DE2938118A1

DE2938118A1 - Regeleinrichtung fuer gemischverdichtende kolbenbrennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2938118A1
Application number: DE19792938118
Authority: DE
Inventors: Panagiotis Dr.-Ing. 3180 Wolfsburg Adamis; Joachim Dr.-Ing. 3320 Salzgitter Meier-Grotrian
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1979-09-20
Filing date: 1979-09-20
Publication date: 1981-04-09

Description

AKTIENGESELLSCHAFT

3180 Wolfsburg
s

Unsere Zeichen: K 2785 -Ve-ja

Regeleinrichtung für gemischverdichtende Kolbenbrennkraftmaschinen

Sie Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für gemischverdichtende Kolbenbrennkraftmaschinen mit den Ein- und Auslaß des Arbeitsmittels in den Arbeitsräumen der einzelnen Zylinder steuernden, in Abhängigkeit von der Kurbelwellendrehzahl betätigbaren Ventilen und mit einem in der Ansaugleitung vor den Einlaßsteuerventilen angeordneten, die Füllung der Arbeitsräume in Abhängigkeit von der geforderten Leistung steuernden Drosselorgan.

Bei herkömmlichen gemischverdichtenden Kolbenbrennkraftmaschinen ist es üblich, den Gaswechsel, d.h. das Ansaugen und Aueschieben des Arbeitsmittels aus den Arbeitsräumen der einzelnen Zylinder mittels Hubventilen zu steuern, die in einem festen Verhältnis zur Kurbelwellendrehzahl betätigt werden. Die Leistungssteuerung solcher gemischverdichtender Brennkraftmaschinen wird dann im allgemeinen durch eine Drosselregelung vorgenommen, bei der durch eine willkürlich verstellbare Drosselklappe in der Ansaugleitung vor den Einlaßsteuerventilen die angesaugte Gemischmenge gedrosselt und damit die Füllung der Arbeitsräume der Zylinder verändert

130015/0161

Versitzen:· Vorsland: Toni Schmucker, Vorsitzender - Karl-Heinz Β·<5Τ> · Prof. Dr. tectin. Ernst Fiale · Df. jur. Peter Frerk

elf:· Autsiditsrais C- .-'-r Hanwicf"¹ Horst Munzner ■ Dr rer ccl. Wefnef P Scr — \a\ Gottlieb M. Strobl · Prof. Dr. fer. pol. Friedrich Thomee

-*·'=. c T5^ Mz -zet Gesellschaft: Wolfsburg Amtsgericht Wolfsburg HRB

-A-

wird. Dabei stehtNlie Drosselklappe nur in der Vollaststellung in einer die Ansaugleitung vollständig öffnenden Stellung, während im Teillastgebiet entsprechend der Winkelstellung der Drosselklappe ein großer Teil der Saugleitung geschlossen ist und dabei ein entsprechender Drosselverlust in Kauf genommen wird. Die Folge davon ist, daß im Teillastgebiet der Kolben die Gemischmenge gegen einen mehr oder weniger hohen, in der Saugleitung zwischen der Drosselklappe und den Arbeitsräumen anstehenden Unterdruck anzusaugen hat.

Bei solchermaßen betriebenen Brennkraftmaschinen besteht auch keine Möglichkeit, etwa durch Aufladung das Druckniveau des angesaugten Gemisches im Teillastgebiet wirksam zu erhöhen, da eine derartige Druckerhöhung durch die an der Drosselklappe stattfindende Drosselung wieder weitgehend abgebaut wird. Eine Aufladung kann daher bei diesen Brennkraftmaschinen nur im höheren Teillastgebiet und bei Volllast wirksam eingesetzt werden.

Nun ist es bereits bekannt, eine Leistungssteuerung von solchen gemischverdichtenden Brennkraftmaschinen auch dadurch zu bewerkstelligen, daß die Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile relativ zueinander und somit relativ zur Kurbelwinkelstellung verändert werden. Dies erfordert jedoch einen erheblichen Bau- und Kostenaufwand, den durchzuführen bisher noch jeder Motorenhersteller vermieden hat.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist daher darin zu sehen, eine Regeleinrichtung für eine gemischverdichtende Kolbenbrennkraftmaschine vorzuschlagen, mit deren Hilfe unter vertretbarem Aufwand die oben erwähnten Nachteile vermieden und eine höhere Leistungsausbeute erzielt wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß in jedem der zu den einzelnen Arbeitsräumen der Zylinder führenden Ansaugrohre der Brennkraftmaschine vor dem Einlaßventil ein den Einlaßquerschnitt periodisch öffnendes und schließendes Drosselorgan angeordnet ist, dessen öffnungs- und Schließzeit in bezug auf die

13 0 0 15/0161

Öffnungs- und SchHeßzeit des Einlaßventils veränderbar ist.

Bei der erfindungsgemäßen Hegeleinrichtung wird also eine den Strömungsquerschnitt der Ansaugleitung in Abhängigkeit von der geforderten Leistung drosselnde Drosselklappe durch ein in jedem einzelnen, zu den Arbeitsräumen der Zylinder führenden Ansaugrohr angeordnetes Drosselorgan ersetzt, das durch periodische Steuerung seiner öffnungs- und Schließzeiten im Verhältnis zu den öffnungs- und Schließzeiten des Einlaßventils das Volumen der angesaugten Gemischmenge und damit die Füllung der Zylinderarbeitsräume bestimmt. Da somit bei geöffnetem Drosselorgan der Kolben das Gemisch nicht mehr unter Verlusten durch einen nur teilgeöffneten Ansaugleitungsquerschnitt zu saugen hat, bleibt der Druck während des Ansaugtaktes im wesentlichen in Höhe des Atmosphärendruckes und kann zur Leistungssteigerung durch Aufladung noch erhöht werden.

Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung sind in den Unteransprüchen enthalten, die zusammen mit zusätzlich noch erreichbaren Vorteilen der Erfindung in der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung erläutert werden.

Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele der Erfindung in teils schematischer Darstellung. Dabei zeigen Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Zylinder einer

gemischverdichtenden Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung,

Figur 2 ein ρV-Diagramm des Arbeitsverfahrens der erfindungsgemäßen im Vergleich zu einer herkömmlichen Brennkraftmaschine,

Figur 5 einen Längsschnitt durch einen Ansaugkanal mit einem als Drehschieber ausgebildeten Drosselorgan,

Figur 4 eine andere Ausführung mit einem Drehschieber und

Figur 5 ein Getriebe zum Antrieb des Drehschiebers von der Kurbelwelle aus.

130015/0161

In der Figur 1 der Zeichnung ist mit 1 ein Zylinderblock einer mehrzylindrigen, gemischverdichtenden Hubkolben-Brennkraftmaschine bezeichnet, in dem ein oszillierender Kolben 2 gegenüber einem Zylinderkopf 5 einen Arbeitsraum 4 veränderlichen Querschnitts einschließt. In diesen Arbeitsraum 4 münden ein Ansaugrohr 5 sowie ein Auslaßrohr 7t deren Verbindung mit dem Arbeitsraum 4 durch in herkömmlicher Weise betätigte Hubventile 6 und θ gesteuert wird. In der Zeichnung nicht dargestellt ist eine in den Arbeitsraum 4 hineinragende Zündkerze, die am Ende des Verdichtungstaktes das in dem Arbeitsraum eingeschlossene und verdichtete Gemischvolumen zündet.

Erfindungsgemäß ist nun in dem Ansaugrohr 5 unmittelbar vor dem Einlaßventil 6 ein den Querschnitt des Ansaugrohres periodisch öffnendes und schließendes Drosselorgan 9 angeordnet, dessen Öffnungsund SchlieSzeiten in bezug auf die erste öffnungs- und Schließzeit des nachgeordneten Einlaßventils 6 veränderbar sind. Dieses Drosselorgan 9 ist hier als Drehschieber mit einem im wesentlichen radial verlaufenden Durchtrittskanal dargestellt, obwohl es grundsätzlich auch möglich ist, andere Drossel- oder Ventilorgane, z.B. Drehschieber mit axialen Durchtrittsquerschnitten oder auch Hubventile, vorzusehen. Durch entsprechende Steuerung der öffnungs- und insbesondere der Schließzeiten dieses erfindungsgemäß vorgesehenen Drosselorgans kann nun bei feststehender öffnungs- und Schließzeit des Ansaugventils 6 die von dem Kolben 2 in den Arbeitsraum 4 angesaugte Gemischmenge in Abhängigkeit von der geforderten Leistung der Brennkraftmaschine gesteuert werden. Wenn beispielsweise bei einer Teillast der Brennkraftmaschine das Drosselorgan 9 den Durchtrittsquerschnitt des Ansaugrohres 5 schließt, noch bevor das Einlaßventil 6 seinerseits schließt, gelangt nur ein Teil des insgesamt ansaugbaren Gemischvolumens in den Arbeitsraum 4» so daß die Füllung, wie dies bei gemischverdichtenden Brennkraftmaschinen (Otto-Motoren) üblich ist, nur einen Teil der Füllung bei Vollast ausmacht. Entscheidend gegenüber den Verhältnissen bei herkömmlichen gemischverdichtenden Brennkraftmaschinen ist dabei, daß diese Füllungeverringerung nicht dadurch herbeigeführt wird, daß der Kolben die gesamte Zeit das Gemisch

130015/0161

durch einen nur tedlgeöffneten Ansaugquerschnitt ansaugen muß, wobei in dem Ansaugrohr hinter der allen Zylindern gemeinsamen Drosselklappe ein mitunter erheblicher Unterdruck entsteht.

Diese Verhältnisse sind in dem in der Figur 2 gezeigten, das Arbeitsverfahren der gemischverdichtenden Hubkolben-Brennkraftmaschine darstellenden pV-Diagramm angedeutet. Ausgehend von dem Punkt A wird in diesem idealisiert dargestellten Kreisprozeß zunächst das angesaugte Gemisch adiabat bis zum Punkt B verdichtet, worauf bis zum Punkt D die Zündung und Verbrennung stattfindet. Zwischen D und E erfolgt die adiabate Expansion mit einer anschließenden isochoren Entspannung auf den Auslaßdruck (PunktF).

Zwischen F und G findet der Auslaßtakt bei einem Druckniveau statt, das dem Umgebungsdruck von 1 bar entspricht. Hier nun schließt sich bei dem herkömmlichen Hubkolbenmotor eine isochore Entspannung auf das Ansaugdruckniveau an, das je nach geforderter Leistung der Brennkraftmaschine durch die Drosselung des Ansaugleitungsquerschnitts unterhalb des Umgebungsdruckes liegt (Punkt H). Als letztes ergibt sich dann der isobare Ansaugtakt zwischen den Punkten H und dem Ausgangspunkt A.

Abweichend von diesem herkömmlichen Arbeitsverfahren, das mit ausgezogenen Linien eingetragen ist, ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgehend von dem Punkt G am Ende des Auslaßtaktes ein abweichender Verlauf, der mit dem unterbrochenen Linienzug G-I-A eingetragen ist. Hierbei erfolgt zwischen den Punkten G und I zunächst die isobare Ansaugung auf dem Umgebungsdruckniveau bis zum Schließen des vor dem Einlaßventil 6 angeordneten Drosselorgans 9· Anschließend wird zwischen den Punkten I und A das in den Arbeitsraum angesaugte Volumen auf den Anfangszustand entspannt. Dabei ergibt sich eine um so größere Annäherung dieses Zustandsverlaufs an die Linie der adiabatischen Kompression AB, je geringer das in dem Ansaugrohr 5 zwischen dem Einlaßventil 6 und dem Drosselorgan 9 vorhandene (Tot-) Volumen ist, je näher also das Drosselorgan 9 am Einlaßventil 7 angeordnet ist. Bei Betrachtung des in der Figur 2

130015/0161

gezeigten Diagramme ergibt sich dann, daß durch die erfindungsgemäße Regeleinrichtung pro Arbeitstakt eine Arbeit gewonnen wird, die in dem Diagramm als zwischen den Kurvenzügen G-E-A und G-I-A eingeschlossene, schraffierte Fläche I angedeutet ist.

In dem Diagramm ist noch eine weitere Fläche schraffiert eingetragen und mit II bezeichnet. Diese als zusätzlich pro Arbeitstakt zu gewinnende Arbeit anzusehende Fläche ergibt sich, wenn die isobare Ansaugung des Gemischvolumens nicht auf dem Umgebungsdruck von 1 bar, sondern infolge eines vorgeschalteten, an sich bekannten Ladevorgangs auf einem höheren Druckniveau stattfindet (Kurvenzug J-K). Es zeigt sich also, daß bei Verwendung der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung, anders als bei den herkömmlichen Brennkraftmaschinen mit in der Ansaugleitung angeordneter Drosselklappe, eine Aufladung, d.h. Druckanhebung der Ansaugluft auch schon bei Teillasten sinnvoll und vorteilhaft ist.

Es sei abschließend noch einmal darauf hingewiesen, daß die in dem Diagramm der Figur 2 gezeigten Zustandsänderungen in idealisierter Form dargestellt wurden, und daß in der Praxis selbstverständlich nicht genau dieser Verlauf erreichbar ist. Es ist jedoch erkennbar, daß durch das erfindungsgemäß vorgesehene, periodisch steuerbare Drosselorgan möglicherweise in Verbindung mit einer Aufladevorrichtung, erhebliche Zugewinne an Arbeitsleistung pro Arbeitstakt erreichbar sind.

Es ist bereits oben erwähnt worden, daß als Drosselorgan bevorzugt ein Drehschieber verwendet werden kann. Eine besondere Ausführung eines solchen Drehschiebers ist in der Figur 3 dargestellt. Dabei ist mit 11 der zylindrische, um seine Längsachse in Richtung des Pfeiles 15 drehbar gehaltene Körper des Drehschiebers bezeichnet, der einen Durchtrittskanal 12 mit radialen Begrenzungen aufweist. In dem hier gezeigten Beispiel erstreckt sich der Durchtrittskanal 12 über die halbe Querschnittsfläche des Drehschieberkorpers 11, woraus sich ergibt, daß der Drehschieber mit Nockenwellendrehzahl, d.h. also mit halber Kurbelwellendrehzahl, angetrieben werden muß, damit er jeweils

130015/016 1

zu den Einlaßtakten die richtigen Positionen einnimmt. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel kann im übrigen der Drehschieber kontinuierlich, beispielsweise über einen Zahnriemen und ein auf der Drehschieberwelle befestigtes Zahnrad, das hier nicht weiter dargestellt ist, mit einem festen Phasenverhältnis zur Kurbelwelle angetrieben werden. Die Veränderung der Öffnungs- bzw. Schließzeiten im Verhältnis zur Öffnungs- und Schließzeit des in Richtung der Pfeile nachfolgenden Einlaßventils erfolgt hier durch Verstellung eines Steuerschiebers, der in dem vorliegenden Beispiel als konzentrisch zum Drehschieber 11 angeordneter rohrförmiger Hohlkörper 13 ausgebildet ist. Dieser Steuerschieber 13 ist um seine Längsachse in Richtung der Pfeile 16 verstellbar und weist an seinem Mantel durchgehende radiale öffnungen 14 auf, die mit dem Durchtrittskanal 12 des Drehschiebers 11 korrespondieren.

Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ergibt sich unter Zugrundelegung der Drehrichtung 15 des Drehschiebers 11 bei einer Verstellung des Steuerschiebers 1J im Uhrzeigersinn eine frühere und bei einer Verstellung entgegen dem Uhrzeigersinn eine spätere Schließung des Drosselorgans. Durch entsprechende Verdrehung des Steuerschiebers 13 kann also die Füllung des zugeordneten Zylinderarbeitsraums der Brennkraftmaschine verändert werden, wobei die Verstellung des Steuerschiebers ähnlich wie die herkömmlicher Drosselklappen willkürlich von dem Fahrzeugführer über ein Fußpedal erfolgen kann.

In der Figur 4 ist eine Drehschieberausführung für das periodisch gesteuerte Drosselorgan angedeutet, bei der im Gegensatz zur Ausführung nach der Figur 3 der mit konstanter Drehzahl in Pfeilrichtung umlaufende Drehschieber als äußere, rohrförmige Hülse 17 mit am Umfang vorgesehenen Durchtritteöffnungen 21 ausgebildet ist, während der Steuerschieber als innere, rohrförmige Hülse 18 mit ebenfalls am Umfang angebrachten Durchtrittsöffnungen 20 gezeigt ist. Der Steuerschieber 18 ist dabei nach beiden Drehrichtungen hin verschwenkbar, wobei je nach der Richtung eine frühere oder spätere Schließung des Durchströmquerschnitts erreicht wird.

130015/0161

Sie in der Figur 4 gezeigte Ausführung zeichnet sich dadurch aus, daß der Innenquerschnitt der Steuerschieberhülse 18 als Zuleitung für das angesaugte Gemisch dienen kann, während das zu dem Einlaßventil führende Saugrohr 5" sich im Bereich des Drosselorgans zu einem konzentrischen Ringraum5^M erweitert.

Bei dieser Ausführung, bei der im übrigen der Drehschieber 17 zwei radiale Durchtrittsöffnungen 21 aufweist, die mit den beiden Durchtrittsöffnungen 20 dee Steuerschiebers korrespondieren, ist nur die halbe Nockenwellendrehzahl zum Antrieb des Drehschiebers 17 erforderlich. Entsprechend müßte bei η gleichmäßig über den Umfang des Drehschiebers verteilten Durchtrittsöffnungen der Drehschieber nur mit dem η-Teil der Nockenwellendrehzahl angetrieben werden.

In der Figur 5 schließlich wird ein Steuergetriebe für den Antrieb eines Drehschiebers ohne einen zugeordneten Steuerschieber gezeigt, der beispielsweise für eine Anordnung ähnlich dem Drehschieber 9 in der Figur 1 verwendbar ist. Hierbei erfolgt die in Abhängigkeit von der Belastung der Brennkraftmaschine vorzunehmende Veränderung der relativen Phasenlage des Drehschiebers zur Phasenlage der Einlaßventile innerhalb des Antriebs. Dabei ist mit 22 eine mit dem Drehschieber verbundene Welle bezeichnet, die an ihrem Ende ein Zahnrad 23 mit einer Außenverzahnung 24 aufweist. Zwischen diesem Zahnrad 23 und einem von einem beispielsweise durch einen Zahnriemen 32 angetriebenen ringförmigen Zahnrad 29 mit einer Außenverzahnung 31 ist ein ringförmiger Körper 26 mit einer Innenverzahnung 27 und einer Außenverzahnung 28 vorgesehen, der mit einer in Längsrichtung entsprechend den Pfeilen 33 verstellbaren Steuerwelle 23 verbunden ist. Dabei weist mindestens eine der beiden Terzahnungspaarungen 24» 27 oder 28, 30 eine Schrägverzahnung auf, so daß bei einer axialen Verschiebung des Ringkörpers 26 eine relative Drehbewegung und damit eine Phasenverschiebung zwischen dem von dem Zahnriemen 32 angetriebenen Ringrad 29 und der Drehschieberwelle 22 auftritt. Wenn beide Zahnradpaarungen schrägverzahnt sind, dann müssen sie jeweils entgegengesetzte SchrägungBwinkel aufweisen.

130015/0161

Abschließend sei rtoch darauf hingewiesen, daß das Drosselorgan auch als Axialdrehschieber-Ausführung ausgebildet sein kann, bei dem die Durchtrittskanäle im wesentlichen axial verlaufen. Bei dieser Ausführung könnte dann analog zu den Ausführungen der Figuren 5 und 4 zwecks Steuerung der Phasenlage bezüglich der Einlaßventile ein verdrehbarer Steuerschieber mit ebenfalls axialen Durchlaßkanälen vorgesehen sein.

130015/0161

Claims

AKTIENGESELLSCHAFT

3180 Wolfsburg

Unsere Zeichen: K 2785
-We-ja

19. Sea ig«

ANSPRÜCHE

1 ./Regeleinrichtung für gemischverdichtende Kolbenbrennkraftmaschinen mit den Ein- und Auslaß des Arbeitsmittels in den Arbeitsräumen der einzelnen Zylinder steuernden, in Abhängigkeit von der Kurbelwellendrehzahl betätigbaren Ventilen und mit einem in der Ansaugleitung vor den Einlaßsteuerventilen angeordneten, die Füllung der Arbeitsräume in Abhängigkeit von der geforderten Leistung steuernden Drosselorgan, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der zu den einzelnen Arbeitsräumen (4) der Zylinder (1) führenden Ansaugrohre (5) der Brennkraftmaschine vor dem Einlaßventil (6) ein den Einlaßquerschnitt periodisch öffnendes und schließendes Drosselorgan (9) angeordnet ist, dessen öffnungs- und Schließzeit in bezug auf die öffnunge- und Schließzeit des Einlaßventils veränderbar ist.
2. Hegeleinrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselorgan (9) unmittelbar vor dem Einlaßventil (6) angeordnet ist.
3· Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselorgan (9) durch einen mit einem ganzzahligen Vielfachen oder ganzzahligen Teil der Kurbelwellendrehzahl angetriebenen Drehschieber gebildet ist.

130015/0161

Vorsitzender Vorstand: Toii Scfimucker, Vorsitzender Karl-Heinz Bnom · Prof. Dr. ledin. Ernst FsIa · Dr. jur. Peter Frerk

des Autsicnlsrats C-.r.ier Hjnwidi Horst Munzner ■ Dr ret pci Werner P. Scfimidl Gottlieb M. Strobl ■ Prot Dr. ret pol. Friedrich Thomee

Ms-S i -:;.- Sin der Gesellschaft: WoHsburg Amtsgericht Wolfsburg HRB

ORIGINAU INSPECTED
4· RegeleinrichtXing nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb des Drosselorgans (9) von der Kurbelwelle aus über ein Getriebe erfolgt, das eine die relative Phasenlage in Abhängigkeit von der Belastung der Brennkraftmaschine verändernde Vorrichtung aufweist.
5· Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem periodisch angetriebenen Drehschieber (11; 17) ein Steuerschieber (13; 18) in Gasströmungsrichtung vor- und/oder nachgeschaltet ist, der in Abhängigkeit von der Belastung der Brennkraftmaschine verstellbar ist.
6. Regeleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der periodisch angetriebene Drehschieber (11; 17) im wesentlichen in radialer Richtung verlaufende Durchtrittskanäle (12; 21) aufweist, und daß der Steuerschieber (13; 1B) als konzentrisch zum Drehschieber angeordnete, verdrehbare Hülse mit am Umfang vorgesehenen Durchtrittsschlitzen (14; 20) ausgebildet ist.

7· Regeleinrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der periodisch angetriebene Drehschieber im wesentlichen in axialer Richtung verlaufende Durchtrittskanäle aufweist, und daß der verdrehbare Steuerschieber mit axial durchströmbaren Schlitzen versehen und axial neben dem Drehschieber liegend angeordnet ist.

130015/0161