das Einlassventil schützt das Einwegeventil vor hohen Temperaturen und Druck, die zu Verbrennungen oder mechanischen Beschädigungen an dem Einwegeventil führen könnten. Durch diese Realisation können Tuning- und Rennnockenwellen sinnvoll im allgemeinen Straßenverkehr eingesetzt werden. Die allgemeine Leistungsfähigkeit, insbesondere im Drehmomentverlauf, kann verbessert werden, sodass auch kleinvolumige Motoren eingesetzt werden können.

Description

Die Erfindung betrifft einen Viertaktmotor, welcher einen Ansaugtakt, einen Verdichtungstakt, einen Arbeitstakt und einen Ausstoßtakt aufweist, wobei der Viertaktmotor einen Zylinder mit einem verschiebbaren Kolben aufweist, wobei der Kolben insbesondere kraftübertragend mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist und der Zylinder wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil aufweist, welche über eine Ventilsteuervorrichtung ansteuerbar sind, wobei eine Luftzufuhr über eine Zuleitung und über das geöffnete Einlassventil in dem Zylinder erfolgt.
Insbesondere im Tuning- und im Rennwagenbereich werden die Öffnungszeiten der Einlassventile verlängert. So öffnet das Einlassventil bei einem frisierten Motor mit einer Tuningnockenwelle je nach Nockenwelle im Ausstoßtakt weit vor dem oberen Totpunkt des Zylinders (z. B. bei einer 320° Nockenwelle 70° vor dem Totpunkt). Dies hat zur Folge, dass der Motor erst ab Drehzahlen von 4.000 U/min eine effektive Kraftübertragung leistet. Dieser Effekt lässt sich folgenderweise erklären.
Bei niedrigen Drehzahlen drückt der Kolben das im Zylinder befindliche Gemisch im Zylinder durch das geöffnete Einlassventil zurück in den Einlasstrakt. Dies führt zu einer geringen Leistungsabgabe des Motors im Bereich der niedrigen Drehzahlen.
Dies hat zur Folge, dass derart frisierte Motoren für den Straßengebrauch nicht geeignet sind. Zudem muss der Fahrer über erhebliches fahrerisches Können verfügen, um Rennwagen mit solchen Motoren optimal zu bedienen.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
Gelöst wird die Aufgabe durch einen Viertaktmotor, welcher einen Ansaugtakt, einen Verdichtungstakt, einen Arbeitstakt und einen Ausstoßtakt aufweist, wobei der Viertaktmotor einen Zylinder mit einem verschiebbaren Kolben aufweist und der Kolben insbesondere kraftübertragend mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist, wobei der Zylinder wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil aufweist, welche über eine Ventilsteuervorrichtung ansteuerbar sind, und eine Luftzufuhr aber eine Zuleitung über das geöffnete Einlassventil in den Zylinder erfolgt und. die Zuleitung ein Einwegeventil aufweist, sodass sich zwischen Einwegeventil und Einlassventil ein abgeschlossener Raum ausbildet.
Dadurch kann vorteilhafter Weise verhindert werden, dass der in der Aufwärtsbewegung befindliche Kolben das im Zylinder vorherrschende Gemisch über das Einlassventil zurück in einen Einlasstrakt drückt, da dies durch das Einwegeventil verhindert wird.
Der hier vorgeschlagene Viertaktmotor kann mehrere Zylinder aufweisen, insbesondere drei, vier, fünf, sechs, acht, zehn oder zwölf Zylinder. In jedem der Zylinder können mehrere Einlass- und/oder Auslassventi le vorgesehen sein. Diese Ventile werden über die Ventilsteuervorrichtung geöffnet und geschlossen. Insbesondere können über die Ventilsteuervorrichtung der Öffnungs- und Schließzeitpunkt und die Öffnungs- und Schließlänge drehzahlabhängig oder leistungsabhängig eingestellt werden.
Das hier zur Verwendung kommende Einwegeventil sperrt in einer Richtung den Gasfluss während hingegen in anderer Richtung ein Gasfluss ermöglicht wird.
Der abgeschlossene Raum kann so ausgestaltet werden, dass das Volumen des abgeschlossenen Raumes zwischen 0,1% und 10%, insbesondere zwischen 0,1% und 2% des Hubraumes des Zylinders aufweist. Dadurch kann vorteilhafter Weise die Kompression des Gemisches im abgeschlossene Raum verringert werden.
Um den Viertaktmotor in gewöhnlichen Fahrzeugen einzusetzen, kann die Ventilsteuerung durch eine Nockenwelle verkörpert sein. Nockenwellen der hier genannten Art umfassen insbesondere Nockenwellen, wie sie bei heutigen Serienfahrzeugen zum Einsatz kommen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Ventilsteuerung durch eine Tuningnockenwelle verkörpert sein. Dadurch kann vorteilhafter Weise der Viertaktmotor für das Tuning mit Tuningnockenwellen eingesetzt werden. Tuningnockenwellen der hier beschriebenen Art verlängern insbesondere die Öffnungsdauer des Einlassventils.
Um den hier vorgeschlagenen Viertaktmotor im Rennsport einzusetzen, kann die Ventilsteuerung durch eine Rennnockenwelle verkörpert sein. Diese Rennnockenwelle verlängern im Vergleich zu Tuningnockenwellen nochmals die Öffnungsdauer des Einlassventils.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Ventilsteuerung die Funktion der Nockenwelle und/oder der Tuningnockenwelle und/oder der Rennnockenwelle ausprägen. Dadurch können vorteilhafter Weise das mechanische Bauteil Nockenwelle und zugehörige Riemen oder Zahnräder oder Ketten entfallen.
Um eine moderne Ventilsteuerung für den Viertaktmotor einzusetzen, kann die Ventilsteuerung durch eine elektromechanische Steuereinheit verkörpert sein. Solche elektromechanische Steuereinheiten weisen meist ein Steuergerät, Sensoren und Aktuatoren auf. Dabei nehmen die Sensoren bestimmte Parameter auf und geben diese an das Steuergerät weiter. In dem Steuergerät ist softwaretechnisch ein Regelalgorithmus hinterlegt, welcher auf Basis der ermittelten Parameter ein Steuersignal berechnet. Dieses Steuersignal wird an den Aktuator übertragen. Der Aktuator ist an das Ventil gekoppelt und öffnet und schließt das Ventil anhand des Steuersignals.
Um ein möglichst kostengünstiges Bauteil einzusetzen, kann das Einwegeventil durch ein Membranwegventil verkörpert sein.
Weiterhin wird die Aufgabe gelöst, durch ein Verfahren zum Ansteuern des Einlassventils des zuvor beschrieben Viertaktmotors, wobei das Einlassventil in einem Öffnungsintervall mit einer Öffnungsobergrenze von 180° vor einem oberen Totpunkt des Kolbens und mit einer Öffnungsuntergrenze von 0° vor einem oberen Totpunkt des Kolbens geöffnet und in einem Schließintervall mit einer Schließobergrenze von 180° nach einem unteren Totpunkt des Kolbens und einer Schließuntergrenze von 0° nach einem unteren Totpunkt des Kolbes geschlossen wird, wobei das Öffnen und Schließen des Einlassventils durch die Ventilsteuervorrichtung erfolgen. Dadurch kann vorteilhafter Weise das Einlassventil das Einwegeventil vor Verbrennungen schützen.
Weiterhin kann vorteilhafter Weise die Öffnung des Einlassventils vor heute üblichen Öffnungszeiten gelegt werden. Zudem kann ebenfalls der Schließzeitpunkt nach heute üblichen Werten verlagert werden. Im Extremfall kann das Einlassventil nur im Arbeitstakt geschlossen bleiben. Ein solcher Extremfall liegt dann vor, wenn das Öffnen des Einlassventils 180° vor dem oberen Totpunkt und das Schließen des Kolbens 180° nach dem unteren Totpunkt erfolgt. Dadurch kann ein Einwegeventil die Funktion eines üblichen Einlassventils übernehmen, wobei das Einlassventil den Schutz für das Einwegeventil dadurch bewirkt, dass bei hohen Temperaturen und Druck das Einlassventil geschlossen wird.
Um den Motor an spezielle Gegebenheiten anzupassen, kann die Öffnungsobergrenze den Wert 150°, 120°, 90°, 70°, 60°, 50°, 40° oder 30° vor dem oberen Totpunkt des Kolbens aufweisen.
In einer weiteren Ausprägungsform des Verfahrens kann die Öffnungsuntergrenze den Wert 10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 35° oder 40° vor dem oberen Totpunkt des Kolbens aufweisen. Dadurch wird vorteilhafter Weise der Motor einstellbar.
Um beispielsweise den Motor auf Rennbedingungen einzustellen, kann die Schließobergrenze den Wert 150°, 120°, 90°, 70°, 60°, 50°, 40° oder 30° nach dem unteren Totpunkt des Kolbens aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann die Schließuntergrenze den Wert von 10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 35° oder 40° nach dem unteren Totpunkt des Kolbens aufweisen. Dadurch kann insbesondere für Rennanforderungen der Motor angepasst werden.
Im Weiteren wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Figur erläutert.
Dabei zeigt
1 einen schematischen Schnitt durch den Zylinder eines Viertaktmotors.
Die 1 zeigt einen Zylinder 101, in dem ein Kolben 103 beweglich gelagert ist. Der Kolben 103 ist an die Kurbelwelle 113 gekoppelt.
Weiterhin befindet sich der Kolben 103 in der Nähe des oberen Totpunktes. Über die Zuleitung 117 kann in Pfeilrichtung ein Luftstrom über das Einwegeventil 109 und den abgeschlossenen Raum 115 und über das geöffnete Einlassventil 105 in den Zylinder gelangen. Verbrannte Gase können über das Auslassventil 117 aus dem Zylinder entfernt werden. Die Ventile 107, 105 werden über die Nockenwelle 111 gesteuert (die Nockenwelle für das Einlassventil 105 ist nicht dargestellt).
Im Weiteren wird das Verhalten des Einlassventils 105 während der vier Takte des Motors beschrieben.
Im Ansaugtakt ist das Einlassventil 105 geöffnet. Durch die Bewegung des Kolbens 103 zum unteren Totpunkt ergibt sich ein Unterdruck, über den ein Luftstrom über die Zuleitung 117 über das Membranventil 109 und den abgeschlossenen Raum 115 in den Zylinder gelangt.
Im Verdichtungstakt bleibt das Einlassventil 105 geöffnet. Das Rückströmen der verdichteten Luft wird durch das Einwegeventil 109 verhindert. Das Einwegeventil 109 kann möglichst nah am Einlassventil 105 verortet sein, damit nur ein geringer Anteil der verdichteten Luft im abgeschlossenen Raum 115 verbleibt.
Im Arbeitstakt ist das Einlassventil 105 geschlossen und schützt so das Membranventil (Einwegeventil) vor den hohen Temperaturen und Druck im Verbrennungsraum 119.
Im Ausstoßtakt ist das Einlassventil wiederum geöffnet. Ein Einbringen der verbrannten Gase in die Zuleitung 117 wird durch das Membranventil 109 verhindert.

Claims

Viertaktmotor, welcher einen Ansaugtakt, einen Verdichtungstakt, einen Arbeitstakt und einen Ausstoßtakt aufweist, wobei der Viertaktmotor einen Zylinder mit einem verschiebbaren Kolben aufweist, wobei der Kolben insbesondere kraftübertragend mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist und der Zylinder wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil aufweist, welche über eine Ventilsteuervorrichtung ansteuerbar sind, und eine Luftzufuhr über eine Zuleitung über das geöffnete Einlassventil in den Zylinder erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung ein Einwegeventil aufweist, sodass sich zwischen Einwegeventil und Einlassventil ein abgeschlossener Raum bildet.
Viertaktmotor nach Anspruch 1, wobei die Ventilsteuerung durch eine Nockenwelle verkörpert ist.
Viertaktmotor nach Anspruch 1, wobei die Ventilsteuerung durch eine Tuningnockenwelle verkörpert ist.
Viertaktmotor nach Anspruch 1, wobei die Ventilsteuerung durch eine Rennnockenwelle verkörpert ist.
Viertaktmotor nach Anspruch 1, wobei die Ventilsteuerung die Funktion der Nockenwelle und/oder der Tuningnockenwelle und/oder der Rennnockenwelle ausprägt.
Viertaktmotor nach Anspruch 5, wobei die Ventilsteuerung durch eine elektromechanische Steuereinheit verkörpert ist.
Viertaktmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einwegeventil durch ein Membranventil verkörpert ist.
Verfahren zum Ansteuern des Einlassventils, des Viertaktmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil in einem Öffnungsintervall mit einer Öffnungsobergrenze von 180° vor einem oberen Totpunkt des Kolbens und mit einer Öffnungsuntergrenze von 0° vor einem oberen Totpunkt des Kolbens geöffnet und in einem Schließintervall mit einer Schließobergrenze von 180° nach einem unteren Totpunkt des Kolbens und einer Schließuntergrenze von 0° nach einem unteren Totpunkt des Kolbes geschlossen wird, wobei das Öffnen und Schließen des Einlassventils durch die Ventilsteuervorrichtung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Öffnungsobergrenze den Wert 150°, 120°, 90°, 70°, 60°, 50°, 40° oder 30° vor dem oberen Totpunkt des Kolbes aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei die Öffnungsuntergrenze den Wert 10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 35° oder 40° vor dem oberen Totpunkt des Kolbens aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Schließobergrenze den Wert 150°, 120°, 90°, 70°, 60°, 50°, 40° oder 30° nach dem unteren Totpunkt des Kolbens aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Schließuntergrenze den Wert 10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 35° oder 40° nach dem unteren Totpunkt des Kolbes aufweist.