DE2125368A1 - Viertaktmotor und Verfahren zur Verringerung schädlicher Bestandteile in seinen Auspuffgasen - Google Patents

Viertaktmotor und Verfahren zur Verringerung schädlicher Bestandteile in seinen Auspuffgasen

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DE2125368A1 DE19712125368 DE2125368A DE2125368A1 DE 2125368 A1 DE2125368 A1 DE 2125368A1 DE 19712125368 DE19712125368 DE 19712125368 DE 2125368 A DE2125368 A DE 2125368A DE 2125368 A1 DE2125368 A1 DE 2125368A1
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Description

Viertaktmotor und Verfahren zur Verringerung schädlicher Bestandteile in seinen Auspuffgasen
Die Erfindung betrifft die Herabsetzung gesundheitsschädlicher Bestandteile in den Auspuffgasen von Kraftfahrzeugen, die Motoren mit innerer Verbrennung besitzen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die meistverbreiteten Motoren mit hin- und hergehenden Kolben und Ventilen, die im Viertaktsystem arbeiten.
Es ist bereits b'ekannt, schädliche Emissionen solcher Motoren dadurch zu verringern, daß man einen Teil der Auspuffgase in die Zylinder zuinickführt, um insbesondere die Stickoxid-Emission zu verringern.
Diese Entwicklungen sind z. B. beschrieben in den USA-■ Patentschriften 3.470.857 und 3-465-736 sowie den SAE-Veröffentlichungen ITr. 700 146 von V/. Glass, F.R. Russell und D. T. Wade "Evaluation of Exhaust Recirculation for Control of Nitrogen Oxide Emissions" und Nr. 700 147 von V/. Glass, D. S. Kim und B. J. Kraus "Synchrothermal Reactor System for Control of Automotive Exhaust Emissions".
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Bei diesen "bekannten Verfahren v:ird ein Teil der Vg produkte vom Abgassamriler oder Auspuffrohr des Motors rhrc-
3ocen und, gewöluilich nach dem Abkühlen und Abmessen, in den .Ansaugkanal oder den Vergaser- eingeleitet. Das wird, nachfolgend mit "äußerer Rückführung" bezeichnet. Dadurch soll der Stickoxid-Anteil im Abgas nerklich abnehmen. V/ahrccheinlich entsteht diese Abnahme, weil das Abgas sich inert verhält und die Temperaturspitzen der brennenden Gase in cen Zylindern herabsetzt. Die inerten Bestandteile, die das Abgas ausmachen, verdünnen anscheinend dos Kr aft stoff/Luft-Gemisch soweit, daß die Bildung von Stickoxiden begrent wird.
Die äußere Rückführung der Abgase durch die verschiedenen Regeleinrichtungen und Blenden verursacht jedoch andere Schwierigkeiten, z. B. Ablagerungen im Einlaßsystem und dgl. Außerdem versagt die äußere Rückführung nicht nur in der Herabsetzung des Anteils unverbrannter Kohlenwasserstoffe sondern erhöht den CE-Anteil im Abgas beträchtlich, wie eigene Versuche ergeben haben.
Demgegenüber sieht die Erfindung ein System der "inneren Rückführung" vor, bei dem das Abgas über das Auslaßventil in den Zylinder zurückströmt, indem man einfach eine geregelte und vorbestinmte Kenge heißes Abgas während des Ansaughubs von der Auspuffleitung in den Zylinder einl-äßt. Das kann geschehen durch ein begrenztes Öffnen . des geschlossenen Auslaßventils während des Ansaugtakts, so daß eine relativ geringe, vorbestimmte Menge der verbrannten Gase zusammen mit dem Frischgasgemisch in den Zylinder gesaugt wird. Dieses läßt sich in einfachster Weise erreichen, indem der das Auslaßventil steuernde Nocken mit einer zusätzlichen Erhöhung versehen wird, die so ausgebildet ist, daß das am Ende des Auslaßhubs völlig geschlossene Auslaßventil nochmals geöffnet wird^.nachdem der Ansaugtakt begonnen hat.
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BADORIQlNAt
Die erfiridungscemäße "innere Rückführung" der Abgase ist nicht nur bei den verbreitetsten Motoren möglich, die ein gewöhnlich gasförmiges Kraftstoff/Luft-Gemisch ansaugen, sondern auch bei solchen, die Luft ansaugen, in die de.r Kraftstoff flüssig eingespritzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist durchführbar, weil der im Zylinder herrschende Druck, zumindest zu Beginn des Einlaß- oder Ansaugtakts, gewöhnlich niedrig ist, d. h. 'beträchtlich unter dem Atmosphärendruck liegt. Auf der anderen Seite ist der Druck im Abgassystem, also am Auslaß, selbst dann notwendigerweise höher als der Atmosphärendruck, wenn der Auspuff durch Strömungshindernisse, wie Schalldämpfer und dgl., wenig behindert ist. Deshalb läßt bloßes Öffnen des Auslaßventils während des Einlaßtakts, vorzugsweise kurz vor der Mitte des Takts, wenn der abwärtsgehende Kolben seine größte Geschwindigkeit erreicht hat, edm geregelte und vorbestimmte Menge, die von den Öffnungszeiten der Ventile, ihren Hubhöhen, dem Druck im Auspuffsammler und dgl. abhängt, der heißen Auspuffgase zurückströmen.
Dadurch wird nicht allein der Stickoxidgehalt im Abgas vermindert, sondern auch der Anteil unverbrannter CH-Verbindungen im Abgas drastisch herabgesetzte
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Verringerung schädlicher Bestandteile in den Auspuffgasen von mit Steuerung durch Ein- und Auslaßventile arbeitenden Brennkraftmaschinen durch Rückführung eines Teils der Abgase in die Zylinder, dadurch gekennzeichnet, daß eine bestimmte Abgasmenge aus dem Auspuff system über das Auslaßventil unmittelbar in die Zylinder zurückgeführt wird.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Viertakt-Brennkraftmaschine mit Steuerung durch Ein- und Auslaßventile, insbesondere Tellerventile, die von Nocken und einer Nockenwelle betätigt werden, gekennzeichnet
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durch eine zusätzliche Erhebung (38) auf dem zur Steuerung der Auslaßventile (32) dienenden Nocken (34-) der nockenwelle
(36). ■■■■'"·
Die Erfindung sei an einem Ausführungsbeispiel und anhand der Zeichnung weiter erläutert. Darin ist
Figur.1 eine schematische, teilweise geschnittene Seitenansicht des Zylinderkopfs eines erfindungsgemäß abgeänderten üblichen Verbrennungsmotors und
Figur 2 ein typisches Diagramm der Ventilschließzeiten, in dem die Öffnung von Einlaß- und Auslaßventil über einem vollständigen Arbeitsspiel aufgetragen ist.
In der Fi-gur 1 ist der Zylinder 10 eines Motors mit einem Einlaßventil 12 und einem Auslaßventil 14- versehen, beide in der üblichen Teller-.oder "TuIpen"-Form*
Der Verbrennungsraum 16 enthält einen auf-und abgehenden Kolben 18. Die Ventile 12 und 14 stehen mit Einlaß- 20 und
ΐ- .
Auslaßkanälen 22 in Verbindung* die ihrerseits mit einem Ansaugrohr (nicht abgebildet) und dem Abgassammeirohr 26 verbunden sind.
Die Ventile 12 und 14- werden von Hocken 32 und 34- auf,einer Nockenwelle 36 betätigt und zwar unmittelbar odertüfaer eineffl der üblichen Ventiltriebe, der Stössel, Stoßstangen, Kipphebel und dgl. enthalten kann. . ■
Die Baufoma nach Figur 1 ist daher mit Ausnahme einer besonderen Erhöhung 38 auf dem Hocken 34- für das Auslaßventil völlig herkömmlich. .
Die Wirkung des zusätzlichen Nockens 38 auf die mechanische "■*
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Arbeitsv/eise des Motors zeigt Figur 2. Dieses Diagramm gilt für einen typischen Viertaktmotor (Pontiac OHC) und umfaßt ein vollständiges Arbeitsspiel von 2 Umdrehungen der Kurbelwelle oder 720° Kurbelwinkel (KW).
In diesem Motor öffnet und schließt das Einlaßventil während etwas mehr als der ersten 180° KW mit konventioneller Hubstrecke, was durch den Kurvenzug 40 wiedergegeben ist. Im größten Teil dieses Zeitraums bewegt sich der Kolben 18 vom - Zylinderkopf weg und saugt frisches Kraftstoff/Luft-Gemisch *an. Während dieses Arbeitstaktes erreicht der Kolben 18 · bekanntlich seine höchste'Lineargeschwindigkeit kurz vor dem ßdieLtel von Kurve 40.
In den nachfolgenden Kompressions--, Zünd- und Expansions-■fcakten bleiben beide Ventile geschlossen. Dann öffnet das Auslaßventil 14, wie Kurve 42 wiedergibt * und läßt das verbrannte Gas in äen Abgassammler 26 ausströmen.
Charakteristisch für diesen Viertaktraotor ist ferner eine kleine üb^EscMeidüopg zwischen den Öffnungszeiten des Einlaß- und Auslaßventils, die ganz links in Figur 2 angedeutet» für dag Verfahren der Erfindung jedoch ohne Bedeutung ist.
Da das ein wesentliches Element der. Erfindung darstellt, muß betont werden, daß am Ende des Auslaßtaktes das Auslaßventil völlig in seinen Sitz eingerastet und geschlossen ist und so für eine bestimmte, nach 0KW bemessene Dauer verbleibt, bevor mit dem durch Kurve 44 angedeuteten"I/üftenü
- begonnen wird. Danach soll das Auslaßventil 14 um etwa
. der Eubstrecke oder des Öffnungswegs von Einlaßventil geöffnet werden, beginnend etwa 2Ö°KW nach dem vollständigen
" Schließen und etwa 13Q0KWlang. Das Auslaßventil kann zu jeder Zeit nach dem Schließen des Auslaßventils öffnen und
. \t±B zum Schließen des Einlaßventils offen bleiben.
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Als Ergebnis dieser erfindungsgemäßen Steuerung des Auslaßventils wird während des Ansaugtaktes Abgas über das Auslaßventil in einer Menge zurückgesaugt, die abhängig ist von 1) der Öffnungsdauer des Auslaßventils, 2.) den Hub des Auslaßventils j 3·) dem ini Zylinder herrschenden Unterdruck-, 4.) den Drucken im Einlaß- und Auslaßsysteia und 5·) der Bewegung des Einlaßventils.
Mit Rücksieht darauf, daß das Auslaßventil hauptsächlich durch Kontakt mit seinem Sitz im Zylinderkopf wahrend der Schließkeil· gekühlt wird f ist es zweckmäßig, die zusätzliche Öffnungsdauer so kurz wie möglieh zuhalten. Das läßt sich beispielsweise erreichen, indem man die Hubhöhe des Ventils dem-entsprechend einstellt oder die zusätzliche Öffnungszeit an den Ίϋβχ-Ι des Kolbenwegs verlegt, an dem der Unterdruck aitt größten ist. Aus diesem Grunde wird es bevorzugt, das zusätzliche ^Öffnen oder lüften des Auslaßventils, das in Figur 2 durch die Kurve 44 angedeutet ist, in den ersten Teil der Einlsßpe-riode zu verlegen, d*,h., in den 3Jeil, wo die Abwärtsbewegung des Kolbens am schnellsten erfolgt* \
Aus diesem Gniiide erscheint das Maximum von Kurve 44 in Figur 2 eriie1>lich früher, als das Maximum der Kurve 40. Auf dlieseitt Seil &$s . Kolbeßwegs ist äie Saugwirkung be>deiitendt st^k^r ßls in den späteren üfeilext des lafcte» dem Schi^eBeijsdes Biiidaßventils voraii^hejqt \md wo der ; linder -isär-aitfil· stärker gefüllt vm.a dej? Urückunt er sohied entspreelieiul geiciijger ist. \ .
Dadurch v/ird auch die Küfelwirkung, die der Ventilsitz auf den Ventilkörper während der Schließzeit ausübt» nur wenig unterbrochen*
Die genaue Abstimmung aller dieser Faktoren verlang!; kpnipliaierte Berechnungen, die am besten vom Computer ^ewaltig^ werden. Je nach der Bauweise des Motors» dem verwendeten
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.Kraftstoff und anderen EinfluBgrößen kann der erfindungsgemäß zurückgeführte Anteil des Abgases erheblich schwanken. Allgemein läßt sich jedoch sagen, daß nach dem Verfahren der Erfindung nicht-wesentlich mehr als 2S> Gew-% der gesamten Beschickung des Zylinders bei Vollast und vorzugsweise etwa 2O-5Gew.%, zurückgeführt werden.
V/ie bereits erwähnt, bewirkt das Verfahren der Erfindung nicht nur eine erhebliche Abnahme der Stickoxide im Abgas, sondern überraschenderweise außerdem einen Rückgang unverbrannter Kohlenwasserstoffe im Abgas, der bei der "äußeren Rückführung" nicht beobachtet wurde. In der nachfolgenden !Tabelle werden ge'mittelte Kohlenwasserstoff- und Stickoxid-Gehalte im Auspuffgas verglichen, die aus einer Reihe von Versuchen mit einem Einzylinder-Waukesha-RDH-Versuchsmotdr ermittelt wurden, dessen Ventiltrieb ' erfindungsgemäß abgeändert wurde, um die "innere Rückführung" der Auspuffgase zu ermöglichen.
Keine Äußere' " Innere Rückführung Rückführung Rückführung
stoffe im Abgas,
ppm 202 295 130
HO -Anteile, ppm 2080 960 1000
Diese ¥erte wurden erhalten bei einer Luftmenge von 14,5 einer Umdrehungszahl von 1200/Min.,konstanter Belastung bei konstantem Kxaftstoff-J^ivalenzverhältnis von 1,0, minimaler Zündeinstellung für bestes Drehmoment, einer Einlaßtemperatur von 9I,5°G für das Gemisch und 1?7,8 mm Hg Rückdruck.
Das Verfahren der Erfindung setzte demnach den Stickoxid-Gehalt um 55 % und in laanchen Fällen sogar um 80 % herab, während gleichzeitig der Gehalt an unverbrannten Kohlenwasserstoffen um bis zu 55■% zurückging.
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Diese Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrene lassen sich möglicherweise damit erklären, daß es sich bei deji aurückgesaugten Abgasen um den letzten Teil des während des Auslaßtaktes aus dem Zylinder strömenden Auspuffgases handelt und dieser Teil verhältnismäßig reich an unverbrannten Kohlenwasserstoffen ist, weil er mehr "Spaltgase" enthält, die den verhältnismäßig kühlen ZyIinderflachen und den Ringspalten um den Kolben entstammen. Dieses CH-reiche Gas scheint bei der i liner en Rückführung im nachfolgenden Verbrennungstakt umgesetzt zu v/erden. Zu dem Ergebnis könnte ferner beitragen, daß bei der inneren Rückführung im Gegensatz zu der bei der äußeren Rückführung stattfindenden Abkühlung ein Abschrecken des Auspuffgases unterbleibt.
Es ist jedenfalls einleuchtend, daß die bestmögliche Gelegenheit zur vollständigen Verbrennung gegeben ist, wenn man die Abgase während des Ansaugtäktes unmittelbar zurück in den Zylinder leitet.
Das erfindungsremäße Verfahren scheint auch zwei Nachteile der äußeren Rückführung zu mildern, nämlich schlechte Arbeitsweise im Leerlauf des Motors und Leistungsrückgang bei Vollgas. Diese Schwierigkeiten waren so schwerwiegend, daß bei den Verfahren zur äußeren Rückführung eine besondere selbsttätige Ventilsteuerung notwendig war,.die die Rückführung im Leerlauf und bei Vollast abstellte.
Venn diese Schwierigkeit im Leerlauf des Motors auftritt, läßt sich die erfindungsgemäße innere Rückführung leicht abstellen, wenn man hydraulische Regulierstößel(Lifters) verwendet, iivüem man die Rückflußgeschwindigkeit (leakdown rate) entsprechend einstellt. Mit anderen Worten bewirkt bei Leerlaufdrehzahlen eine gerade ausreichende Rücklauf geschwindigkeit, daß die zusätzliche Betätigung des Auslaßventils während des Einlaßtakts unterbleibt. Bei höheren Drehzahlen wird jedoch der Regulierstößel hydraulisch
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Claims (6)

  1. verriegelt und kenn darm etwa nach dem bv.e Figur 2 or si chtliclien Schema arbeiten. D'iese Möglichkeit ergibt sich. eis raue, daß der öffni;üj-/::;v.7eg des Auslaßventils .tür die erfir.aur.gngeinäße Rückführung beträchtlich feringor sein kann, als beim normalen Öffnen de.s Ventils und eine hohe Rücklaufgeschwindigkeit der Hydraulikflüssigkeit große Ventilwege nicht beeinträchtigt.
    Ferner nimmt im Vollast-, insbesondere Vollgasbereich die Abgas-Rückführung ab, da die Auspuffgase progressiv weniger zurückgesaugt v;erdert. .Das ergibt sich aus der-Tatsache, daB die innere Rückführung der Auspuffgase unmittelbar in den Zylinder übex" das Auslaßventil von dem Druckunterschied zwischen den Abgasen, im Sammler und dem Druck im Zylinder abhängt. Da bei höheren Belastungen die Zylinderdrucke anwachsen, nimmt der Rückstrom des Abgases ab. Somit findet beim Verfahren der Erfindung im allgemeinen eine selbsttätige Anpassung an die Erfordernisse im Motor auf vollkommene, natürliche V/eise statt, so daß man ohne besondere Steuerorgane im gesamten Arbeitsbereich besonders günstige Ergebnisse erzielt.
    Weiterhin scheint durch das neue Verfahren die Laufruhe des Motors verbessert zu werden, möglicherweise infolge höhererer Turbulenz der Frischgasbeschickung, zu der die hohen Geschwindigkeiten beitragen, mit denen das zurückgeführte Abgas durch die relativ kleine Öffnung strömt, welche das Ventil während der Rückführung bietet.
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    BAD ORIGINAL
    T 71 017
    (D 71,537-F)
    Patentansprüche
    ■'1 )\ Verfahren zur Verringerung schädlicher Bestandteile in / den Auspuffgasen von mit Steuerung durch Ein- und Auslaßventile arbeitenden Brennkraftmaschinen durch Rückführung eines Teils der Abgase in die Zylinder, dadurch gekennzeichnet , daß eine bestimmte Abgasmenge aus dem Auspuffsystem über das Auslaßventil unmittelbar in die Zylinder zurückgeführt wird.
  2. 2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß bei Vollast-Betrieb etwa 25, vorzugsweise 5 ~ 20 Gew.-So, bezogen auf die gesamte Frischgas-Beschickung, der Abgase zurückgeführt werden.
  3. 3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e kennzeichnet , daß die Rückführung der Abgase durch kurzzeitiges Lüften oder Öffnen des bereits geschlossenen Auslaßventils während des Ansaugtakts, insbesondere im ersten Teil des Ansaugtaktes und vorzugsweise zum Zeitpunkt des größten Unterdrucks im Zylinder, erfolgt.
  4. 4) Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn-ζ e i c h η e t , daß das Auslaßventil während des Ansaugtakts um einen Bruchteil seiner normalen Auslenkung während des Auslaßtakts zusätzlich geöffnet wird.
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  5. 5) Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet , daß das Maximum der zusätzlichen Öffnung des Auslaßventils kurz vor dem Maximum der Öffnung des Einlaßventils erreicht wird.
  6. 6) Viertakt-Brennkraftmaschine mit Steuerung durch Ein- und Auslaßventile, insbesondere Tellerventile, die von .Nocken und einer Nockenwelle betätigt werden, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Erhebung (38) auf dem zur Steuerung der Auslaßventile (32) dienenden Nockender Nockenwelle (36)*
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    Leerseite
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