DE112011102873T5

DE112011102873T5 - Verbrennugsmotor

Info

Publication number: DE112011102873T5
Application number: DE112011102873T
Authority: DE
Inventors: Aleksandr N. Volgin; Nikolai A. Volgin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2011-08-16
Publication date: 2013-10-31
Also published as: WO2012030255A9; WO2012030255A1

Abstract

Ein als Viertakt-Kolbenmotor ausgebildeter Verbrennungsmotor ist nach einem konventionellen Muster ausgebildet und weist einen Zylinder mit einem Kolben, ein Einlass- und ein Auslass-Tellerkompressionsventil auf, die in dem Zylinder eingebaut sind und mittels Steuernocken einer Nockenwelle angetrieben sind. Der Kolben versetzt eine Kurbelwelle über eine Pleuelstange in Rotation. Das kennzeichnende Merkmal der Erfindung ist eine sehr frühe Öffnung des Einlassventils, die lange vor dem OTK des Auslasshubs (40° und mehr) anfängt. Vor dem Einlassventil ist eine Ventilklappe in die Einlassleitung eingebaut. Die Ventilklappe ist mittels eines Elektromagneten (EMK 11) nach den Befehlen einer zentralen Leittechnik auf- und abwärts bewegt. Die gleiche Leittechnik steuert eine Kerze und eine Düse. Als Steuerzeiten für das Einlassventil sind maximale Zeiten gewählt, die groß genug sind, um eine maximale Ladung bei Hochdrehzahlen sicherzustellen, und sich nicht regeln lassen. Die Steuerung des Verbrennungsmotors (Veränderung der Ladung) erfolgt mit Hilfe einer elektromagnetischen Klappe, die auch die Funktionen eines Steuerzeitenverstellungssystems ausübt. Die elektrische Leistung für die Steuerung der elektromagnetischen Klappe ist gering (ca. 20 W).

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung ist im Motorenbau einsetzbar.
Der klassische Kolbenverbrennungsmotor wird trotz mehrerer Nachteile bis jetzt weit und breit in verschiedenen Verkehrsmitteln verwendet.
Dieser Verbrennungsmotor weist einen hohen Auspufftoxizitätsgrad bei niedrigen Drehzahlen (hoher Anteil an CO, CH) auf. Dies hängt damit zusammen, dass die Abgasträgheit beim Kolbenlauf nach oben am Ende des Auslasshubs klein ist, und die Abgase bleiben dann als Abgasreste (AGR) größtenteils in der Brennkammer zurück. Bei nachfolgenden Einlasshüben werden die Abgasreste mit der Frischladung vermengt und erschweren die Verbrennung der Frischladung.
Um die Auspufftoxizität am Ende des Auslasshubs zu vermindern, strebt man danach, die Brennkammer mit Luft aus dem Einlassrohr in der Richtung vom Einlassventil zum Auslassventil hin möglichst maximal zu spülen. Es wird angenommen, dass, je größer die Ventilüberschneidung ist, desto besser ist die Spülung.
Der optimale Spülungswirkungsgrad wird im Bereich von n = 1500 bis 3000 erreicht.
Mit der Drehzahlzunahme des Verbrennungsmotors geht die absolute Zeit, in der das Einlassventil völlig geöffnet ist, zurück. Dabei nimmt auch die Größe der in den Zylinder eintretenden Frischladung ab. Und ab einer gewissen Drehzahl hört die Moment- und dann auch die Leistungszunahme des Verbrennungsmotors auf. Bei Hochdrehzahlen spricht der Motor nicht an. Um die Ladung bei Hochdrehzahlen zu vergrößern, muss der Öffnungshub des Einlassventils so früh wie möglich vor dem OTK des Auslasshubs anfangen. Jedoch fangen die unter Hochdruck stehenden Abgase dabei an, nicht nur ins Auspuffsystem sondern auch in das Einlassrohr einzutreten. Dann werden sie im Einlasshub zurück in den Zylinder eingenommen, und es kommt keine tatsächliche Vermehrung der Frischladung zustande. Der Verbrennungsmotor erreicht weder M_max noch P_max.
Das Steuerzeitenverstellungssystem trägt zur Verbesserung der Leistungsdaten des Verbrennungsmotors bei. Es macht das Einlassventil je nach Drehzahl und Belastung des Verbrennungsmotors früher oder später auf.
Aus dem Stand der Technik sind auch Verfahren für eine Zwangsspülung der Brennkammer mit Hochdruckluft bekannt. Die Druckschrift [1] beschreibt einen Verbrennungsmotor, in dem die Brennkammer mit Luft aus dem externen Verdichter am Ende des Auslasshubs gespült wird. Die Druckluft wird in den Zylinder befördert.
Bei einem Verbrennungsmotor nach [2] (Prototyp) wird die Brennkammer ebenfalls mit Hochdruckluft gespült. Jedoch verläuft die Spülung im Unterschied zu [1] in der Optimalrichtung vom Einlassventil zum Auslassventil hin.
Folgende Abkürzungen sind im Text und in den Ansprüchen verwendet:

– M_max: – Höchstdrehmoment des Verbrennungsmotors,
– P_max: – Spitzenleistung des Verbrennungsmotors,
– P_BK: – Druck in der Brennkammer,
– V_BK: – Volumen Brennkammer,
– AGR: – Abgasreste,
– P_AGR: – Druck Abgasreste,
– EV: – Einlassventil,
– AV: – Auslassventil,
– RV: – Rückschlagventil,
– SV: – Spülluftventil,
– SR: – Spülreceiver,
– V_SR: – Volumen Spülreceiver,
– P_SR: – Druck im Spülreceiver,
– n: – Drehzahl der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, 1/min
– V_L: – Speiseluftverbrauch im Verbrennungsmotor,
– OTK: – oberer Totpunkt des Kolbens,
– UTK: – unterer Totpunkt des Kolbens,
– EMK: – elektromagnetische Klappe,
– ZLTV: – zentrale Leittechnik des Verbrennungsmotors,
– SZVS: – Steuerzeitenverstellungssystem,
– V_Z: – Zylinderraum,
– P_Z: – Druck im Zylinder, atm.

Kreisdiagramme für Steuerzeiten:

– Der Ventilöffnungs- oder -schließwinkel im Uhrzeigersinn abgelesen und zwar vom oberen Totpunkt des Kolbens OTK am Anfang des Einlasshubs aus, in Grad, gemäß der Kurbelwellendrehrichtung,
– dicke Linien entsprechen dem geschlossenen Zustand der Ventile (ZU), feine Linien bezeichnen den geöffneten Ventilzustand (AUF),
– φ Winkel zwischen den AUF- und ZU-Zeiten der Ventile,
– α Winkel zwischen OTK oder UTK und Ventilöffnungszeit,
– β Winkel zwischen OTK oder UTK und Ventilschließzeit.

Zuerst wird der bekannte Verbrennungsmotor (Prototyp) in seinen Bestandteilen und seiner Funktionsweise vorgestellt und beschrieben. Es zeigen:
1 den Aufbau des Prototyps eines Verbrennungsmotors und
2 ein rundes Steuerzeiten-Diagramm für einen Verbrennungsmotor nach 1.
Dieser bekannte Verbrennungsmotor (1) weist einen Zylinder 1 mit einem Kolben 2, einem Einlassventil EV 3 und einem Auslassventil AV 4 auf. Die Ventile werden mittels eines Steuernockens 5 einer Nockenwelle 6 angetrieben. Der Kolben 2 versetzt eine Kurbelwelle 8 über eine Pleuelstange 7 in Rotation. In einem Einlassrohr ist ein ungesteuertes Rückschlag-Spülventil RV 9 eingebaut. Zwischen RV 9 und EV 3 entsteht ein Raum V_SR, der gemäß [3] als Spülreceiver bezeichnet wird.
Der Verbrennungsmotor ist am Ende des Auslasshubs abgebildet. Der Kolben 2 hat den oberen Totpunkt OTK noch nicht erreicht. Die zentrale Leittechnik des Verbrennungsmotors, die Zündkerze, die Drossel und die Brennstoffdüse sind bedingt nicht abgebildet.
Die Funktionsweise des bekannten Verbrennungsmotors (1, 2) ist Folgende:
Am Ende des Einlasshubs, und zwar etwas nach dem unteren Totpunkt des Kolbens 2 (Winkel β₉), ist der Zylinder 1 mit Vollluftladung gefüllt. RV 9 schließt automatisch unter der Wirkung der eigenen Rückschlagkraft. EV 3 des Zylinders 1 ist jedoch noch offen. Danach wird die Luft während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 2 und als Fortsetzung des Winkels φ₃₉ im Raum V_Z + V_SR verdichtet. Nachdem der Druck von z. B. P = 2 atm. erreicht ist, schließt EV 3, und der Spülreceiver enthält Hochdruckluft. Die Verdichtung wird im Zylinder 1 fortgesetzt. Danach folgen der Arbeitshub und der Auslasshub. Am Ende des Letzteren öffnet EV 3 (Winkel α₃), und die Brennkammer wird mit Hochdruckluft aus dem Spülreceiver innerhalb des Ventilüberschneidungswinkels φ₃₄ gespült. Nach dem Schließen von AV 4, und zwar während der Abwärtsbewegung des Kolbens 2, fängt der Einlass der Ladungsluft an. Dabei öffnet RV 9 unter der Wirkung der Entladung des Zylinders 1.
Der Prototyp weist einige Nachteile auf.
Wie bereits in [3] bemerkt, ist je nach der jeweiligen Betriebsart des Verbrennungsmotors V_SR = (0,5...4) V_BK gewählt. Bei P_SR = 2, einem Verdichtungsgrad 10 und V_SR = 4V_BK werden 22% des Zylindervolumens dafür arbeiten, um den Hochdruck der Spülluft zu erzeugen. Das wird die Hubraumleistung des Verbrennungsmotors um die gleiche Größe vermindern.
Die Spülung fängt vor dem oberen Totpunkt des Kolbens 2 während der spaltweiten Öffnung von EV 3 an. Innerhalb des Winkels α₃ bis zum oberen Totpunkt des Kolbens 1 übt P_SR einen Gegendruck auf den Kolben 2 aus und verringert das Drehmoment des Verbrennungsmotors. Eine zu frühe Öffnung von EV 3 führt dazu, dass die Spülluft nicht die Abgasreste sondern den Auspuff spült, der sowieso von selbst hinaustritt. Die Abgasreste bleiben dann nach OTK ohnehin über dem Kolben 2. Unter diesen Bedingungen sollte α₃ baumäßig bevorzugt vermindert werden. Dabei können Abgasreste aus der Brennkammer gut entfernt werden. Jedoch wird EV 3 zum Zeitpunkt des Einlassauftakts erst damit anfangen zu öffnen. Der Zylinder wird bei Hochdrehzahlen keine Vollluftladung aufnehmen, und das wird die spezifische Leistung des Verbrennungsmotors noch mehr verringern.
Es sei bemerkt, dass RV 9 grundsätzlich und in allen Betriebsarten erst nach dem oberen Totpunkt des Kolbens 2 des Einlasshubs öffnet. Jedoch sollte es bei den meisten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors am besten vor dem OTK geöffnet werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, das Versorgungs- und Steuerungssystem des Verbrennungsmotors zu optimieren, um die Toxizität zu vermindern und die spezifische Leistung zu erhöhen.
Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Dies wird dadurch erreicht, dass anstelle des Rückschlagventils im Einlassrohr ein gesteuertes Ventil eingesetzt ist:

– Gemäß der Ausgestaltung A geht es dabei um ein Tellerventil mit einer Rückstellfeder.
– Gemäß der Ausgestaltung B geht es um eine Klappe, die elektromagnetisch auf- und zugeht.

Die Erfindung geht von einem Verbrennungsmotor aus, der wenigstens einen Zylinder, dessen Kolben mit einer Kurbelwelle über eine Pleuelstange gekoppelt ist, eine Nockenwelle, welche über Nocken Ein- und Ausschaltventile des Zylinders antreibt, ein Versorgungs- und ein Zündsystem, die durch eine zentrale Leittechnik des Verbrennungsmotors gesteuert sind, ein Steuerzeitenverstellungssystem sowie ein Spülluftsystem, welches im Einlassrohr eingebaut ist, aufweist.
Nach der Erfindung ist in der Ausgestaltung A vorgesehen, dass das Spülluftventil später als das Einlassventil des Zylinders während des Zeitabschnitts sowohl vor als auch nach dem oberen Totpunkt des Auslasshubs öffnet und dass es später, früher oder gleichzeitig mit dem Schließen des Einlassventils des Zylinders schließt.
Nach der Ausgestaltung B ist vorgesehen, dass als Spülventil eine Ventilklappe verwendet ist, wobei die Ventilklappe über eine Zugstange mittels eines gemeinsamen Ankers von einigen Elektromagneten verschoben und zurückgestellt ist und dabei das Ventil schließt und öffnet und dass dies auf Grund von Befehlen der zentralen Leittechnik des Verbrennungsmotors und dem Steuerzeitenverstellungssystem geschieht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der beiden Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
3 einen Verbrennungsmotor mit einem Tellerventil im Einlassrohr,
4 das Steuerzeiten-Diagramm für den Verbrennungsmotor nach 3,
5 einen Verbrennungsmotor mit einer elektromagnetische Klappe im Einlassrohr,
6 das Steuerzeiten-Diagramm für den Verbrennungsmotor nach 5 bei Teillasten,
7 die elektromagnetische Klappe,
8 eine elektromagnetische Schrägklappe,
9 eine elektromagnetische Klappe mit Kurvenprofil,
10 das Steuerzeiten-Diagramm für den Verbrennungsmotor nach 5 im Volllastbetrieb,
11 das Steuerzeiten-Diagramm für den Verbrennungsmotor nach 5 im Vakuum-Bremsbetrieb,
12 das Schaubild für die Anwendung einer elektromagnetischen Klappe für zwei Zylinder des Verbrennungsmotors.
Ausgestaltung A
Der Verbrennungsmotor (3, 4) enthält einen Zylinder 1 mit einem Kolben 2, ein EV 3 und ein AV 4. Diese Ventile werden mittels eines Steuernockens 5 der Nockenwelle 6 angetrieben. Der Kolben 2 versetzt eine Kurbelwelle 8 über eine Pleuelstange 7 in Rotation. Ein Spülluftventil 10 (SV 10) ist im Einlassrohr in einem kleinen Abstand zum EV 3 eingebaut. Baumäßig ist das SV 10 mit dem EV 3 identisch und wird durch seinen eigenen Nocken 5 von der Nockenwelle 6 gesteuert. Der Durchgangsquerschnitt des Spülluftventils 10 ist grundsätzlich größer als der von EV 3. Das Volumen zwischen EV 3 und SV 10 ist SR.
Der Verbrennungsmotor ist im Zustand am Ende des Auslasshubs abgebildet. Der Kolben 2 hat den OTK noch nicht erreicht. Die zentrale Leittechnik 12 des Verbrennungsmotors, die Zündkerze und die Brennstoffdüse sind bedingt nicht dargestellt.
Die Funktionsweise des Verbrennungsmotors ist wie folgt.
Am Ende des Auslasshubs (z. B. in der Position 1 der Kolbenstirnwand) sind EV 3 und SV 10 geschlossen. Der Druck im Spülreceiver ist ca. dem atmosphärischen Druck gleich. Die Abgase fließen über das geöffnete AV 4 in das Auslassrohr hinaus. Der Zylinderdruck ist noch höher als der atmosphärische Druck. Danach, ohne dass der obere Totpunkt des Kolbens 2 bei einem großen Winkel (40° und mehr) erreicht wird, fängt EV 3 (Winkel α₃) an, zu öffnen. SV 10 bleibt zu. Da P_Z > P_SR, treten die Abgase in den Spülreceiverraum und verdichten die dort enthaltene Luft (der Verdichtungsbereich ist mit Punkten gekennzeichnet). Mit dem Auslauf der Abgase fällt P_Z ab. Das Druckluftvolumen im Spülreceiver nimmt zu (erreicht ungefähr den Anfangsdruck), und drängt die Abgase aus dem Spülreceiver in die Brennkammer zurück. Dann treten die Abgasreste aus der Brennkammer in das Auslassrohr über AV 4 hinaus. Anschließend, im Durchschnitt 10° vor OTK (Position II der Kolbenstirnwand), wird das Spülluftventil 10 geöffnet, und die Brennkammer wird mit der Luft aus dem Spülreceiver und dem Einlassrohr gespült. Nach dem Spülungsende, und zwar bei geöffneten EV 3, SV 10 und bei geschlossenem AV 4, erfolgt die Luftladung des Zylinders 1 während der Abwärtsbewegung des Kolbens 2 bis zur Position III der Kolbenstirnwand, etwas nach dem UTK. Diese Lage entspricht der Maximalladung des Zylinders 1 bei den Hochdrehzahlen. Hier schließt EV 3 (Winkel β₃). Gleichzeitig damit oder etwas später (Position IV) schließt das Spülluftventil 10. Dabei wird der Spülreceiver grundsätzlich mit keinem Hochdruck beaufschlagt. Der Verbrennungsmotor verbraucht dafür keine Energie.
Somit können keine Abgase in das Auslassrohr geraten, sie werden durch SV 10 gesperrt. Die Öffnung von EV 3 kann sehr früh vor dem oberen Totpunkt des Kolbens 2 angefangen werden, so dass es bei Annäherung an den Schließzeitpunkt von AV 4 schon völlig offen ist. Dabei ist das Spülluftventil 10 noch nicht ganz geöffnet, aber der Verbrauch ist dem von EV 3 identisch, weil sein Durchgangsquerschnitt bau-mäßig größer ist. Dafür wird der Teller von SV 10 mit einem größeren Durchmesser gewählt. Das Ventil 10 hat einen größeren Hub, und beim Öffnen (Abwärtsbewegung) gelangt die Luft über den Spülreceiver in die Brennkammer.
Das Spülluftventil 10 lässt sich relativ leicht antreiben, weil die Kraft der Rückstellfedern im Vergleich zu EV 3 um eine Größenordnung kleiner ist, denn SV 10 befindet sich außerhalb des Zylinders 1 und hat nicht die Aufgabe, die Kompression unter solchen Bedingungen wie Hochtemperatur und Hochdruck sicherzustellen.
Wird ein Steuerzeitenverstellungssystem eingesetzt, so läuft es unter leichten Bedingungen und steuert nur ein Ventil SV 10.
Ausgestaltung B
Der Verbrennungsmotor (5) enthält einen Zylinder 1 mit einem Kolben 2, ein EV 3 und ein AV 4. Die letzteren Ventile werden mittels eines Steuernockens 5 einer Nockenwelle 6 angetrieben. Der Kolben 1 versetzt eine Kurbelwelle 8 über eine Pleuelstange 7 in Rotation. Eine EMK 11 (elektromagnetische Klappe) ist vor dem EV 3 in einem kleinen Abstand dazu (z. B. 1 bis 5 cm) angeordnet. Die EMK 11 stellt ein gesteuertes Doppel-Lamellen-Rückschlagventil dar, welches anhand von einem Elektromagneten (EM) gesteuert durch eine zentrale Leittechnik 12 des Verbrennungsmotors geöffnet und geschlossen wird. Die gleiche Leittechnik steuert eine Brennstoffdüse 13 und eine Kerze 14. Die Ausgangsparameter für die zentrale Leittechnik 12 des Verbrennungsmotors sind: n, V_L...
Der Verbrennungsmotor ist im Zustand am Ende des Auslasshubs abgebildet. Der Kolben 2 erreicht nicht ganz den OTK des Kolbens 2.
Weiter unten werden die Konstruktion und die Arbeit von EMK 11 näher betrachtet (7).
Ein Gehäuse 15 ist in die Einlassleitung eingebaut und hat zwei Quertrennwände 16, die voneinander um l = 0,5 bis 3 mm abstehen. Die Trennwände 16 haben eine identische koaxiale Lochung mit maximaler Elementenhöhe h_l. Zwischen den Trennwänden 16 ist eine leichte Plattenklappe 17 mit einer Dicke s angeordnet, die mit einer gleichen Lochung wie die Trennwände 16 versehen ist. Die Klappe 17 kann mit Hilfe einer Zugstange 18 auf- und abwärts bis zur vollständigen Überschneidung oder dem Zusammenfall ihrer Lochungen mit den Lochungen der Trennwände 16 bewegt werden. Die Zugstange 18 ist mit einem zweipoligen Zylinderanker 19 von Elektromagneten 20–21 und 22–23 gekoppelt, wobei 20, 22 die Eisenkerne und 21, 23 die Spulen sind. Die Spulen 21, 23 der Elektromagneten werden über Schalter 24, 25 eingeschaltet und spannungslos geschaltet. Ist der Elektromagnet 20–21 eingeschaltet und der Elektromagnet 22–23 ausgeschaltet, so haben der Anker 19 und die Klappe 17 die untere Stellung: Das Ventil ist zu (Löcher der Trennwände 16 überdecken die Klappe 17). Ist der Elektromagnet 22–23 eingeschaltet und der Elektromagnet 20–21 ausgeschaltet, so bewegen sich der Anker 19 und die Klappe 17 aufwärts: Das Ventil ist geöffnet.
Gemäß 7 hat die elektromagnetische Klappe 11 zwei stabile Stellungen (auf, zu). Zwischenstellungen können auch leicht erreicht werden (Ansicht A, Strichlinie), indem die Anzahl der Elektromagnete vergrößert wird und sie in anderen Ebenen rings um den Anker angeordnet werden. Dementsprechend sollte die Verschiebungsgröße der Elektromagneten in der Höhe h bis zu h/2 bei drei Elektromagneten bis zu h/3 bei vier Elektromagneten usw. verändert werden.
Die Lochung der Klappe 17 und der Trennwände 16 kann unregelmäßig sein und Löcher sowie Gruppen mit Löchern mit ungleicher Fläche aufweisen. Das ruft Luftstromverwirbelungen am Einlass hervor und verbessert die Gemischvergasung.
Der Durchgangsquerschnitt (Durchflussmenge) der elektromagnetischen Klappe 11 spielt eine wichtige Rolle. Deswegen können die Trennwände 16 schräg zur Achse O-O₁ des Einlassrohrs (8) liegen, aus mehreren Teilen bestehen sowie eine Schweifung (gekrümmte Oberfläche), z. B. eine zylinderförmige Oberfläche aufweisen (9).
Arbeitsweise des Verbrennungsmotors
Beim Einlasshub ist AV 4 geöffnet. EV 3 und EMK 11 sind geschlossen. Die Abgase treten in das Auslassrohr hinaus. Ohne dass OTK erreicht ist, fängt EV 3 an sich zu öffnen. EMK 11 ist geschlossen. Die Abgase treten unter Überdruck in den Raum zwischen EV 3 und EMK 11 (Spülreceiver) ein und pressen die darin enthaltene Luft (mit Punkten gekennzeichnet) zusammen. Mit dem Auslauf der Abgase fällt ihr Druck ab. Die im Spülreceiver verdichtete Luft dehnt sich aus, gewinnt an Geschwindigkeit und verdrängt die Abgasreste aus dem Spülreceiver zurück in die Brennkammer und weiter unter der Ejektionswirkung in das Auslassrohr. Dabei wird P_SR kleiner als der atmosphärische Druck. Zu diesem Zeitpunkt (er kann sowohl vor als auch nach OTK je nach dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors eintreten) wird EMK 11 geöffnet (sie öffnet blitzartig und völlig). Die Brennkammer wird mit Luft aus dem Einlassrohr in Richtung von EV 3 zu AV 4 gespült. Danach wird der Zylinder 1 bei geschlossenem AV 4 und bei völlig geöffneten EMK 11 und EV 3 geladen. Die Phasen von EV 3 und AV 4 sind unveränderlich. Es wurde der größte Winkel α₃ der Ventilöffnung EV 3 gewählt, so dass es völlig geöffnet ist, wenn AV 4 schließt.
Bei Teilauslastungen (6) schließt EMK 11 lange vor dem UTK des Einlasshubs (z. B. in der Position V). Dadurch wird die Teilladung sichergestellt, obwohl EV 3 noch geöffnet ist. Danach wird bei fortgesetzter Abwärtsbewegung des Kolbens 2 eine gewisse Entladung über dem Kolben 2 erzeugt. Der Verbrennungsmotor verbraucht Energie, um das Gegenmoment zu überwinden. Während des Aufwärtslaufs des Kolbens 2 bis zur Position VI wird die verbrauchte Energie zurückgewonnen (Kolben 2 wird in den Zylinder 1 eingezogen).
EV 3 schließt kurz nach UTK des Einlasshubs (Anfang des Verdichtungshubs), wie auch bei allen konventionellen Verbrennungsmotoren (Winkel β₃). Anschließend folgen Hübe Verdichtung, Arbeitshub, Auslass.
Es sei bemerkt, dass in der Fortsetzung des Winkels φ₃ der Druck im Spülreceiver niedriger als der atmosphärische Druck ist. Es ist wünschenswert, zu diesem Zeitpunkt EMK 11 kurzzeitig zu öffnen und den Druck links und rechts von der Klappe 17 (schraffierter Bereich φ_y) gleichzustellen.
Der φ_y Bereich kann an einer beliebigen Stelle innerhalb des Winkels φ₃ liegen (s. z. B. Sektoren φ_y1, φ_y2). Somit wirken die im Zylinder 1 angeordneten Tellerventile EV 3 und AV 4 als Kompressionsventile. Die gesteuerte EMK 11 stellt ein minimale bis eine Vollladung des Zylinders 1 sicher und arbeitet unter leichten Bedingungen in Bezug auf Temperatur und Druck. EMK 11 ist in Form einer leichten Dünnplatte ausgebildet, arbeitet grundsätzlich schlaglos beim Öffnen und Schließen, sorgt für eine hohe Arbeitsfrequenz, lässt eine Zwischenstellung zu und wird mit einer Leistung von ca. 20 W gesteuert. Der Auf- und Abwärtshub der Klappe 17 beträgt einige Millimeter.
Es sei bemerkt, dass die zwecks Überwindung des Gegenmoments am Einlass verbrauchte Energie bei Teilbelastungen des Verbrennungsmotors nicht vollständig zurückgewonnen wird. Dabei wird diese Nichtrückgabegröße wie folgt berechnet: Q = V_SR/(V_SR + V_Z) und erreicht 10% bei Minimalbelastungen des Verbrennungsmotors.
Im Volllastbetrieb arbeitet der Verbrennungsmotor wie eine konventionelle Verbrennungsmaschine. Die Maximalladung (10) setzt ein gleichzeitiges Schließen von EV 3 und EMK 11 voraus (oder EV 3 schließt früher als EMK 11). Das Moment β₃ wird durch die Nockenstellung festgelegt und ist unveränderlich.
Es sei bemerkt, dass, um die Nichtrückgabegröße Q zu vermindern, V_SR minimal ausgelegt sein muss. Jedoch gibt es bei einem niedrigen V_SR wenig Luft für die Spülung der Brennkammer nach dem Auslasshub. Der negative Einfluss der Hochtemperaturen der Abgasreste auf die elektromagnetische Klappe 11 nimmt zu.
Wird V_SR wesentlich vergrößert, z. B. bis zum Volumen der Brennkammer (das entspricht der Zunahme des L-Maßes), so ist es unmöglich, eine kleine Ladung sicherzustellen, weil der Zylinder 1 nach dem frühen Schließen der EMK 11 ohnehin eine volle Ladung aus dem Spülreceiver über das geöffnete EV 3 nimmt. Natürlich gibt es für jeden Verbrennungsmotor ein optimales V_SR, welches erfahrungsgemäß bestimmt wird. Aber im Durchschnitt ist es mit dem Umfang der Brennkammer vergleichbar: V_SR ≈ V_BK.
Es ist problematisch, den kalten Verbrennungsmotor mit geringer Ladung anzulassen und dann leerlaufen zu lassen, besonders wenn die Außentemperaturen unter Null liegen, weil der Gemischdruck am Ende des Verdichtungshubs bei einer geringen Ladung niedrig, die Gemischtemperatur zu klein ist und weil die Ladung mittels des Funkens nur schlecht zündet. Unter solchen Bedingungen ist es wünschenswert, eine Vollluftladung zu geben, indem ein schichtweises Ladegemisch mit einer Anreicherung im Kerzenbereich erzeugt wird. Für diese Aufgabe wird die zentrale Leittechnik 12 des Verbrennungsmotors verantwortlich gemacht.
Die elektromagnetische Klappe 11 bietet umfassende Möglichkeiten für eine Steuerung des Verbrennungsmotors.

1. Sie ermöglicht es, das Einlassventil des Zylinders 1 wesentlich früher zu öffnen und somit ein größeres M_max und ein größeres P_max des Verbrennungsmotors zu bekommen.
2. Während der Spülung innerhalb des Ventilüberschneidungswinkels kann die elektromagnetische Klappe 11 wegen geringer Trägheit mehrmals öffnen und schließen. In einem Mehrzylinder-Verbrennungsmotor werden im Bereich des geöffneten Einlassventils 3 harmonische Druckschwankungen beobachtet, die durch den Auspuff aus anderen Zylindern 1 bedingt sind. Diese Schwankungen verändern dementsprechend den P_SR. Die EMK 11 öffnet, wenn P_BK kleiner als der atmosphärische Druck ist, und schließt bei einem P_BK größer als der atmosphärische Druck.
3. Der Verbrennungsmotor kann, wie auch in [3] beschrieben ist, bei völlig geschlossener EMK 11 betrieben werden. Das entspricht dem abgeschalteten Zylinder 1. Zusätzlich ist auch die Arbeit im Vakuum-Bremsbetrieb möglich (11). Hier ist die EMK 11 beim Einlasshub geschlossen oder nur spaltweit geöffnet, und es kommt ein Vakuumbremsen des Kolbens 2 zustande (je weniger die Klappe 11 geöffnet ist, desto intensiver ist die Bremsung). Die EMK 11 öffnet vollständig vor dem unteren Totpunkt des Kolbens 2 des Einlasshubs. Der Zylinder 1 wird mit Luft mit atmosphärischem Druck gefüllt. Nach dem UTK und nach dem Schließen von EV 3 wird die Luft im Zylinder 1 gepresst. Danach dehnt sie sich im Arbeitshub aus. Am Ende dieses Arbeitshubs tritt die Luft bei geöffnetem AV 4 in das Auslassrohr hinaus usw. In diesem Betriebszustand wird der Brennstoff entsprechend nicht befördert. Der Bremseffekt wird entweder durch die Öffnungsgröße von EMK 11 oder durch die Dauer ihres völlig geschlossenen Zustands innerhalb des Auslasshubs geregelt. Der Vakuumbremsbetrieb kann auch erreicht werden, wenn EMK 11 während des Einlasshubs mehrmals geöffnet und geschlossen wird.
4. Unter Teilbelastung kann der Verbrennungsmotor im Pulslängenmodulationsmodus laufen. Dabei öffnet die elektromagnetische Klappe 11 vollständig pro Teildauer des Einlasshubs (es liegen keine Pumpverluste vor). Es ist ein Betriebszustand mit einer teilweise geöffneten elektromagnetischen Klappe 11 innerhalb des gesamten Einlasshubs zulässig, wie es beim Betrieb mit einer Drosselklappe der Fall ist (maximale Pumpverluste). Es ist ein gemischter Betriebszustand zulässig (geringe Pumpverluste). Z. B. EMK 11 ist beim Einlasshub zuerst völlig geöffnet (minimale Pumpverluste, Brennstoff wird nicht zugeführt), danach teilweise geöffnet (die Luft tritt mit einer erhöhten Verwirbelung ein, Brennstoff wird zugeführt, und es wird ein stöchiometrisches Gemenge gebildet). Dann ist die EMK 11 völlig geöffnet (Brennstoff wird nicht zugeführt). Auf diese Weise wird ein schichtweises Gemisch bei einer vollen Luftladung des Zylinders 1 gebildet. Wenn die Klappe 11 im dritten Schritt zu ist, wird ein schichtweises Gemisch mit einer nicht vollen Luftladung gebildet. Die elektromagnetische Klappe 11 kann innerhalb des Einlasshubs mehrmals völlig oder teilweise öffnen.
5. Im Grunde genommen dient die elektromagnetische Klappe 11 als Ersatz für eine Drosselklappe eines konventionellen Verbrennungsmotors. Zusammen mit der zentralen Leittechnik des Verbrennungsmotors hat sie die Funktion eines Steuerzeitenverstellungssystems und kann pro zwei Zylinder 1 angewendet werden, die abwechselnd Hub für Hub arbeiten (12).

Quellennachweis

[1] Erfinderzertifikat UdSSR 705133 G02B 25/20
[2] Patent DE 472992 (Prototyp), KI. 46a², 52
[3] Erfinderzertifikat UdSSR 889878 G02B 29/00

Claims

Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder (1), dessen Kolben (2) kinematisch mit einer Kurbelwelle (8) über eine Pleuelstange (7) gekoppelt ist, einer Nockenwelle (6), welche über Nocken (5) Ein- und Auslassventile (3 und 4) des Zylinders (1) antreibt, einem Versorgungs- und einem Zündsystem, die durch eine zentrale Leittechnik (12) des Verbrennungsmotors gesteuert sind, einem Steuerzeitenverstellungssystem sowie mit einem Spülluftventil 10, welches im Einlassrohr eingebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülluftventil (10) in jedem Arbeitshub des Verbrennungsmotors unter Beteiligung oder ohne Beteiligung der zentralen Leittechnik (12) des Verbrennungsmotors und des Steuerzeitenverstellungssystems zwangsläufig angetrieben ist, dass das Spülluftventil (10) später als das Einlassventil (3) des Zylinders (1) während des Zeitabschnitts sowohl vor als auch nach dem OTK des Auslasshubs öffnet, und dass es später, früher oder gleichzeitig mit dem Schließen des Einlassventils (3) des Zylinders (1) schließt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Spülventil (10) ein Tellerventil mit einer Rückstellfeder angewendet wird, dass dieses Spülventil (10) mittels eines Nockens (5) von einer gemeinsamen Nockenwelle (6) angetrieben ist, und dass der Durchgangsquerschnitt des Spülventils (10) größer ist als der des Einlassventils (3) des Zylinders (1).
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Spülventil (10) eine Ventilklappe verwendet ist, wobei die Klappe (11) dieses Spülventils (10) über eine Zugstange mittels eines gemeinsamen Ankers von einigen Elektromagneten (20–21, 22–23) (nachfolgend elektromagnetische Klappe genannt) verschoben und zurückgestellt ist (und dabei das Spülventil (10) entsprechend schließt und öffnet), und zwar nach den Befehlen der zentralen Leittechnik (12) des Verbrennungsmotors und dem Steuerzeitenverstellungssystem.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Zylinderanker der Elektromagnete ein oder mehrere ausgeprägte Pole in Form von zylinderförmigen Vorsprüngen mit einem größeren Durchmesser aufweist, wobei diese Pole gegenüber den Paaren der Pole der Eisenkerne der entsprechenden eingeschalteten Elektromagneten positioniert sind: – Elektromagnet des geschlossenen Zustands der elektromagnetischen Klappe (11), – Elektromagnet des völlig geöffneten Zustande der elektromagnetischen Klappe (11), – Elektromagnet des teilweise geöffneten Zustands der elektromagnetischen Klappe (11).
Verbrennungsmotor nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektromagnetische Klappe (11) zwei feste Paralleltrennwände (16) mit gleicher koaxialer Lochung aufweist, wobei diese Trennwände (16) quer zur Einlassrohrachse liegen, dass zwischen diesen Trennwänden (16) eine Klappe (11) mit gleicher Lochung angeordnet ist und dass bei der Verschiebung dieser Klappe (11) vollständig oder teilweise eine Überschneidung der Lochungen zustande kommt oder dass diese Lochungen völlig zusammenfallen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Leittechnik des Verbrennungsmotors das Öffnungsmoment und die Öffnungshöhe der elektromagnetischen Klappe (11) differenziert für jeden Betriebszustand des Verbrennungsmotors bestimmt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Klappe (11) im Laufe des Zeitabschnitts, in dem das Einlassventil (3) des Zylinders (1) zu ist, die Möglichkeit hat, nach den Befehlen der zentralen Leittechnik (12) des Verbrennungsmotors kurzfristig zu öffnen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die [3] Spülventil (10) während der Ventilüberschneidung des Zylinders (1) die Möglichkeit hat, mehrmals zu öffnen und zu schließen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Klappe (11) während des Einlasshubs entweder völlig oder teilweise für eine Zeit lang öffnet und diese zwei Betriebszustände abwechseln, wobei der Brennstoff in diesen Betriebszuständen zugeführt oder nicht zugeführt ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass, um den Betriebszustand einer gesteuerten Bremsung zu gestalten, die elektromagnetische Klappe (11) beim Einlasshub teilweise oder völlig geschlossen ist, dass sie jedoch vor dem Schließen des Einlassventils (3) des Zylinders (1) kurzzeitig völlig öffnet und dass der Brennstoff in den Zylinder (1) nicht befördert ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass, um den Betriebszustand einer gesteuerten Bremsung während des Einlasshubs zu gestalten, die elektromagnetische Klappe (11) mehrmals öffnet und schließt und dass dabei Brennstoff dem Zylinder (1) nicht zugeführt ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene der Trennwände (16) schräg unter Winkeln ungleich 90° zur Achse des Einlassrohrs angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwände (16) und die Klappe (11) eine Schweifung (z. B. zylinderförmige Oberfläche) aufweisen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Quertrennwände (16) und die Klappe (11) Gruppen mit verschiedenen Flächen der Lochungselemente aufweisen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülluftventil (10) in einem gemeinsamen Einlassrohr eingebaut ist und für zwei Zylinder (1) verwendet ist, die abwechselnd in jedem zweiten Hub arbeiten.