DE2107966B2 - Brennkraftmaschine mit einem hilfsventil zur abgasentnahme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem ventilgesteuerten Zylinder, dem vermittels eines während des Arbeitshubes des Kolbens zeitlich vor dem öffnen des Auslaßventils aufgesteuerten Hilfsventil ein Teil der unter Druck stehenden Abgase entnommen wird und dem mit dem Schließen des Einlaßventils beginnend Abgase hilfsventilgesteuert wieder zugeführt werden, wobei Zufuhr von Abgasen innerhalb eines Teils des Verdichtungshubes des Kolbens erfolgt.

Eine Brennkraftmaschine dieses Typs ist aus der US-PS 27 01 556 bekannt. Die Abgasrückführung soll hier dazu dienen, einen guten Verbrennungsdruck konstant aufrechtzuerhalten und auch das Ladungsverhiih nis zu verbessern, wobei gleichzeitig das rückgeführte inerte Abgas die Klopfneigung des Motors bei Verwendung von Kraftstoffen mit geringer Oktanzahl beseitigen soll. Bei dieser bekannten Art der Abgasrückführung muß allerdings eine Verschlechterung der Kraftstoffausnutzung und eine Verringerung der Motorleistung in Kauf genommen werden, da ja ein Teil jeder

Zylinderfüllung durch das inerte Abgas ersetzt ist.

Eine weitere Brennkraftmaschine mit hilfsventilge steuerter Abgasrückführung ist aus der US-Pi 18 33 802 bekannt. Hier wird das rückgeführte Abga: dazu benutzt, den bei gedrosseltem Motor nicht gan; mit Frischgas gefüllten Zyünderraum mit einem Inert gaskissen aufzufüllen und damit wiederum einen guter Verbrennungsdruck im Zylinder konstant aufrechtzuer halten.

ίο Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu gründe, bei gleichbleibender Motorleistung die Anteile an Stickstoffoxyden im Abgas zu vermindern.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnender Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
Wesentlich ist die Steuerung der Ventile derart, daß die Entnahme von Abgas während des Arbeitshubes des Kolbens bei »inem Druck erfolgt, der mindestens eine Atmosphäre größer ist als der Atmosphärendruck. Auf diese Weise ist es möglich, die entnommene Abgasmenge dem Zylinderraum verlustfrei während des Verdichtungshubes wieder zuzuführen, ohne daß dabei eine Verringerung des bei einer normalen Brennkraftmaschine erreichbaren Ladeverhältnisses in Kauf genommen werden muß. Bei der Erfindung schließt das Einlaßventil erst nach dem unteren Kolbentotpunkt und in einer bevorzugten Ausführüngsform im Vergleich zu anderen Verbrennungskraftmaschinen relativ spät.

In konstruktiver Hinsicht besitzt die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine den Vorteil, daß sie mit nur einem Hilfsventil auskommt, das zugleich die Abgasentnahme und die Abgaszufuhr steuert. Das unter Druck entnommene Abgas wird in einer geschlossenen Abgasaufnahmekammer gesammelt, die mit dem Zylinder verbunden ist. Vorteilhaft und fertigungstechnisch besonders günstig kann die Abgasaufnahmekammer auch direkt im Zylinderkopf angeordnet sein.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnungen näher beschrieben.
F i g. 1 ist eine Teilstirnansicht eines Zylinderblocks und ein Teilaxialschnitt durch den Zylinderkopf eines ersten Ausführungsbeispieles;

F i g. 2 zeigt schematisch eine Ansicht des Zylinderkopfes in Richtung der Pfeile H-II gemäß Fig. 1;
F i g. 3 ist ein typisches Zeitdiagramm für einen Zylinder des in den F i g. 1 und 2 dargestellten Motors;

Fig. 4 zeigt einen Axialschnitt durch den Zylinderkopf eines zweiten Ausführungsbeispiels, das ähnlich dem in F i g. I und 2 dargestellten Motor ist und gegenüber diesem eine abgeänderte Ventileinrichtung aufweist;

F i g. 5 zeigt schematisch in einer Stirnansicht die Zylinder eines weiteren Ausführungsbeispiels, bei dem jeder Zylinder ähnlich dem in F i g. 1 und 2 dargestellten Zylinder ausgebildet ist.

Die in F i g. I und 2 dargestellte Brennkraftmaschine weist einen oder mehrere Zylinder 1 auf, die je einen Kolben 2 aufnehmen und einen Zylinderkopf 3 besitzen, der Sitze 4, 5 für die Einlaß- und Auslaßventile, die durch Tellerventile dargestellt sind, aufweist. Von den Ventilen ist in F i g. 1 bei 6 das Auslaßventil dargestellt. Die Ventile werden in bekannter Weise durch eine vom Motor angetriebene, nicht dargestellte Nockenwelle über Kipphebel geöffnet und geschlossen, von denen <>5 einer bei 7 dargestellt ist. Der Zylinderkopf 3 jedes Zylinders legt einen Brennraum 8 fest, der mit einer Zündkerze 12 versehen ist und über ein drittes Tellerventil 10 zu einer geschlossenen Aufnahmekammer 9 führt,

wobei das dritte Ventil 10 derart angeordnet ist, daß es beim Öffnen und Schließen Gase in die Kammer 9 leiten oder aus der Kammer austreten lassen kann. Das dritte Ventil 10 ist das obenerwähnte zusätzliche Ventil. Es wird durch eine weitere Nockenwolle 11 geöffnet, die an einer Kanne 13 angreift, die auf dem Ende des Ventilschaftes 14 sitzt. Geschloss .n wird das Ventil 10 durch eine Feder 15, die zwischen der Kappe 13 und einem festen Ventilgehäuse 16 angeordnet ist. Die Nokkenwelle 11 wird in zeitlicher Abstimmung mit der Hauptnerkenweile angetrieben, die das Ein- und das Auslaßventil öffnet und schließt. Das Öffnen und Schließen des dritten Ventils 10 ist zeitlich so abgestimmt, daß es zu;n inneren des Brennraums 8 und damit zum Zylinder 1 hin für einen kurzen Zeitraum geöffnet wird, der kurz vor dem Öffnen des Auslaßventils 6 beginnt und vor dem Schließen des Auslaßventils endet, so daß ein Teil der gasförmigen Verbrennungsprodukte im Zylinder in die Auftiahniekammer 9 eintritt, statt durch das Auslaßventil 6 in das Auslaßsystem 17 des Motors zu entweichen. Das dritte Ventil 10 wird geschlossen, bevor das Auslaßventil 6 schließt, so daß nach dem Schließen des dritten Ventils 10 der Rest der Abgase des Zylinders 1 in das Auslaßsystcm 17 eintritt. Das dritte Ventil 10 ist weiterhin so angeordnet, daß es 2^ geschlossen wird, bevor der Druck im Zylinder 1 auf Werte unterhalb 1 aiii abfällt, vorzugsweise wird es geschlossen, wenn der Druck zwischen einer und zwei Atmosphären oberhalb des Atmosphärendrucks liegt. Das Ventil 10 wird erneut geöffnet, kurz bevor das Einlaßventil den Einlaßkanal 4 schließt, um zu ermöglichen, daß die gasförmigen Produkte aus tier Aufnahmekammer 9 wieder in den Zylinder eingeführt werden. Das Schließen des dritten Ventils 10 wird etwa 60" nach dem Schließen des Einlaßventils vorgenommen. Auf diese Weise wird ein Teil der gasförmigen Verbrennungsprodukte in den Zylinder zurückgeleitet, ohne daß die Füllung des Zylinders verringert wird. F i g. 3 zeigt ein typisches Zeitdiagratnin, in dem die Winkelstellungen, in denen das Auslaßventil 6 öffnet und schließt, mit A bzw. Bbezeichnet sind, während die Öffnungs- und Schließstcllungen des driiten Ventils 10 in ihrer zeitlichen Lage gegenüber den Öffnungs- und Schließzeitpunkten des Auslaßventils 6 durch C und D bezeichnet sind. Es ist zu erkennen, daß das Öffnen des dritten Ventils 10 bei C vor dem Öffnen bei A des Auslaßventils 6 erfolgt. Das dritte Ventil ¹O schließt bei D kurz nachdem das Auslaßventil 6 geöffnet wurde. Zwischen den Stellungen C und A ist allein das Ventl 10 geöffnet, so daß während dieser Zeit die gasförmigen Verbrennungsprodukte allein in die Aufnahmekammer 9 eintreten können. Während der Zeit /wischen den Stellungen A und D können die gasförmigen Verbrennungsprodukte teilweise durch das dritte Ventil 10 in die Aufnahmekaminer 9 und teilweise in das Auslaßsystern 17 des Motors eintreten. Während der Zeit /wischen den Stellungen D und 0 ist das dritte Ventil 10 geschlossen, so daß sämtliche den Zylinder 1 verlassenden Gase in das Auslaßsystcm 17 entweichen. Die Öffnungs- und Schließstellungen des Einlaßventils sind mit /fund Fbezeichnet, während die entsprechenden Stellungen des dritten Ventils 10 bei G bzw. // angedeutet sind. Es ist zu erkennen, daß während des größten Teils des Zeitabschnitts, in dem das dritte Ventil offen ist, das Einlaßventil geschlossen ist. Die Öffnungs- und Schließ-Zeitpunkte der drei Ventile, die mit A bis //bezeichnet sind, stellen typische Stellungen oder Zeitpunkte dar, die aber nur als Beispiel angeführt sind. Die Ausbildung des Brennraums 8 und der Aufnahmekammer 9 entsprechen denen in einem Versuchsmotor und können bei Serienmotoren durchaus abgeändert werden.

F i g. 4 zeigt einen weiteren Motor, bei dem ein drittes oder zusätzliches Tellerventil 20 ähnlich dem Ventil 10 in F i g. 1 derart angeordnet ist, daß es mittels eines Kipphebels 21 und einer Rückstellleder 22 von derselben Nockenwelle 23 geöffnet und geschlossen werden kann, die auch zur Betätigung des Ein- und Auslaßventils des Motors vorgesehen ist. Eines dieser Ventile ist bei 24 dargestellt. Die Aufnahmekammer, die der Kammer 9 in F i g. 1 entspricht, ist bei 25 dargestellt, und sie steht mit dem Brennraum 26 oberhalb des Kolbens 27 in Verbindung, wenn das Ventil 20 geöffnet ist.

Schließlich soll als letztes Beispiel noch ein Sechszylinder-Viertaktmotor erläutert werden, der in jedem Zylinder Ein- und Auslaßventile aufweist, die entsprechend F i g. 5 paarweise angeordnet sind. Jeder Zylinder 61, 62, 63, 64. 65 und 66 weist ein Einlaßventil 70, ein Auslaßventil 71 und ein zusätzliches oder drittes Tellerventil 72 auf. wie es im wesentlichen bei dem in F i g. 1 und 2 beschriebenen Zylinder der Fall ist. Die Sitze der zusätzlichen Ventile 72 der Zylinder 61, 62 und 63 sind durch eine erste Sammelleitung 73 miteinander verbunden, während die zusätzlichen Ventile 72 der Zylinder 64, 65 und 66 durch eine zweite Sammelleitung 74 miteinander in Verbindung stehen. Die Ventile 72 sind derart angeordnet, daß sie durch eine Nockenwelle ähnlich der bei 11 in F i g. I oder bei 23 in F i g. 4 dargestellten geöffnet und geschlossen werden, wobei das Öffnen und Schließen derart abgestimmt ist. daß die Zylinder paarweise entweder durch die Sammelleitung 73 oder die Sammelleitung 74 miteinander verbunden werden. Bei einem Sechszylindermotor mit der üblichen Zündfolge 1-5-3-6-2-4 sind die Zylinder paarweise in der nachstehenden Folge miteinander verbunden: öl und 63, 65 und 66, 63 und 62, 66 und 64 sowie 62 und 61. Andere zeitliche Schaltungen können für Motoren vorgesehen werden, die nach einer anderen Zündfolge arbeiten oder eine andere Anzahl von Zylindern besitzen.

Das öffnen und Schließen der Tellerventile 72 ist weiterhin zeitlich auf die Öffnungs- und Schlicßzciten der Einlaß- und Auslaßventile 70 und 71 der betreffenden Zylinder derart abgestimmt, daß das dritte Ventil

72 eines Zylinders eines miteinander verbundenen Zylinderpaars während eines Teils der Zeit geöffnet wird, während der das Auslaßventil des Zylinders offen ist, wobei ein Teil der gasförmigen Verbrennungsprodukte aus diesem einen Zylinder entnommen und über die Sammelleitung 73 oder 74 in den anderen Zylinder des miteinander verbundenen Zylinderpaars eingeleitet wird, statt durch das Auslaßventil des einen Zylinders in das Auslaßsystem des Motors zu entweichen. Das dritte Ventil 72 kann geöffnet werden, bevor das Auslaßventil des betreffenden einen Zylinders geöffnet wird, da es vorteilhaft sein kann, in den Samelleitungen

73 und 74 in dem Augenblick einen Druck zur Verfügung zu haben, in dem das Ventil 71 öffnet. Das dritte Ventil 72 des anderen Zylinders des miteinander verbundenen Zylinderpaars ist zeitlich so geschaltet, daß es zu dem anderen Zylinder hin in dem Zeitpunkt geöffnet wird, wenn das Einlaßventil dieses Zylinders schließt oder kurz nachdem es geschlossen wurde. Auf diese Weise weiden die Abgase, die aus einem Zylinder abgezweigt werden, über die Sammelleitungen 73 und

74 in den anderen Zylinder eines miteinander verbundenen Zylinderpaares eingeleitet, ohne daß dadurch die Füllung des anderen Zylinders beeinflußt wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Brennkraftmaschine mit mindestens einem ventilgesteuerten Zylinder, dem vermittels eines während des Arbeitshubes des Kolbens zeitlich vor dem öffnen des Auslaßventils aufgesteuerten Hilfsventils ein Teil der unter Druck stehenden Abgase entnommen wird und dem mit dem Schließen des Einlaßventils beginnend Abgase hilfsventilgesieuert wieder zugeführt werden, wobei Zufuhr von Abgasen innerhalb eines Teils des Verdichtungshubes des Kolbens erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abgasentnahme das Hilfsventil (10, 20, 72) nur so lange geöffnet ist, wie der Zylinderinnendruck größer als zumindest ein atü ist, daß die Abgasentnahme noch während des Arbeitshubes beendet ist, daß das die Entnahme der Abgase steuernde Hilfsventil zugleich die Abgaszufuhr steuert und daß das Hilfsventil zur Abgaszufuhr erst nach dem unteren Kolbentotpunkt öffnet.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsventil (10.20) nach der Abgasentnahme bei einem Zylinderdruck zwischen 1 und 2 atü schließt und daß das Hilfsventil zur Abgaszufuhr erst relativ spät nach dem unteren Kolbentotpunkt öffnet.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß über das Hilfsventil eine geschlossene Abgasaufnahmekammer (9, 25) mit dem Zylinder verbunden ist.

4. Brennkraftmaschine nach. Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasaufnahmekammer im Zylinderkopf angeordnet ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch I oder 2 mit mindestens zwei Zylindern, dadurch gekennzeichnet, daß die über das Hilfsventil einem Zylinder entnommene Abgasmenge dem zweiten Zylinder zugeführt wird, wobei die dem zweiten Zylinder entnommene Abgasmenge dem ersten Zylinder zugeführt wird.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgaszuführung ein Verdichter angeordnet ist.