DE19637044A1

DE19637044A1 - Optimal gesteuerte Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19637044A1
Application number: DE19637044A
Authority: DE
Inventors: Karl Dr Ing Bittel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-09-12
Filing date: 1996-09-12
Publication date: 1998-04-09

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, deren hydraulisch betätigte Ventileinheiten so ausge bildet und so im Zylinder angeordnet sind, daß deren optimal wirtschaftlicher Betrieb erreicht wird.

Mechanisch mittels Nockenwellen gesteuerte Ventile haben starre Steuerzeiten, die nicht an die Er fordernisse eines optimal wirtschaftlichen Arbeitsprozesses angepaßt werden können. Auch mechanische Verstelleinrichtungen für Nockenwellen oder der wahlweise Einsatz zweier Nockenformen, können diesen Nachteil nicht wesentlich mildern.

Hydraulisch betriebene Ventilsteuerungen sollen eine flexiblere Anpassung ermöglichen. Bis jetzt ha ben sich diese in der Praxis nicht durchgesetzt, was am teilweise höheren Bauaufwand und in der für den hydraulischen Ventilantrieb erforderlichen, höheren Leistung liegt.

Es wurde bei Ottomotoren auch schon vorgeschlagen, den Ventilhub abhängig von der Last zu ge stalten und damit eine Drosselklappe zu erübrigen. Aber auch hiermit kann der Wirkungsgrad bei Teillast nicht wesentlich verbessert werden. Weitere Verbesserungen, welche die Vervollkommnung des Ver brennungsablaufs betreffen, bringen mit dem weiteren Fortschritt der Motorentechnik immer geringere Erhöhungen des Wirkungsgrades.

Charakteristisch für den Ottomotor ist der große Wirkungsgradabfall bei Teillast.

Die Drosselverluste, die durch die Regelung mittels Drosselklappe während des Ansaugvorgangs ent stehen (Ladungswechselschleife), sind eine der Ursachen. Die entscheidende Minderung des Wirkungs grades wird jedoch durch den infolge Drosselung herabgesetzten Verdichtungsenddruck bewirkt. Da ein Kraftfahrzeug vorwiegend im Teillastbereich gefahren wird, ist die Einhaltung des Verdichtungsenddrucks auch bei Teillast das entscheidende Mittel, um den Streckenverbrauch eines Ottomotors zu verringern.

Auf die Möglichkeit der "Verdichtungsregelung" wurde in der Literatur bereits hingewiesen, Lösungs möglichkeiten hierzu wurden aber nicht aufgezeigt. Die Ursache hierfür liegt darin, daß eine Verdich tungsregelung mit der Bauweise Zylinderkopf/Ventilsteuerung nicht zu realisieren ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Form und Anordnung der Ventile, so wie deren Ansteuerung so zu gestalten, daß nicht nur Steuerzeiten und Strömungsquerschnitte weitgehend frei wählbar sind, sondern daß auch die Größe des Brennraumes bei OT so an die an Ladungsmenge bzw. Last anpaßbar ist, daß der Verdichtungsenddruck über das ganze Teillastgebiet konstant gehalten wird.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des 1. Patentan spruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Gaswechselsteuerung weist gegenüber bekannten Steuerun gen einen äußeren, rohrförmigen Ventilschieber - Auslaßventil - auf, in welchem der rohrförmige Schaft eines Tellerventils - Einlaßaufventil - gleitet, dessen nach innen ragender Ventilteller innen eine Dichtfläche besitzt, auf welche sich die Dichtfläche eines inneren Teilerventils - Einlaßzuventil - mit einem Voll- oder rohrförmigen Schaft abstützt, so daß die dem Brennraum zugewandten Tellerflächen dieser Ventile eine verschiebbare, obere Begrenzung des Brennraums bilden. Die oberen Stirnflachen des Auslaßventils, so wie der Schafte der beiden konzentrisch angeordneten Ventile, ragen in hydraulische Arbeitsräume, die über Wegeventile wahlweise mit einer zu einem Druckspeicher führenden Druckleitung, oder dem Ablauf - das kann ein Hydrauliktank oder der Schmierölkreislauf des Motors sein - verbunden sind, wobei ein etwas größerer Arbeitsraum vorzugsweise des Einlaßzuventils, der die Funktion einer Flüssigkeitsfeder hat, durch ein entsperrbares Rückschlagventil von der Druckleitung zwecks Bemessung des Brennraumes getrennt werden kann, wobei die Ansteuerung dieser Ventile vorzugsweise elektronisch und kennfeldgesteuert erfolgt.

Nach einem weiteren erfinderischen Merkmal erfolgt die Absperrung des Arbeitsraums der Flüssigkeits feder durch eine in den Schaft des inneren Tellerventils eintauchende Steuerstange die am unteren Ende radiale Steuerbohrungen und oben in eine Nut mündende weitere radiale Bohrungen aufweist, die mit 2 weiteren, mit Rückschlagventilen versehenen und im FF-Gehäuse und im Deckel angeordneten und zu einem der Wegeventile führenden, Bohrungen verbunden sind.

Nach einem weiteren erfinderischen Merkmal weist das Einlaßaufventil an seinem unteren Ende eine keglige Dichtfläche auf, die gegen eine entsprechend ausgebildete Dichtfläche eines im Zylinder einge schrumpften Sitzrings abdichtet.

Nach einem weiteren erfinderischen Merkmal weist das Auslaßventil an seinem oberen, in den hy draulischen Arbeitsraum ragenden Ende außen einen Bund auf, dessen nach unten gerichtete Wirkfläche zusammen mit einer Stufe im Zylinder einen weiteren Arbeitsraum bildet, der ständig mit der Druckleitung bzw. dem Druckspeicher verbunden ist.

Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal ist in die Leitung zwischen Druckspeicher und Wegeventi le ein Stromwandler geschaltet, der einen als Differentialkolben ausgebildeten Freikolben besitzt, dessen dem Druckspeicher zugewandte Stirnfläche einen größeren Durchmesser aufweist, wobei im Freikolben ein zu den Wegeventilen hin öffnendes Rückschlagventil angeordnet ist.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anschließend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a bis 1d das erste Ausführungsbeispiel in den 4 Arbeitstakten bei Vollast,

Fig. 2a bis 2d das erste Ausführungsbeispiel in den 4 Arbeitstakten bei Teillast,

Fig. 3a bis 3d das zweite Ausführungsbeispiel in den 4 Arbeitstakten bei Vollast,

Fig. 4a bis 4d das zweite Ausführungsbeispiel in den 4 Arbeitstakten bei Teillast,

Fig. 5 PV-Schaubild für den Einlaßvorgang - Ladungswechselschleife - beim Otto-Motor,

Fig. 6 PVT-Schaubild für verschiedenen Teillasten beim Otto-Motor,

Fig. 7 PVT-Schaubild für verschiedenen Teillasten beim K-Motor,

Fig. 8 PVT-Schaubild für verschiedene Teillasten beim Diesel-Motor,

Fig. 9 PVT-Schaubild für verschiedene Teillasten beim B-Motor.

Fig. 10 Wirkungsgrad von K-. B- , so wie Otto und Diesel-Motor,

Fig. 11 Mitteldruck von K-, B-. so wie Otto und Diesel-Motor

Fig. 12 Darstellung des 1. Ausführungsbeispiels

Fig. 13 Darstellung des 2 Ausführungsbeispiels

Zunächst wird das 1. Ausführungsbeispiel nach Fig. 1a bis 2d beschrieben. Zur Beschreibung des Auf baus wird jedoch Fig. 12, weil vergrößert dargestellt, herangezogen.

In den Zylinder eines Zylinderblocks einer Brennkraftmaschine ist ein Ventilsitz 4 eingezogen. In der Zy linderbohrung oberhalb der Auslaßöffnungen gleitet ein äußerer Ventilschieber, hinfort als Auslaßventil 1 bezeichnet, das mit seiner unteren, vorzugsweisen kegligen Sitzfläche gegenüber dem Ventilsitz 4 die Auslaßöffnungen gasdicht verschließt. Der kleine Arbeitsraum AR2 unterhalb des Bundes des Auslaßventils 1 ist ständig mit der Druckleitung verbunden. Im Auslaßventil 1 gleitet wiederum ein Ventil, hinfort als Einlaßaufventil 2 bezeichnet, der innen und oben von einer Dichtbuchse 5 dichtend umschlossen ist, und mit letzterer zusammen den Arbeitsraum AR1 bildet. Die Dichtbuchse 5 ist durch einen Deckel 9 über ein FF-Gehause 6, mittels Schrauben gegen die Oberkante des Zylinders angezogen. Das FF-Gehäuse 6 ist in der Dichtbuchse 5 und diese im Zylinder zentriert und nimmt den Arbeitsraum der Flüssigkeitsfeder FF in sich auf. Das FF-Gehäuse 6 besitzt am unteren Ende eine Buchse, in welcher der Schaft eines Einlaßzuventils 3 gleitet. Der Schaft des Einlaßzuventils 3 ist hohlgebohrt, so daß das untere, hohlgebohrte Ende einer Steuerstange 7 in die Bohrung des Einlaßzuventils 3 eintauchen kann. Die Bohrung der Steuerstange 7 ist über untere Steuerbohrungen mit dem Arbeitsraum der Flüssigkeitsfeder FF und über obere Querbohrun gen und eine obere Nut über zwei Leitungen mit zwei Rückschlagventil VR1 und VR2 und weiter über ein Wegeventil VW2 mit der Druckleitung und/oder dem Ablauf T verbunden.

Fig. 2a . . . 2d zeigen eine etwas modifizierte Ausführung. So ist das Wegeventil VW2 durch ein entsperrbares Rückschlagventil VRe ersetzt und das Wegeventil VW1 besitzt eine 3. Schaltstellung.

Fig. 3a . . . 4d bzw. Fig. 13 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, das die zentrale Anordnung einer Zündkerze beim K-Motor (oder einer Einspritzdüse beim B-Motor) ermöglicht. Dieses, bei einem realen Motor notwendige Erfordernis, läßt die nach Fig. 1a . . . 2d bzw. Fig. 12 dargestellte Anordnung der Steuer stange 7 nicht zu. Die Beschreibung erfolgt anhand Fig. 13.

Die Arbeitsräume AR1 und AR3 über dem Auslaßventil 1 und dem Einlaßaufventil 2 sind über ein We geventil VW1 schaltbar mit der Druckleitung oder dem Ablauf T verbunden. In der Schaltstellung 1 sind beide Arbeitsräume AR1 und AR3 mit der zum Druckspeicher DSP führenden Druckleitung verbunden. In der Schaltstellung 2 ist der Arbeitsraum AR3 gesperrt, der Arbeitsraum AR1 mit dem Ablauf T verbunden.

Am oberen Ende des FF-Gehäuses der Flüssigkeitsfeder FF befindet sich ein entsperrbares Rück schlagventil VRe in Gestalt einer Buchse, die in der oberen Bohrung des FF-Gehäuses und auf einer zen tralen Führung gleitet und deren obere Stirnfläche einen weiteren Arbeitsraum AR4 begrenzt, der über eine obere Hydraulikleitung im Deckel 9 so wie im FF-Gehäuse, durch das Wegeventil VW2 gesperrt oder mit dem Ablauf T verbunden sein kann. Die Buchse des entsperrbaren Rückschlagventils VRe besitzt unten und außen einen Bund, der sich von unten an das FF-Gehause anlegen kann und so auftretenden Über druck in der Flüssigkeitsfeder FF dichtet und Drücken um 1000 bar standhält.

Über eine weitere Hydraulikleitung im Deckel 9 bzw. im FF-Gehäuse ist der Arbeitsraum der Flüssigkeits feder FF bei abgehobenen Bund der Buchse des entsperrbaren Rückschlagventils VRe mit der Drucklei tung verbunden.

In der Schaltstellung 1 des Wegeventils VW2 ist der Raum oberhalb des entsperrbaren Rückschlag ventils VRe gesperrt und der Arbeitsraum der Flüssigkeitsfeder FF mit der Druckleitung verbunden. In der Schaltstellung 2 ist der Arbeitsraum AR4 mit der Ablaufleitung verbunden und der Arbeitsraum der Flüssig keitsfeder FF jedoch über ein Rückschlagventil mit der Druckleitung verbunden, so das Hydraulikflüssig keit nur aus dem Arbeitsraum der Flüssigkeitsfeder FF aus- aber nicht einströmen kann.

Die Anordnung und Ausbildung der Gaswechsel-Ventile gleicht im wesentlichen derjenigen nach Fig. 1a . . . 2d. Abweichend entfällt hier der Ventilsitz 4, so daß der Gasdruck im Zylinder bestrebt ist das Auslaß ventil 1 zu öffnen. Der auf die Stirnfläche des Auslaßventils 1 wirkende hydraulische Druck muß groß genug sein, um das Auslaßventil 1 geschlossen zu halten.

Beim Ausführungsbeispiel 2 nach Fig. 13 ist zwischen Druckspeicher DSP und Abzweig zum Wegeventil VW2 ein Stromwandler SW geschaltet, in welchem ein Freikolben 15 in einem abgesetzten Gehäuse 17 gleitet und der zusammen mit dem Rückschlagventilteller 16 einen Differentialkolben bildet. Ferner weist der Freikolben 15 eine mit einem Rückschlagventil versehene Längsbohrung 18 auf, welche unten in eine Querbohrung mündet. Weiterhin sind die zur Druckleitung über das Wegeventil VW2 bzw. Wegeventil VW1 führenden Abzweigungen über eine mit den Rückschlagventilen VR5 versehene Leitung verbunden, an deren Abzweigung zwischen den Rückschlagventilen VR5 wiederum der Ablauf T angeschlossen ist.

Bevor die Wirkungsweise beschrieben wird, muß zunächst der durch die erfindungsgemaßen Merkmale angestrebte Verlauf des Kreisprozeß des neuen Motors, der kurz mit K-Motor bezeichnet sei, erläutert werden. Der bisherige Motor ist mit Otto-Motor bezeichnet.

Ansaugen: Beim Otto-Motor und beim K-Motor herrsche nach dem Auslaß bzw. vor dem Einlaß bei OT im Brennraum der Außendruck p₀ = 100 kPa (1 bar). Bei abwartsgehendem Kolben wird beim Otto-Motor durch die Drosselklappe der Druck bis auf den durch die Gaspedalstellung gewünschten Ansaugdruck p₀ z,B. auf 20% gedrosselt. Damit wird die angesaugte Luftmenge gegenüber Vollast ebenfalls auf 20% reduziert. Um ein genanntes Ziel der Erfindung, die Beseitigung der Drosselverluste, zu erreichen, wird beim K-Motor jedoch ein grundsätzlich anderer Verlauf der Gassteuerung beim Ansaugtakt dergestalt ange strebt, daß nach 20% Kolbenhub das Ansaugventil (theoretisch) schlagartig geschlossen wird. Der Druck im Zylinder fällt dann bei dem weiteren Hub (adiabatisch) ohne Drosselung ab.

Verdichten

Bei der nachfolgenden Verdichtung verläuft beim K-Motor der Druckanstieg bis zum Druck P₀ (1 bar) deckungsgleich mit der zuvor erfolgten adiabatischen Expansion, so daß - theoretisch - keine Drosselverluste entstehen.

Beim Otto-Motor beginnt bei UT die Verdichtung ausgehend vom Drosseldruck p₀ der z. B. wie o.a. 20% des atmosphärischen Drucks betrage. Dabei wird bis p₀ = 1 bar die durch Drosselverluste bedingte Verlustarbeit (Ladungswechselschleife) geleistet, wie dies aus dem Schaubild Fig. 5 hervorgeht.

Beim Otto-Motor wird der Außendruck p₀ schon erreicht, bevor 100%-20% = 80% des Verdichtungshubes zurückgelegt sind, weil infolge vorangegangener Drosselung die Temperatur bei Beginn des Verdich tungshubes gleich der Außentemperatur T_o ist.

Wird eine Verdichtung ε = 11 angenommen, so würde bei 20% Füllung bzw. Last und isothermer Verdichtung der Verdichtungsenddruck P_v. gerade 200 kPa (2bar) befragen. Bei adiabatischer Verdich tung sind es p_v = 502 kPa (= 5 bar). Bei 100% Last wären es dagegen 2511,9 kPa (25.1 bar). Das bedeu tet, daß bei einer Teillast von 20% der Verdichtungsenddruck ebenfalls nur 1/5 desjenigen bei Vollast beträgt.

Ganz anders die Verhältnisse beim K-Motor! Hier soll sich ja die Größe des Brennraums im OT mit der Größe der Füllung bzw. Last ändern! Die Größe des Brennraums OT soll an einem einfachen Zahlenbeispiel demonstriert werden. Wenn der Hubraum 1000 cm³ beträgt, dann beträgt bei ε = 11 der Brennraum 100 cm³. Beträgt die Füllung nur 20%, dann soll definitionsgemäß der Brennraum bei OT auch nur 20%, das sind 20 cm³ betragen. Der Verdichtungsenddruck ist dann auch hier wieder p_v =100* 10^1,4 = 2511,9 kPa.

Wie die Verdichtungskennlinien für Druck und Temperatur beim Otto-Motor und beim K-Motor verlau fen, zeigen

Fig. 6 und Fig. 7. Zum Verständnis des Schaubildes Fig. 6 für den K-Motor sei darauf hinge wiesen, daß auf der Abszisse das Gesamtvolumen angetragen ist, das sich aus Hubvolumen plus Brenn raumvolumen zusammensetzt. Beim K-Motor ändert sich das Brennraum- und damit das Gesamtvolumen, während es beim Otto-Motor konstant bleibt.

Arbeitstakt

In den Schaubildern nach Fig. 6 und Fig. 7 sind die Druck- und Temperaturverläufe wäh rend des Arbeitshubes eingetragen. Ohne auf die Einzelheiten der Berechnung eines Luftkreisprozesses näher einzugehen, sollen der Verlauf und die Unterschiede zwischen Otto-Motor und K-Motor erläutert und begründet werden.

Es wurde schon darauf hingewiesen, daß im Teillastbereich bei beiden Motoren unterschiedliche Ver dichtungsenddrücke eintreten. Auch die Temperaturen sind unterschiedlich.

An sich ist das Ottoverfahren durch die Gleichraumverbrennung charakterisiert, die aber praktisch nicht möglich ist, weil der Ablauf der Verbrennung eine endliche Zeit benötigt. Realistischer ist der soge nannte Seiligerprozeß, der die Wärmezufuhrung in eine Gleichraum- und eine Gleichdruckphase unter teilt. Für den Otto-Motor und den K-Motor wird der Berechnung eine gleiche Aufteilung der Wärmezufüh rung zugrunde gelegt.

Bei beiden Motoren bestimmt sich die zugeführte Wärmemenge aus dem Heizwert des Kraftstoffs und aufgrund der gemäß λ= 1 zugeführten Kraftstoffmenge. Bei der Ermittlung der aufgrund λ= 1 zuzufüh renden Kraftstoffmenge bzw. Wärmemenge ist der in der Zylinderfüllung enthaltende Abgasteil zu be achten, weil der im Zylinder bei OT enthaltene Abgasanteil - z. B. bei einem Drosseldruck von 20% - auf das 5-fache des Brennraumvolumens ansteigt und somit 50% des Hubvolumens beträgt!

Aus den Schaubildern nach Fig. 6 und 7 ist zu erkennen, daß der K-Motor bei der Verbrennung bzw. Wärmezufuhr, wie schon bei der Verdichtung aufgezeigt, auch bei Teillast den gleichen Enddruck er reicht. Beim Otto-Motor liegen diese Werte bei Teillast erheblich darunter.

Der bei Teillast geringere Brennraum bei OT ergibt für den K-Motor eine wesentlich größeren Expansion nach Abschluß der Verbrennung bzw. Wärmezufuhr. Bei 10% Füllung bzw. Teillast ergibt dieses eine zehn fach höhere Expansion der Brenngase. Um eine gleich große Expansion beim Otto-Motor zu erreichen müßte die Verdichtung ε = 100 betragen. Bei der kleinstmöglichen Fullung von 10% sinkt der Auslaßdruck beim K-Motor sogar unter P₀ (1 bar).

Daraus ergibt sich am Ende des Arbeitshubes für den K-Motor ein niedrigerer Auslaß-Druck und vor al lem auch eine niedrigere Auslaßtemperatur, obwohl beim K-Motor der Verbrennungsdruck und die Tem peratur bei Teillast höher sind. Die bedeutet aber, daß die Wärmemenge, die nach dem Arbeitshub bzw. Expansion abzuführen ist, beim K-Motor bei Teillast geringer und damit der Wirkungsgrad höher ist.

Bei Vollast sind die Abläufe beider Motoren definitionsgemäß absolut identisch, da gleiche Verdich tung und sonst gleiche Abmessungen für den Vergleich von Otto-Motor und K-Motor vorausgesetzt wur den.

Auslaß

Das Auslaßventil ist auch beim K-Motor von Hubanfang bis Ende geöffnet. Ein Unterschied zum Otto-Motor besteht darin, daß beim K-Motor der Brennraum bei OT bei Teillast kleiner ist und damit weni ger Restgase im Zylinder verbleiben. Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß beim K-Motor im Ansaug rohr kein Unterdruck besteht und daher im Leerlauf keine Abgasreste in das Ansaugrohr gesaugt werden.

Die Wirkungsweise des ersten Ausführungsbeispiels wird nachfolgend anhand Fig. 1a . . . 2d bzw. Fig. 12 beschrieben.

Die Stellung nach Fig. 1a ist die einzige, die von der Teillast bzw. Füllung unabhängig ist und bei wel cher sich alle Ventile in einer definierten (unteren) Ausgangslage befinden. In Fig. 1a befinde sich der Kolben im UT. Das Wegeventil VW1 ist zur Druckleitung hin geöffnet. Alle, stirnseitig von oben mit dem im Druckspeicher DSP herrschenden Druck beaufschlagten Ventile 1, 2 und 3 befinden sich in der durch den Ventilsitz 4 begrenzten unteren Stellung. Das Wegeventil VW2 schaltet bei UT von Schaltstellung 1 in 2, wodurch die Druckleitung über das zum Druckspeicher DSP hin öffnende Rückschlagventil VR2 mit dem Arbeitsraum der Flüssigkeitsfeder FF verbunden ist (siehe Markierung des Balkens unter dem Wegeventil VW2.

Bei nach oben gehendem Kolben, wird die im Zylinder eingeschlossene Luftmenge verdichtet. Deren Druck wirkt auf die unteren Flächen des Einlaßaufventils 2 und Einlaßzuventils 3. Diese nach oben gerich tete Kraft wird durch die, auf die Stirnflächen der Schäfte der Ventile 2 und 3 nach unten wirkende, hy draulische Kraft im Gleichgewicht gehalten. Die auf das Einlaßaufventil 2 wirkende Überschußkraft (das ist die Differenz zwischen Gaskraft und hydraulischer Kraft) muß größer als die auf das Einlaßzuventil 3 wir kende sein, damit sich ersteres gasdicht auf das Einlaßzuventil 3 abstützt.

Infolge des zunehmenden Drucks im Zylinder bewegen sich die Ventile 2 und 3 nach oben. Das Aus laßventil 1 bleibt auf dem Ventilsitz, da es dem Gasdruck keine Angriffsfläche bietet.

Erfindungsgemäß richtet sich die Größe des Brennraums nach der Last bzw. der zuvor angesaugten Luftmenge. Bild 1b und 2b zeigen die unterschiedliche Größe des Brennraums bei Voll- und Teillast. Die Größe des Brennraums wird beim 1. Ausführungsbeispiel durch die Stellung der Steuerstange 7 gesteuert. Je weiter unten die Steuerstange 7 durch den Nocken 8 gehalten wird, desto eher wird der Abfluß aus dem Arbeitsraum der Flüssigkeitsfeder FF zur Druckleitung unterbrochen und die Aufwärtsbewegung der Ventile 2 und 3 dadurch im wesentlichen beendet. Einlaßaufventil 2 und Einlaßzuventil 3 können dann bei weiterem Gasdruckanstieg durch Verdichtung und Verbrennung infolge der Wirkung der Flüssigkeitsfeder nur um einen bestimmten Betrag nachfedern, was zu einem elastischeren Gang der Maschine führt. Die Steilung der Steuerstange 7 richtet sich nach der vorangegangenen Gasfüllung (bzw. umgekehrt), die durch die später noch zu beschreibende Schließung des Einlaßzuventils 3 bewirkt wird, beträgt diese z. B. 40% so beträgt die Ventilbewegung ebenfalls 40% derjenigen bei Vollast. Der durch die Flüssigkeitsfeder FF bewirkte Federweg ist dabei zu berücksichtigen. Der Ventilhub des Ventile 2 und 3 unter Einwirkung der Verdichtung bzw. Brennkraft ist zugleich maßgebend für den Öffnungs- und auch Schließhub des Auslaß ventils 1, des Einlaßaufventils 2 und des Einlaßzuventils 3. Die Ventilhübe sind für alle Ventile 1 . . . 3 gleich. Deren Größe entspricht der jeweiligen Teillast. Beträgt z. B. der Ventilhub bei Vollast 8 mm, so beträgt er bei 20% Teillast nur 1,6 mm. Dies ist von wesentlicher Bedeutung, da bei Teillast während des Kolbenhub das Einlaßzuventil 3 extrem schnell geschlossen werden muß, was durch einen kurzen Ventilhub erleichtert wird.

Der bei Zündung durch die isochore Wärmezufuhr steile Druckanstieg im Zylinder, wird von der Flüssig keitsfeder FF federnd aufgefangen und bei der folgenden Expansion wieder abgegeben. Dies führt zu einem weicheren Verbrennungsablauf.

Bei der Expansion des Arbeitshubes (immer noch Fig. 1b und 2b) verbleiben die Wegeventil VW1 und VW2 in ihren Schaltstellungen.

Zu Beginn des Auslaßhubes muß das Auslaßventil 1 öffnen. Dies geschieht durch die kurz vor UT erfolgte Schaltung des Wegeventils VW1 auf Schaltstellung 2 wodurch der Arbeitsraum AR1 mit dem Ablauf (Tank T) verbunden wird. Der immer unter Druck stehende Arbeitsraum AR2 schiebt das Auslaßventil 1 nach oben.

Es besteht die Möglichkeit, daß während des Expansionshubes der auf den Schaft des Einlaßaufventils 2 wirkende hydraulische Druck dieses nach unten verschiebt, so daß es sich vom Einlaßzuventil 3 abhebt und den Einlaß an einer Stelle öffnet, an der er geschlossen bleiben muß. Um dieses zu verhindern, kann das Wegeventil VW1, wie in Fig. 12 gezeigt, noch mit einer dritten, ein Rückschlagventil enthaltende. Schaltstellung versehen werden. In dieser Schaltsteilung verhindert dieses Rückschlagventil, daß Hydrau likflüssigkeit in den Arbeitsraum AR1 strömt und das Einlaßaufventil 2 vom Einraßzuventil 3 abhebt.

Die Schaltsteilung der Wegeventile VW1 und VW2 wird entsprechend den markierten Balken unter den Symbolen für WV1 und VW2 in Fig. 1 und 2 über den Verlauf der Arbeitstakte nach Fig. 1a . . . 1d und 2a . . . 2d markiert.

Der Auslaß wird bei OT wieder durch die Umschaltung des Wegeventils Wegeventil VW1 beendet (Ventilüberschneidungszeiten werden hier nicht berücksichtigt), so daß der Arbeitsraum AR1 und damit zunächst nur die Stirnflache des Auslaßventils 1 mit Druck beaufschlagt wird. Die Stirnfläche des Einlaß aufventils 2 ist noch ohne Druck, weil der Arbeitsraum AR1 in der oberen Stellung des Auslaßventils 1 unterteilt ist. Erst kurz vor dem unteren Ende des Hubes des Auslaßventils 1 gibt die innere Kante der Stirnflache des Auslaßventils 1 den Zugang des Drucks vom äußeren auf den inneren Teil des Arbeitsraums AR1 frei, so daß die Stirnflache des Einlaßaufventils 2 mit Druck beaufschlagt wird, wodurch sich dieses nach unten bewegt und damit den Einlaß öffnet, weil das Einlaßzuventil 3 in seiner oberen Stellung ver harrt, da das Rückschlagventil VR1 in der Schaltstellung 1 des Wegeventils VW1 die Leitung zum Hydrau likraum der Flüssigkeitsfeder FF sperrt.

Falls der Einlaß-Gasstrom bestrebt ist, das Einlaßzuventil 3 nach unten zu bewegen und damit dessen vorzeitiges Schließen herbeizufuhren, kann dies durch folgende in Fig. 1d, 2d und 12 dargestellte Vorrich tung verhindert werden. Ein oben in der Längsbohrung der Steuerstange 7 angeordneter, federbelasteter Kolben ist mit einem Schieber verbunden, der eine Steuerbohrung in der Steuerstange 7 zwischen einem Arbeitsraum in der Bohrung im Einlaßzuventil 3 und der Steuerstange 7 abdeckt oder freigibt. Dieser Arbeitsraum wird durch die Bohrung des Einlaßzuventils 3, der Steuerstange 7 und einer am unteren Ende der Steuerstange 7 befestigten Buchse gebildet. Ist die besagte Steuerbohrung abgedeckt, so kann sich das Einlaßzuventil 3 nicht nach unten bewegen, weil der Arbeitsraum abgesperrt ist. Dies ist immer dann der Fall, wenn der Arbeitsraum der Flüssigkeitsfeder FF drucklos ist, weil dann die Feder den Kolben und den Schieber nach unten drückt.

Erfindungsgemäß soll, an dem, durch die Gaspedalstellung vorgegebenen Last bzw. Zylinderfüllung vorgegebenen Zeitpunkt bzw. Kolbenstellung oder °KW, das Einlaßzuventil 3 den Einlaß in extrem kurzer Zeit schließen. Dies geschieht durch Schalten des Wegeventils VW1 in die Schaltstellung 2 bzw. durch Entsperrung des entsperrbares Rückschlagventil VRe, wodurch das Einlaßzuventil 3 mit Druck beauf schlagt und nach unten bewegt wird.

Bei einer Teillast von 10% wird das Einlaßzuventil 3 schon nach 10% der maximalen Hublänge, die bei dieser Teillast nur 0,8 mm beträgt, geschlossen. Dies ist für eine extrem kurze Schließzeit sehr günstig bzw. ermöglicht diese erst.

Nachdem der Einlaß geschlossen ist befinden sich wiederum alle Ventile in ihrer untersten Stellung und damit in der Anfangsstellung für die Verdichtung, mit der die Beschreibung der Wirkungsweise be gonnen wurde.

Es folgt nun die Beschreibung des zweiten Ausführungsbeispiels nach Fig. 3a . . . 4d bzw. Fig. 13. Auch hier wird wiederum von einer definierten Ausgangstellung des K-Motors nach Fig. 3a ausgegangen, das ist die Kolbenstellung bei UT, der Verdichtungsbeginn. Wegeventil VW1 und Wegeventil VW2 befinden sich in der Schaltstellung 1, so daß die Arbeitsräume AR2 und AR3 mit der Druckleitung verbunden sind. Durch die Schaltstellung 1 des Wegeventil VW2 ist der Arbeitsraum AR4 gesperrt und damit bleibt das entsperrbare Rückschlagventil VRe entsperrt. Sämtliche Ventile 1, 2 und 3 befinden sich in ihrer untersten, durch den Ventilsitzring 4 begrenzten Stellung.

Bei nach oben gehendem Kolben wird die angesaugte Luft im Zylinder verdichtet. Der ansteigende Gasdruck wirkt auf die Unterseite der Ventile 2 und 3 und bewegt diese nach oben. Dieser Gasdruck wirkt auch auf die untere Stirnfläche des Auslaßventils 1. Damit die aus dem Gasdruck resultierende Kraft das Auslaßventil 1 nicht nach oben bewegt muß die aus dem Hydraulikdruck resultierende Kraft größer sein, so daß das Auslaßventil 1 in seiner untersten Stellung gehalten wird.

Das aus den Arbeitsraum AR3 und dem Arbeitsraum der Flüssigkeitsfeder FF verdrängte Hydraulikflüs sigkeit wird in die Druckleitung geschoben und gelangt zunächst in die Unterseite eines Stromwandlers und verschiebt den Freikolben 15 nach oben, die Ventilplatte 16 legt sich an, so daß der Freikolben 15 wie ein Differentialkoben wirkt und eine entsprechend dem größeren Durchmesser der Ventilplatte 16 größere Flüssigkeitsmenge in den Druckspeicher DSP ausschiebt.

Wozu dient der Stromwandler SW? Im Gegensatz zu anderen hydraulischen Ventilsteuerungen wird bei dieser Ventilsteuerung der erforderliche Druckölstrom nicht durch eine Ölpumpe, sondern durch den auf die Ventile 2 und 3 wirkenden Gasdruck während des Aufwartshubs dieser Ventile erzeugt und in den Druckspeicher DSP geschoben. Diese Druckölmenge wurde, wenn von Leckverlusten abgesehen wird, gerade für den Abwärtshub dieser Ventile ausreichen, aber nicht für den zusätzlichen Auf- und Abwärts hub des Auslaßventils 1. Die Forderung dieser für das Auslaßventil 1 erforderlichen zusätzlichen Drucköl menge in den Druckspeicher DSP wird durch das Obersetzungsverhältnis des Stromwandlers SW ermög licht.

Wenn die Ventile 2 und 3 den entsprechend der Teillast vorgegebenen Ventilhub erreicht haben, wird das Wegeventil VW2 kennfeldgesteuert in die Schaltstellung 2 gebracht. Dadurch wird der Arbeits raum AR4 entlastet, das entsperrbare Rückschlagventil VRe gesperrt, der Arbeitsraum der Flüssigkeitsfeder FF verschlossen und die Flüssigkeitsfeder FF somit als solche wirksam und letztere fängt die bei weiterem Anstieg der Verdichtung und nachfolgenden Wärmezufuhr bzw. Verbrennung die auf die Ventile 2 und 3 wirkende, ansteigende Kraft federnd ab.

Bei der anschließenden Expansion (Arbeitshub) fällt der Gasdruck im Zylinder. Die Ventile 2 und 3 verbleiben jedoch in ihrer Lage, weil bei der Schaltstellung 2 des Wegeventils VW2 das Rückschlagventil im Wegeventil VW2 den Zustrom von Drucköl aus dem Druckspeicher DSP in den Arbeitsraum der Flüssig keitsfeder FF blockiert. Auch hier kann beim Wegeventil VW1 eine dritte Schaltstellung vorgesehen werden, bei welcher das eingefügte Rückschlagventil ein Abheben des Einlaßaufventils 2 bei abneh mendem Gasdruck verhindert.

Die modifiziert angeordneten und ausgeführten hydraulische Steuerorgane und Ventile können zwi schen den beiden Ausführungsbeispielen variiert und so weitere Ausführungsbeispiele geschaffen wer den.

Hat der Kolben den UT erreicht, so muß zu Beginn des Auslaßhubes das Auslaßventil 1 geöffnet, d. h. nach oben bewegt werden. Dies geschieht durch Schaltung des Wegeventils VW1 in die Schaltstellung 2, so daß der Arbeitsraum AR1 mit dem Ablauf T verbunden ist und der im Arbeitsraum AR2 (ständig) wirkende Druck das Auslaßventil 1 nach oben treibt.

Im OT, d. h. zu Beginn des Einlaßhubes, wird das Wegeventil VW1 wieder in Schaltstellung 1 gebracht, und damit das Auslaßventil 1 wieder geschlossen. Gleichzeitig wird durch den im Arbeitsraum AR3 wir kenden Druck das Einlaßaufventil 2 nach unten bewegt und öffnet dadurch den Einlaß, da das Einlaßzu ventil 3 in seiner oberen Stellung verharrt. Der Schließhub des Auslaßventils 1 und der Öffnungshub des Einlaßaufventils 2 entsprechen in ihrer Größe der Hubbewegung der Ventile 2 und 3 während der Ver dichtens.

Soll der Einlaß entsprechend der jeweiligen Teillast vor Kolbenhubende beendet werden, muß sich das Einlaßzuventil 3 nach unten bewegen, wozu das Wegeventil VW2 in die Schaltstellung 1 gebracht und der Arbeitsraum der Flüssigkeitsfeder FF mit der Druckleitung verbunden wird Hydraulikflüssigkeit strömt in dem Arbeitsraum der Flüssigkeitsfeder FF. das Einlaßzuventil 3 wird nach unten bewegt.

An dieser Stelle sei noch auf die den Wegeventilen VW1 und VW2 vorgeschalteten Wegeventile VW3 eingegangen. Mit diesen kann während der Abwärtsbewegung der Ventile 2 oder 3 die Verbindung zur Druckleitung geschlossen, bzw. stark gedrosselt werden. Die in Bewegung befindlichen Massen der Ventil le 2 und 3 saugen Hydraulikflüssigkeit über das entsprechende Rückschlagventil VR5 nach. Die Drosselung im Wegeventil VW3 (anstelle einer völligen Unterbrechung) ermöglicht, daß das Einlaßaufventil 2 bzw. Einlaßzuventil 3 nach deren Hubende durch den im Druckspeicher DSP herrschenden hydraulischen Druck fest in ihren unteren Stellungen gehalten werden.

Diese Unterbrechung der Druckölzuführung nachdem die Ventilmassen der Ventile 2 oder 3 ihre ma ximale Hubgeschwindigkeit erreicht haben, dient der Minimierung des Druckölstromverbrauchs. Mögli cherweise läßt sich damit auch der Stromwandler SW einsparen weil weniger Drucköl verbraucht wird als während der Verdichtung in den Druckspeicher DSP gefördert wird.

Nach Beendigung des Einlaßvorgangs befinden sich alle Ventile 1,2 und 3 in ihrer untersten Stel lung. Der Arbeitszyklus kann von neuem beginnen.

Abschließend sei noch auf Eigenarten der Laststeuerung eingegangen.

Sie besteht einmal darin, den Zeitpunkt des Schließens der Einlaßvorrichtung zu verändern. Dazu muß noch erwähnt werden, daß die Einlaßvorrichtung durch zwei Ventile und zwar durch das Einlaßaufventil 2 und das Einlaßzuventil 3 gebildet wird. Der Einlaß öffnet, wenn das Einlaßaufventil 2 nach unten geht, und schließt, wenn sich das Einlaßzuventil 3 nach unten bewegt! Der Schließzeitpunkt wird erfindungs gemäß durch den zurückgelegten Ansaughub bestimmt. Ein Ansaughub von 20% entspricht etwa 20% Füllung und 23.6° KW. Bei dieser Stellung der Kurbelwelle wird ein Steuerimpuls zur Betätigung des ent sprechenden Ventils ausgelöst.

Damit das Auslaßventil 1, nur so weit öffnen kann wie zu diesem Zeltpunkt das Einlaßaufventil 2 ange hoben ist, ist das Einlaßaufventil 2 außen mit einem in den Absatz zu versehen, wie in Bild 13 dargestellt.

Die Innenwand des Auslaßventils wird durch die daran vorbei geführten Ansaugluft gekühlt. Es besteht weiterhin die Möglichkeit, durch einen auf das FF-Gehäuse aufgezogenen z. B. aus Kunststoff bestehenden Mantel mit schraubenförmig geformten Leitrippen wie in Fig. 12 und 13 dargestellt, der Ansaugluft einen Drall zu erteilen und somit die Gemischaufbereitung zu verbessern.

Durch die großen Ventilteller-Durchmesser können die erforderlichen Ventilhübe klein gehalten wer den. Die Bauhöhe des Motors ist geringer als bei bisherigen Motoren mit obenliegender Nockenwelle.

Die erfindungsgemäße Veränderung der Größe des Verdichtungs- bzw. Brennraumes in Abhängigkeit der angesaugten Luftmenge eignet sich auch für den Selbstzünder-Betrieb, weil bei allen Teillasten der gleiche Verdichtungs-Enddruck und damit die zur Selbstzündung notwendige Temperatur erreicht wird. Es wurde auf der Basis eines Luftkreisprozesses für verschiedene Teillasten der Wirkungsgrad η und der Mitteldruck p_m ermittelt und festgestellt, daß auch beim Selbstzünder nach dem erfindungsgemäßen Verfahren - kurz B-Motor genannt - der Wirkungsgrad im Teillastbereich gegenüber dem Dieselverfahren deutlich verbessert wird.

In Fig. 8 und 9 ist beim Diesel- und K-Motor für die Teillasten 10% bis 100% der Verlauf von p und T über dem Volumen bzw. dem Kolbenhub dargestellt. Die Minderung des Wirkungsgrades und des Mitteldrucks durch den realen Brennablauf und durch die Reibleistung wurde für alle Motorarten gleich angenommen, so daß sich in erster Näherung eine gute Vergleichsmöglichkeit ergibt.

Aus dem dargestellten Temperaturablauf kann anhand des Verhältnisses der maximalen und der Aus laßtemperatur beider Motorverfahren der Wirkungsgrad abgeschätzt werden. Da im Teillastbereich nur eine entsprechend geringere Luftmenge durch die zugeführte Brennstoffmenge erwärmt werden muß, ist die Endtemperatur bei gleicher Wärmezufuhr höher. Außerdem ergibt der kleinere Brennraum beim B-Mo tor ein größeres Entspannungsverhältnis. Beides zusammen hat einen besseren Wirkungsgrad des B-Motors gegenüber dem Dieselmotor im Teillastbereich zur Folge.

Fig. 10 und 11 zeigen einen Vergleich des Wirkungsgrades und des Mitteldruckes von K- B- Diesel und Otto-Motor.

Die erfindungsgemäße Ventilsteuerung bietet auch die vorteilhafte Möglichkeit, den hohen, über 1000bar betragenden Hydraulikdruck der Flüssigkeitsfeder FF für die Beaufschlagung eines Pumpenkolbens zur Kraftstoffeinspritzung zu nutzen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ventilsteuerung besteht darin, daß keines der Ventile zu irgendeinem Zeitpunkt in den Brennraum ragt. Somit kann eine Fehlfunktion der Ventilsteuerung nie zu einem Motorschaden führen.

Bezugszeichenliste

1 Auslaßventil
2 Einlaßventil
3 Einlaßzuventil
4 Ventilsitz
5 Dichtbuchse
6 FF-Gehäuse
7 Steuerstange
8 Nocken
9 Deckel
10
11
12
13
14
15 Freikolben
16 Ventilteller
17 SW-Gehäuse
18 Längbohnung mit Rückschlagventil
19
20 Druckspeicher DSP
21 Stromwandler SW
22 Rückschlagventil VR1
23 Rückschlagventil VR2
24 Rückschlagventil VR3
25 Rückschlagventil VR4
26 Rückschlagventil VR5
27 Wegeventil VW1
28 Wegeventil VW2
29 Wegeventil VW3

Claims

1. Gaswechselsteuerung für eine optimal gesteuerte Brennkraftmaschine mit hydraulisch beauf schlagten Ventilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaswechselsteuerung einen äußeren rohrför migen Ventilschieber - Auslaßventil (1) - aufweist, in welchem der rohrförmige Schaft eines Ventils mit nach innen ragendem Ventilteller - Einlaßaufventil (2) - gleitet, das innen eine Dichtfläche besitzt, auf welche sich die Dichtfläche eines inneren Ventils -Einlaßzuventil (3)- mit einem Voll- oder rohrförmigen Schaft abstützt, so daß die dem Brennraum zugewandten, unteren Tellerflächen der Ventile (2) und (3) eine verschiebbare, obere Begrenzung des Brennraums bilden und die oberen Stirnflächen des Auslaß ventils (1) so wie die Schäfte der beiden konzentrisch angeordneten Ventile (2) und (3) in hydraulische Arbeitsräume (AR1, AR2 AR3 und FF) ragen die über Wegeventile schaltweise mit einer zu einem Druckspeicher (DSP) führenden Druckleitung oder mit dem Ablauf - das kann ein Hydrauliktank T oder der Schmierölkreislauf des Motors sein - verbunden sind, wobei der etwas größere Arbeitsraum vor zugsweise des Einlaßzuventils (3) die Funktion einer Flüssigkeitsfeder FF hat und entweder durch ein entsperrbares Rückschlagventil (VRe) zwecks Bemessung des Brennraumes gesperrt oder entsperrt werden kann, wobei die Ansteuerung der Hydraulikventile vorzugsweise elektronisch und kennfeldge steuert geschieht, oder es erfolgt die Absperrung des Arbeitsraum der Flüssigkeitsfeder FF durch eine in den Schaft des Einlaßzuventils (3) eintauchende, durch einen Nocken (8) in einer wählbaren Stellung gehaltenen Steuerstange (7), deren untere radiale Steuerbohrungen ab einem bestimmten Ventilhub durch den Schaft des inneren Tellerventils abgedeckt sind und dessen obere radiale Bohrungen über eine Nut in der Steuerstange (7) und weiter über mit Rückschlagventilen (VR1 und VR2) versehenen Bohrungen mit dem Wegeventil (2) verbunden sind.

2. Erfindung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil (1) an seinem unteren Ende eine keglige Dichtfläche aufweist, die gegen eine entsprechend ausgebildete Dichtfläche eines im Zylinder eingeschrumpften Sitzrings (5) dichtet und daß die obere Stirnfläche des Auslaßventils (1) in einen durch eine Dichtbuchse (5) gebildeten hydraulischen Arbeitsraum AR1 ragt einen Absatz be sitzt, dessen nach unten gerichtete Stirnfläche mit einer Stute im Zylinder, einen weiteren Arbeitsraum AR2 bildet, der ständig mit der Druckleitung bzw. dem Druckspeicher DSP verbunden ist.

3. Erfindung nach Anspruch 1 . . . 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegeventile VW1 und VW2, die entsperrbaren Rückschlagventile VRe durch einen Impuls in Abhängigkeit °KW angesteuert werden und in Übereinstimmung hiermit die Steuerstange (7) durch einen Nocken (8) so verstellt wird, daß der Füllungsgrad des Zylinders mit Luft oder Kraftstoffgemisch in Übereinstimmung mit der Größe des Brennraums bei OT gebracht wird, und der Füllungsgrad des Zylinders nicht durch Drosselung sondern durch den Zeitpunkt des Schließens des Einlaßzuventils (3) bemessen wird.

4. Erfindung nach Anspruch 1 . . . 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Leitung zwischen Druckspei cher DSP und Wegeventile (VW1 . . . 3) ein Stromwandler SW geschaltet ist, der einen Freikolben (15) besitzt, der zusammen mit dem Ventilteller (16) als Differentialkolben wirkt, und dessen größerer Durchmesser dem Druckspeicher DSP zugewandt ist, in dessen inneren eine zentrale Bohrung (18) mit einem zu den Wegeventilen VW1 und VW2 hin öffnenden Rückschlagventil angeordnet ist und daß das untere Ende der zentralen Bohrung (18) in eine Querbohrung mündet.

5. Erfindung nach Anspruch 1 . . . 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßaufventil (2) außen einen Absatz besitzt an den sich die Innenkante des Auslaßventils (1) anlegt und so dessen Hub nach oben begrenzt.