DE2330249A1 - Verfahren und vorrichtung zum einbringen von brennbarem gemisch in die zylinder eines verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum einbringen von brennbarem gemisch in die zylinder eines verbrennungsmotors

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Description

Verfahren und Vorrichtung zum Einbringen von brennbarem Gemisch in die Zylinder eines Verbrennungsmotors
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbringen von brennbarem Gemisch von einem Vergaser o.a. über jeweils mindestens ein Einlassventil in die Zylinder eines Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens des jeweiligen Zylinders.
Bei diesen bekannten Verfahren und Vorrichtungen erfolgt das Einbringen des brennbaren Gemisches über das von der Nockenwelle gesteuerte Einlassventil, das zu Beginn des
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"Ansaugtaktes" oder bereits vor Beginn dieses Taktes geöffnet und bei oder nach Beendigung des Ansaugtaktes geschlossen wird.
Es ist bekannt, daß die Menge des Gemisches, das beim Ansaugen durch die Bewegung des Kolbens über das Einlassventil in den Arbeitsraum des Zylinders (im folgenden Zylinder genannt) eingebracht wird, erheblich kleiner ist als die maximal vom Zylinder aufzunehmende Menge des brennbaren Gemisches, so daß die volle Leistungsfähigkeit des Zylinders und damit des gesamten Verbrennungsmotors nicht ausgenutzt wird.
Eine von mehreren Ursachen für diese nur teilweise Füllung des Zylinders besteht in der Form und Betätigungsart des Einlassventils, das mittels der Nockenwelle geöffnet und geschlossen wird und dessen endliche Öffnungszeiten, insbesondere bei hohen Drehzahlen eine grosse Rolle spielen, da die Gesamtöffnungszeit des Einlassventils verhältnismäßig kurz ist und in der Grössenordnung von Hundertstel Sekunden liegt. Zudem bildet der Ventilstössel durch seine übliche Pilz-Form ein Strömungshindernis für das angesaugte Gemisch, wodurch eine Abbremsung der Strömung und eine Umlenkung hervorgerufen wird. Die sich dadurch ergebende Geschwindigkeitverringerung der Strömung führt zwangsläufig zu einer
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Verringerung der innerhalb der Öffnungszeit in den Zylinder einbringbaren Gemischmenge.
Fast alle bekannten Einlassventile dieser Art haben einen Sitzwinkel von 90 . Es ist zwar bekannt, daß bei einem Sitzwinkel von 120° der Durchtrittsquerschnitt für das einströmende Gemisch gegenüber einem Sitzwinkel von 90° um etwa 20$ vergrössert wird, doch führt ein Sitzwinkel von 120° zu einer noch stärkeren Abbremsung des einströmenden Gemisches, wodurch der Vorteil des vergrösserten Strömungsquerschnittes bei weitern wieder aufgehoben wird.
Der pilzförmige Ventilstössel des heute üblichen Einlassventils stellt also zwangläufig ein Strömungshindernis dar und steht einer vollen Füllung des Zylinders mit brennbarem Gemisch entgegen.
Um diesen Nachteil zu beseitigen, hat man bereits Einspritzpumpen verwendet, die beim öffnen des nockenwellengesteuerten Einlassventils Kraftstoff in den Zylinder einpressen, während gleichzeitig die Verbrennungsluft zugeführt wird. Auf diese Weise wird die während der Öffnungszeit des Einlassventils einbringbare Menge des Genisches erhöht. Derartige Einspritzpumpen sind jedoch teuer und aufwendig und werden üblicherweise nur bei grossen und teuren Kraftfahrzeugen verwendet.
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Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der einzubringenden Gemischmenge besteht darin, den Hub des Einlassventils zu erhöhen und/oder seine Öffnungszeit zu verlängern. So haben beispielsweise die Einlassventile der Verbrennungsmotoren von üblichen Personenkraftwagen einen Hub von etwa 4 mm, während Motoren höherer Leistung einen Ventilhub von 6 mn haben, der bei Rennwagen bis su 8 mm gesteigert wird. Gleichzeitig erfolgt bei letzteren eine Verlängerung der Ventilöffnungszeit.
Durch die Vergrösserung des Ventilhubes läßt sich zwar wiederum ein grösserer Strömungsquerschnitt für das in den Zylinder eintretende Gemisch erreichen, doch führt die Vergrösserung des Hubes auch zu höheren Bewegungsgeschwindigkeiten des Ventilstössels und damit zu höheren Verschleisserscheinungen und höheren Anforderungen an die Ventilsteuerung. Auch eine Vergrösserung des Strönungsouerschnittes ohne Erhöhung des Ventilhubes führt zu keiner nennenswerten Verbesserung, da sich dadurch die Masse des zu bewegenden Ventilstössels erhöht, ganz abgesehen davon, daß die begrenzte Oberfläche des Zylinderkopfes im allgemeinen einer derartigen Vergrösserung des Ventilsquerschnittes entgegensteht.
Durch die Verlängerung der Ventilöffnungszeiten kann eine Überlappung der öffnung von Einlass- und Auslassventil
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eintreten. Hierdurch wird u.a. das maximale Drehmoment zu hohen Drehzahlen verschoben und der Motor zeigt ein schlechtes Leerlaufverhalten.
Es wurde auch bereits versucht, mehrere Einlassventile für jeden Zylinder vorzusehen. Dies erfordert jedoch eine entsprechend geformte und damit erheblich teurere Nockenwelle, so daß auch diese Lösung sich nicht durchzusetzen vermochte.
Man hat aus diesem Grund hftufig versucht, die Leistung eines Verbrennungsmotors dadurch zu steigern, daß man dessen Drehzahl erhöhte. Dies führt zwar bis zu einer gewissen Grenze zum Erfolg, wenngleich dadurch der Verschleiß im Motor erhöht und die Gesamtcharakteristik des Motors verändert wird, doch nimmt mit steigender Motordrehzahl die je Ansaugtakt in den Verbrennungsraum einbringbare Gemischmenge u.a. infolge der kürzeren Ventilöffnungszeiten ab, so daß die Leistung des Motors oberhalb einer bestimmten Drehzahl wieder stark absinkt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, die Menge des in den Verbrennungsraum der Zylinder eines Verbrennungsmotors einzubringenden Gemisches auf möglichst einfach Weise zu erhöhen.
Dies wird mit einem Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäss dadurch erreicht, daß mindestens ein Teil des
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brennbaren Gemisches oder der Verbrennungsluft in direkter Abhängigkeit vom Druck im Zylinder in diesen eingebracht
wird.
Somit wird also bei dem erfindungsgemässen Verfahren min- destens ein Teil des brennbaren Gemisches oder der Verbrennungsluft nicht mehr über ein von der Hockenwelle gesteuertes Ventil j sondern unmittelbar vom Druck gesteuert in den Zylinder eingeführt, d.h. mit Beginn des Ansaugtaktes, also mit Einsetzen des Unterdrucks im Zylinder wird mindestens ein Teil des brennbaren Gemisches oder der Verbrennungsluft von diesem einsetzenden Unterdruck gesteuert und unabhängig von der Steuerung durch die Nockenwelle in den Zylinder eingeführt.
Da die zusätzliche Verbrennungsluft bzw. das zusätzliche
brennbare Gemisch nicht über das übliche, von der Nockenwelle gesteuerte Ventil eintritt und so die durch dieses
gegebenen Beschränkungen ausgeschaltet werden, erfolgt eine wesentlich stärkere, im allgemeinen sogar vollständige
Füllung des Zylinders mit brennbarem Gemisch, und es wird auf diese Weise ein sehr grosses Drehmoment bei niedriger
Drehzahl erzielt.
Eis sei darauf hingewiesen, daß sogar das gesamte erforderliche brennbare Gemisch auf diese Weise in den Zylinder
eingebracht werden kannr ohne daß außerdem ein von der
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Nockenwelle gesteuertes Einlassventil vorhanden ist.
Vorzugsweise beginnt die Zufuhr des in Abhängigkeit vom Druck eingebrachten Teils mit Beginn des Ansaugtaktes des Kolbens und endet mit dem Ende des Ansaugtaktes, so daß die gesamte überhaupt zur Verfügung stehende Zeit für das Einbringen von brennbarem Gemisch oder Verbrennungsluft ausgenutzt wird.
Wie vorstehend bereits erwähnt, nimmt die Menge des in den Zylinder gelangenden brennbaren Gemisches mit steigender Motordrehzahl ab. Zweckmässigerweise wird daher der in Abhängigkeit vom Druck einzubringende Anteil des brennbaren Gemisches oder der Verbrennungsluft am Gesamtgemisch mit der Motordrehzahl erhöht und damit das Absinken der zugeführten Gemischmenge mit steigender Motordrehzahl vermieden.
Zur Durchführung des Verfahrens weist jeder Zylinder vorzugsweise mindestens ein in Abhänigkeit vom Druck im Zylinder steuerbares Eintrittsventil auf, welches die Form eines Rückschlagventils haben kann. So kann in einer vorteilhaften Ausführung das Eintrittsventil eine bewegliche Kugel sowie an der dem Verbrennungsraum zugewandten Seite eine Kugelauflage mit seitlichen Strömungswegen und an der dem Verbrennungsraum abgewandten Seite einen Ventilsitz für die Kugel aufweisen.
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Derartige vom Druck steuerbare Eintrittsventile können ohne Schwierigkeiten so ausgebildet werden, daß möglichst geringe Reibungsverluste entstehen und keine Schmierung erforderlich ist, während gleichzeitig eine sehr hohe Strömungsgeschwindigkeit erreicht wird, die durch starke Verwirbelung zur guten Vermischung und damit zur Verwendbarkeit eines mageren Gemisches sowie zu einer vollständigen Verbrennung des Gemisches im Verbrennungsraum beiträgt.
Ferner wird bei entsprechender Strömungsrichtung gleichzeitig eine Kühlung des nockenwellengesteuerten Einlassventils erzielt und eine Absenkung der Temperaturen im Zylinder erreicht.
Darüber hinaus können derartige Eintrittsventile praktisch schlagartig vom Druck gesteuert öffnen und schliessen, ohne daß ein besonders großer Ventilhub erforderlich wäre. Dadurch erreicht man bereits praktisch mit Beginn der Öffnungsbewegung eine volle Zufuhr des Gemisches, was bei den von der Nockenwelle gesteuerten Einlassventilen nicht der Fall ist.
Wird neben einem derartigen Eintrittsventil auch noch das übliche, von der Nockenwelle gesteuerte Einlassventil verwendet, das mit einem Vergaser verbunden ist, so wird das Eintrittsventil zweckmässigerweise ebenfalls an den Vergaser angeschlossen, oder aber es steht in direkter Verbindung mit
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der umgebenden Luft, so daß Verbrennungsluft angesaugt wird, während das Einlassventil zur Zufuhr eines entsprechend "fetteren" Gemisches dient, wodurch im Zylinder das Gemisch mit dem gewünschten Mischungsverhältnis entsteht.
Um die Gemischzufuhr mit der Motordrehzahl zu erhöhen, können mehrere Eintrittsventile je Zylinder vorgesehen werden, die dann nacheinander, beispielsweise durch Betätigung des Gaspedals aktiviert werden. Dadurch kann die je Ansaughub eingebrachte Gemischmenge auch bei hoher Motordrehzahl sehr groß sein.
Es ist auch möglich, das zusätzliche Eintrittsventil erst von einer bestimmten Drehzahl an wirksam werden zu lassen, wozu im allgemeinen eine Steuerung über das Gaspedal benutzt wird. Zu diesem Zweck kann das Gaspedal mit einer um ihre Längsachse drehbaren, quer in der Zufuhröffnung des Eintrittsventils liegenden Welle verbunden sein, die eine Bohrung enthält, welche in der inaktiven Stellung des Eintrittsventils quer zu dessen Zufuhröffnung liegt, so daß die Welle die Zufuhröffnung verschliesst, während die Welle bei entsprechender Steuerung durch das Gaspedal gedreht wird, so daß die Bohrung allmählich die Zufuhröffnung des Eintrittsventils freigibt und schließlich mit dieser fluchtet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der schematisch und
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vereinfacht in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 zeigt im Schnitt den oberen Teil eines Zylinders und Kolbens eines Verbrennungsmotors.
Fig. 2 zeigt in einem Längsschnitt schematisch ein Eintrittsventil gemäß der Erfindung.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie III-III aus Fig. 2.
Fig. 4 zeigt schematisch den Zylinderkopf und den oberen Teil des Zylinders eines anderen Ausfiihrungsbeispiels der Erfindung.
Der in Fig. 1 vereinfacht dargestellte Zylinder 1 enthält einen Kolben 2 mit Kolbenringen 3. Der Kolben ist in üblicher Weise über eine nicht dargestellte Pleuelstange mit der ebenfalls nicht gezeigten Kurbelwelle verbunden. Auf dem Zylinder 1 sitzt der Zylinderkopf 4, der mit dem Zylinder verschraubt oder auf andere Weise mit ihm verbunden ist. Dieser Zylinderkopf H enthält das Einlassventil 6, 7 und das Auslassventil 8, 9 sowie eine Zündkerze 10. ftberlicherweise ist das Einlassventil mit einem nicht dargestellten Vergaser verbunden, und sein Ventilstössel 7 wird über die ebenfalls nicht gezeigte Nockenwelle ebenso wie der Stössel 9 des Auslassventils gesteuert. Das Auslassventil selbst ist an das nicht gezeigte Abgasrohr angeschlossen, das mit dem Auspuff in Verbindung steht. Ebenso
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sind die elektrischen Anschlüsse für den Betrieb der sehematisch dargestellten Zündkerze 10 nicht gezeigt.
Zusätzlich zu diesen üblichen Einrichtungen ist im Zylinderkopf ein Eintrittsventil 11 vorgesehen, das beispielsweise mit dem gleichen Vergaser verbunden sein kann, wie das Einlassventil 6, 7 oder aber mit der umgebenden Luft in Verbindung steht. Dieses Eintrittsventil enthalt, wie insbesondere in den Figuren 2 und 3 gezeigt, eine bewegliche Kugel 13, die bei überdruck im Verbrennungs- oder Arbeitsraum 5 bzw. im Zylinder, also während des Kompressionstaktes, des Explosionstaktes und des Austoßtaktes dichtend am Ventilsitz 12 anliegt. Beginnt der Kolben den Ansaugtakt, so kommt die Kugel 13 infolge des entstehenden Unterdruckes vom Ventilsitz frei und legt sich auf die Kugelauflage I1I, 15, 16, die seitliche Strömungswege freiläßt. Diese Bewegung der Kugel beträgt beispielsweise bei einem Durchmesser des Eintritts-. Ventils von 6 mm zur Freigabe des vollen Strömungsquerschnittes nur 2 mm, so daß das Eintrittsventil inn erhalb kürzester Zeit und praktisch schlagartig öffnet, ohne daß im geöffneten Zustand eine Verringerung des Strömungsquerschnittes vorhanden wäre. Durch die Kugelform wird außerdem eine Abbremsung der Strömung durch Reibungsverluste vermieden.
Das Eintrittsventill 11 gestattet also zusätzlich zun Einlassventil 6, 7 die Zufuhr von brennbarem Gemisch oder
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Verbrennungsluft ohne hohe Reibungsverluste und mit praktisch schlagartigen Einsatz, ohne daß die Geschwindigkeit der Kugelbewegung extrem hoch wäre. Außerdem läßt sich durch entsprechende Dimensionierung des Eintrittsventils und seine Anordnung im Zylinderkopf die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit und Richtung der Einströmung erreichen, durch die nicht nur eine optimale Füllung des Zylinders mit brennbarem Gemisch, sondern außerdem eine besonders günstige Vermischung infolge Verwirbelung und gegebenenfalls eine Kühlung der übrigen Ventile erfcielt wird.
Das in Fig. 2 dargestellte Eintrittsventil weist eine Welle 20 auf, die sich quer durch die Zufuhröffnung des Ventils erstreckt und die im Bereich dieser Zufuhröffnung eine Mittelbohrung 21 aufv/eist, deren Durchmesser im wesentlichen demjenigen der Zufuhröffnung entspricht. Eine derartige Welle ist nur dann erforderlich, wenn das in Verbindung mit der urrgebenden Luft stehende Eintrittsventil 11 erst bei einer bestimmten Drehzahl des Motors bzw. mit steigender Drehzahl erst allmählich v/irksam werden soll. In diesem Fall befindet sich nämlich die Welle 20 vor Erreichen der Drehzahl, bei der das Eintrittsventil wirksam v/erden soll, in der in Fig. 2 gezeigten Stellung, in der sie die Zufuhröffnung des Ventils vollständig verschließt, so daß den Zylinder das Gemisch aus Kraftstoff und Verbrennungsluft nur über das Einlassventil 6 zugeführt wird. Gesteuert vom Gaspedal kann die Welle 20 so
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verdreht werden, daß die Bohrung 21 beginnend mit der voreingestellten Drehzahl allmählich die Zufuhröffnung des Eintrittsventils 11 freigibt, so daß zusätzliche Verbrennungsluft in den Zylinder gelangen kann. Gleichzeitig kann das vom Vergaser zugeführte brennbare Gemisch entsprechend "fetter" eingestellt werden, wobei die Einstellung des gewünschten Mischungsverhältnisses in üblicher Weise über dem Vergaser erfolgen kann. Selbstverständlich ist es auch möglich, das Eintrittsventil beginnend mit der niedrigsten Drehzahl des Motors allmählich aufzusteuern, bis es seine vollgeöffnete Stellung erreicht hat
Es wurde bereits vorstehend darauf hingewiesen, daß auch vollständig auf das von der Nockenwelle gesteuerte Einlassventil 6, 7 verzichtet v/erden könnte, so daß dann die gesamte Zufuhr von brennbarem Gemisch über das EintrittsventilT. 11 erfolgen würde. Hierdurch würde sich beispielsweise die Ausfüh1-rung der Nockenwelle wesentlich vereinfachen und die durch sie verursachten Leistungsverluste würden verringert.
Um die zugeführte Gemischmenge je Ansaugtakt auch bei hoher Motordrehzahl auf einem maximalen Wert zu halten, können mehrere Eintrittsventile vorgesehen werden, wie dies schematisch in Fig. 4 angedeutet ist, wo zusätzlich zum Einlassventil 6f, 7' und zum Auslassventil 8', 9' im Zylinderkopf V die Eintrittsventile 17, 13, 19 vorgesehen sind, während die
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Zündkerze nicht dargestellt ist. Diese Eintrittsventile 17, 18, 19 können mit steigender Motordrehzahl nacheinander geöffnet werden, wozu sie beispielsvreise mechanisch mit dem Gaspedal gekoppelt sein können. Bei niedriger Drehzahl würde dann lediglich das Eintrittsventil 17 während des Ansaugtaktes geöffnet sein, während bei Steigerung der Drehzahl zusätzlich das Eintrittsventil l8 und dann auch noch das Eintrittsventil 19 aktiviert wird.
Wie ohne weiteres klar ist, kann auf diese Weise die bisher übliche Verringerung der bei höherer Drehzahl in den Zylinder eingebrachten Gemischmenge vermieden v/erden, so daß der bisher deutliche Leistungsabfall der Verbrennungsmotoren oberhalb einer bestimmten Drehzahl ausgeschaltet oder zumindest abgeschwächt wird.
Zur Erläuterung der Wirksamkeit der Erfindung dient das nachfolgende Beispiel.
Beispiel
Ein Vierzylindermotor mit einem Zylindervolumen von 298 crrr wurde entsprechend der Erfindung mit jeweils einem Eintrittsventil für einen Zylinder versehen, wobei der Durchmesser der Ausgangsöffnung des Eintrittsventils 5,5 mm betrug. Die Eintrittsventile wurden an den Vergaser angeschlossen, während die üblichen Einlassventile mit den pilzförmigen Ventil-
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stösseln vollständig geschlossen gehalten wurden. In Betrieb ergaben sich je Zylinder bei verschiedenen Drosselklappenstellungen folgende Füllungen:
Drosselklappenstellung Füllung in cnr Füllung in %
20 Grad 160 53
30 Grad 154 51
HO Grad 138 46
Im übrigen ist es bekannt, daß sich mit den normalen Einlassventil mit iipilzförmigem Ventilstössel in den vorstehend angegebenen Beschleunigungsbereichen maximale Füllungen des Zylinders von 803 erreichen lassen, d.h. eine Füllung von 238 cm pro Zylinder.
Schon hieraus läßt sich erkennen, daß mittels der Erfindung trotz'geringerer Querschnittsfläche für den eintretenden Ge-' mischstrom eine erstaunlich gute Füllung erreicht wird, denn der Strönungsquerschnitt des üblichen Einlassventils beträgt etwa 276 mn , während derjenige des erfindungsge-
mäßen Eintrittsventils nur etwa 2k mm ausmacht.
Ferner zeigen die vorstehenden Ergebnisse, daß die verwendeten Eintrittsventile in Zusammenhang mit den üblichen, nockenwellengesteuerten Einlassventilen eine praktisch hundertprozentige Füllung des Zylinders ermöglichen.
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Falls überhaupt auf nockengesteuerte Einlassventile verzichtet v/erden soll, könnten entweder die Zahl oder der Strönmngsquerschnitt der Eintrittsventile entsprechend vergrößert werden. So würde beispielsweise die Verwendung von zwei der vorstehend genannten Eintrittsventile je Zylinder zu einer Füllung von etwa 92%, d.h. 21k cm5 führen, also bereits wesentlich mehr als mit einem üblichen nockenwellengesteuerten Einlassventil allein erreichbar ist, das nur eine Füllung von 8O# bzw. 238 cm ermöglicht.
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Claims (9)

ANSPRÜCHE
1.Verfahren zum Einbringen von brennbarem Gemisch von einem Vergaser o.a. über jeweils mindestens ein Einlassventilin die Zylinder eines Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens des jeweiligen Zylinders, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des brennbaren Gemisches oder der Verbrennungsluft in direkter Abhängigkeit vom Druck im Zylinder in diesen eingebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des in Abhängigkeit vom Druck eingebrachten Teils mit Beginn des Ansaugtaktes des Kolbens beginnt und mit dem Ende des Ansaugtaktes endet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in Abhängigkeit vom Druck einzubringende Anteil des brennbaren Gemisches oder der Verbrennungsluft am Gesamtgemisch mit der Motordrehzahl erhöht wird.
4. Vorrichtung durch Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichn et, daß jeder Zylinder (I,*!) mindestens ein in Abhängigkeit vom Druck im Zylinder steuerbares Eintrittsventil (11, 17 s 18, 19) aufweist.
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5. Vorrichtung nach Anspruch 4 nit einen nockenwellengesteuerten, mit einem Vergaser o.a. in Verbindung stehenden Einlassventil, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsventil ( 11; 17, 18, 19) mit dem Vergaser verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsventil (11) ein Rückschlagventil ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsventill (11) einen beweglichen Körper, vorzugsweise eine bewegliche Kugel (13) sowie an der dem Verbrennungsraum (5) zugewandten Seite eine Körperauflage (14, 15, l6) mit seitlichen Strönungswegen und an der dem Verbrennungsraum (5) abgewandten Seite einen Ventilsitz (12) für den Körper (13) aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, gekennzeichnet durch mehrere, in Abhängigkeit von der Motordrehzahl aktivierbare Eintrittsventile (17, 18, 19) für jeden Zylinder.
9. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführöffnung des Eintrittsventils in Abhängigkeit von der Motordrehzahl vergrösserbar ist.
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