DE3024812C2 - Four-stroke internal combustion engine with inlet and outlet valves - Google Patents

Four-stroke internal combustion engine with inlet and outlet valves

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Description

Die Erfindung betrifft eine Viertakt-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a four-stroke internal combustion engine according to the preamble of claim 1.

Unter Frischgas soll im Rahmen der Erfindung, da diese sowohl bei Vergasermaschinen als auch bei Einspritz-Brennkraftmaschinen mit Vorteil einsetzbar ist, entweder ein dem jeweiligen Brennraum, beispielsweise einem Zylinder, zuzuführendes Kraftstoff-Luft-Gemisch oder aber reine Verbrennungsluft verstanden sein.Fresh gas is intended within the scope of the invention, as this is used both in carburetor machines and in injection internal combustion engines can be used with advantage, either in the respective combustion chamber, for example a cylinder, fuel-air mixture to be supplied or pure combustion air be.

Bei der aus der DE-OS 28 09 473 bekannten Maschine dieses Aufbaus ist zwecks Vermeidung einer Gegenspülung während der Ventilüberschneidung, also des Einschiebens von Abgas in das Saugrohr, das Einlaßventil über die Einlaßphase hinaus während eines Teiles des Verdichtungstaktes geöffnet, so daß unter Erhöhung der Verdichtungsarbeit der Maschine in der Vorkammer eine komprimierte Frischgasreserve gebildet wird; diese dient während der nächsten Ventilüberschneidung zum Spülen des Brennraumes.In the machine known from DE-OS 28 09 473 this structure is to avoid counterflushing the intake valve during the valve overlap, i.e. the pushing of exhaust gas into the intake manifold opened over the intake phase during part of the compression stroke, so that with an increase the compression work of the machine in the antechamber, a compressed fresh gas reserve is formed; this serves to flush the combustion chamber during the next valve overlap.

Auch bei der ein in Rückströmrichtung sperrendes Rückschlagventil im Saugrohr aufweisenden Maschine nach der CH-PS 2 62 070 ist das Einlaßventil während des ersten Bereichs des Verdichtungstaktes geöffnet. Sinn dieser Maßnahme ist eine Verkürzung des wirksamen Verdichtungshubes gegenüber dem Expansionshub, um die Verbrennungsgase auf einen tieferen Druck als normalerweise expandieren zu lassen.Even with the machine having a non-return valve in the suction pipe that blocks in the return flow direction According to CH-PS 2 62 070, the inlet valve is open during the first range of the compression stroke. The purpose of this measure is to shorten the effective compression stroke compared to the expansion stroke in order to bring the combustion gases to a lower pressure than normally expanding.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 so auszubilden, daß eine Absenkung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs der Maschine und eine Erweiterung ihres Vollastarbeitsbcreiehs zu niedrigeren Drehzahlen auftreten.In contrast, the invention is based on the object of providing an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 in such a way that a reduction in the specific fuel consumption of the Machine and an extension of its full load working range to lower speeds occur.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Patentanspruchs I; vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung geben die UntcransDrüche an.The inventive solution to this problem is characterized by the features of the patent claim I; advantageous embodiments of the invention indicate the UntcransDrüche.

In Abweichung von dem beschriebenen Stand der Technik nutzt die Erfindung also den während der Ventilüberschneidung vorhandenen und üblicherweise über das Auslaßventil nutzlos abgebauten Abgasdruck zur Erhöhung des Frischgasdrucks in der Vorkammer cus. so daß diese Erhöhung nicht durch eine Vergrößerung der von der Maschine aufzubringenden Verdichtungsarbeit erkauft wird.In a departure from the prior art described, the invention therefore uses the valve overlap Existing exhaust gas pressure which is usually uselessly reduced via the exhaust valve Increase in the fresh gas pressure in the antechamber cus. so that this increase is not due to an enlargement the compaction work to be done by the machine is bought at the cost of the machine.

Der Abstand zwischen Rückschlagventil und Einlaß-The distance between the check valve and the inlet

ίο ventil darf nicht beliebig klein sein, da sonst in die Vorkammer, worunter im Rahmen der Erfindung stets das Saugrohrvolumen zwischen Einlaßventil und Rückschlagventil verstanden wird, während der Ventilüberschneidung praktisch nur Abgas gelangt, und der Abis staiid darf andererseits auch nicht beliebig groß werden. da andernfalls durch den während der Ventilüberschneidung vorliegenden Abgasdruck keine nennenswerte Erhöhung des Drucks des in der Vorkammer enthaltenen Frischgases auftreten würde. Es kann zweckmäßig sein.ίο valve must not be arbitrarily small, otherwise into the antechamber, including, within the scope of the invention, the intake manifold volume between the inlet valve and the check valve is understood, during the valve overlap practically only exhaust gas gets, and the Abis On the other hand, staiid cannot be arbitrarily large. otherwise due to the valve overlap existing exhaust gas pressure no significant increase in the pressure contained in the antechamber Fresh gas would occur. It can be useful.

das Saugrohr im Bereich der definierten Vorkammer unter den bekannten Gesichtspunkten der Saugrohrrcsonanz zu gestalten.the intake manifold in the area of the defined antechamber under the known aspects of intake manifold resonance to design.

Wie sich überraschenderweise gezeigt hat, bewirken die konstruktiv sehr einfachen erfindungsgemäßen Maßnahmen eine erhebliche Verlagerung der Leerlaufdrehzahl und des Vollast-Drehzahlbereichs in Richtung niedrigere Drehzahlwerte, ohne daß im Bereich der praktisch interessierenden hohen Drehzahlen der Maschine ein sich nachteilig bemerkbar machender Leistungsverlust in Kauf genommen werden muß. Bei ersten Versuchen mit der Erfindung konnte eine im übrigen serienmäßige Viertakt-Brennkraftmaschine für einen Pkw mit einer Leerlaufdrehzahl von 500 U/min und bereits bei 650 U/min mit Vollast betrieben werden, und zwar im Rundlauf und mit vertretbaren Emissionswerten. As has been shown, surprisingly, the structurally very simple effects according to the invention Measures a significant shift in the idle speed and the full load speed range in the direction of lower speed values without being in the range of the high speed of the machine, which is of practical interest a disadvantageously noticeable loss of performance must be accepted. At first Experiments with the invention could otherwise be a standard four-stroke internal combustion engine for one Passenger cars can be operated at an idle speed of 500 rpm and at full load at 650 rpm, and in true rotation and with acceptable emission values.

Gemäß Anspruch 2 kann das Rückschlagventil ein Membranventil sein. Derartige Rückschlagventile sind an sieb speziell für Zweitakt-Maschinen bekannt; siehe beispielsweise die DE-AS 20 34 956 und die DE-OS 19 14 859. Sie dienen dort jedoch der Lösung einer anderen Aufgabe als sie der Erfindung zugrunde liegt, und zwar einer Aufgabe, die infolge des Fehlens von zeitlich zwangsgesteuerten Ein- und Auslaßventilen der Viertakt-Brennkraftmaschinen spezifisch ist für die ohne derartige Ventile arbeitenden Zweitakt-Maschinen:According to claim 2, the check valve can be a diaphragm valve. Such check valves are at sie especially known for two-stroke machines; please refer for example DE-AS 20 34 956 and DE-OS 19 14 859. However, there they serve to solve another Task as it is the basis of the invention, namely a task that due to the lack of time positively controlled inlet and outlet valves of four-stroke internal combustion engines is specific for those without Such valves working two-stroke machines:

Wie in der letztgenannten Schrift angegeben, kann durch die Rückschlag-Membranventile nach Ende der Saugbewegung des Kolbens das Rückströmen bereits in den Brennraum gesaugten Frischgases in das Saugrohr verhindert werden. Letztlich stellen diese Rückschlagventile bei Zweitakt-Brennkraftmaschinen also eine Art Ersatz für Einlaßventile dar, wobei allerdings die bei echten Einlaßventilen vorhandene, für die Arbeitsweise von Viertakt-Brennkraftmaschinen entscheidende Zwangssteuerung der Ventile fehlt.As indicated in the last-mentioned document, through the non-return diaphragm valves after the end of the Suction movement of the piston prevents fresh gas already drawn into the combustion chamber from flowing back into the intake manifold be prevented. Ultimately, these check valves represent a type of two-stroke internal combustion engine Substitute for intake valves, although the one that is present in real intake valves for the operation the positive control of the valves, which is decisive for four-stroke internal combustion engines, is missing.

Einerseits tritt nun die durch die Erfindung speziell bei Viertakt-Brennkraftmaschinen erzielte Wirkung der Verringerung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs durch Drehzahlherabsetzung jedenfalls bei Zweitakt-Brennkraftmaschinen nicht auf, weil bei dieser Maschinenart Auslaßventile fehlen und demgemäß bei der Auf ■ wärtsbewegung des Kolbens ein Teil des angesaugten Frischgases unverbratint in das Abgassysiem gelangt.On the one hand, the effect achieved by the invention especially in four-stroke internal combustion engines now occurs Reduction of the specific fuel consumption by reducing the speed in any case with two-stroke internal combustion engines does not open because there are no exhaust valves in this type of machine and accordingly when the open ■ downward movement of the piston, part of the fresh gas drawn in reaches the exhaust system without being fried.

Die Folge ist, daß bei Erniedrigung der Leerlaufdrehzahlen die Kohlenwasserstoffemissioncn und damit die Umweltbelastung stark ansteigen, weshalb der Trend bei Zweitakt-Brennkraftmaschinen auch in RichtungThe result is that when the idle speed is reduced, the hydrocarbon emissions and thus the Environmental pollution rise sharply, which is why the trend in two-stroke internal combustion engines is also in the direction of

höhere Drehzahlen geht Andererseits ist für Viertakt-Maschinen nur an die Anwendung von einen feststehenden Kern im Saugrohr enthaltenden Vorrichtungen gedacht worden (DE-OS 19 14 859), der nicht eine Druckerhöhung im Saugrohr bewirkt, sondern infolge spezieller Formgebung die sich vom Vergaser zum Arbeitsraum bewegende Frischgassäule vor dem frontalen Zusammenstoß mit zuvor angesaugtem, zurückdrängendem Firschgas schützen soll.On the other hand, for four-stroke machines it is only possible to use a fixed one Core in the suction pipe containing devices have been thought (DE-OS 19 14 859), which does not increase the pressure in the intake manifold, but as a result of the special shape that extends from the carburetor to the working area Moving fresh gas column before the head-on collision with previously sucked in, pushing back Firschgas is supposed to protect.

Wie bereits oben ausgeführt, hat sich als überraschender Vorteil der Erfindung eine praktisch kaum beeinträchtigte Leistungsabgabe der mit der Erfindung ausgerüsteten Viertakt-Brennkraftmaschine bei hohen Drehzahlen ergeben. Da mithin das Schwergewicht des durch die Erfindung erzielbaren Leistungsgewinns bei is niedrigeren Drehzahlen liegt, ist die im Patentanspruch 3 gekennzeichnete Verwendung des erfindungsgemäßen Saugrohres in einer mit einem Abgasturbolader ausgerüsteten Viertakt-Brennkraftmaschine besonders vorteilhaft. Bekanntlich läuft ein derartiger Abgasturbolader bei niedrigen Drehzahlen der ihm zugeordneten Brennkraftmaschine praktisch nur mit, ohne eine Aufladung zu erzeugen, während bei hohen Drehzahlen das Abgasangebot der Brennkraftmaschine so groß ist, daß nicht das gesamte anfallende Abgas zum Antrieb des Abgasturboladers verwendet werden kann. Bei Einsatz der Erfindung in einer mit einem Abgasturbolader ausgerüsteten Brennkraftmaschine ergänzen sich demgemäß die einen Aufladeeffekt in der Vorkammer bewirkenden erfindungsgemäßen Maßnahmen mit iter Wirkung des Abgasturboladers bei höheren Drehzahlen. As stated above, it has proven to be more surprising Advantage of the invention a practically hardly impaired power output of the equipped with the invention Four-stroke internal combustion engine result at high speeds. Since the heavyweight of the performance gain achievable by the invention at is Is lower speeds, is characterized in claim 3 use of the invention Suction pipe in a four-stroke internal combustion engine equipped with an exhaust gas turbocharger advantageous. As is well known, such an exhaust gas turbocharger runs at low speeds of the one assigned to it Internal combustion engine practically only with, without generating a charge, while at high speeds the exhaust gas supply of the internal combustion engine is so large that not all of the exhaust gas produced is used for the drive of the exhaust gas turbocharger can be used. When using the invention in one with an exhaust gas turbocharger Equipped internal combustion engine complement each other accordingly, causing a supercharging effect in the prechamber measures according to the invention with iter Effect of the exhaust gas turbocharger at higher speeds.

Zur Abrundung des Standes der Technik sei noch auf die DE-OS 24 42 074 hingewiesen, die das Vorsehen einer Vorkammer im Saugrohr bei beliebigen Maschinengattungen offenbart. Diese Vorkammer soll sich zwischen Ansaugzeiten des zugehörigen Brennraums wieder vollsaugen und gegebenenfalls Ansaugresonanz mit Gemischüberdruck erzeugen. Infolge der durch diese Maßnahmen angestrebten gleichmäßigen Druckverhältnisse am Vergaser soll eine gleichmäßige Gemischzusammensetzung sichergestellt werden. Diese bekannte Vorkammer wird nicht durch ein Rückschlagventil definiert und soll letztlich auf die Verhältnisse am Vergaser Einfluß nehmen, während ein wesentliches Merkmal der Erfindung, deren Einsatz nur bei Viertakt-Brennkraftmaschinen zur Lösung der oben definierten Aufgabe führt, in einem Rückschlagventil besteht, das letztlich die Ausnutzung des sonst wirkungslos abzubauenden Abgasdrucks während der Ventilüberschneidung zur Gewinnung eines Aufladeeffekts bewirkt.To round off the prior art, reference should be made to DE-OS 24 42 074, which the provision of a Antechamber in the intake manifold disclosed in any type of machine. This antechamber should be between Suction times of the associated combustion chamber again and, if necessary, suction resonance with it Generate mixture overpressure. As a result of the even pressure conditions aimed for by these measures An even mixture composition should be ensured on the carburettor. This well-known The prechamber is not defined by a check valve and is ultimately intended to affect the conditions at the carburetor Take influence, while an essential feature of the invention, its use only in four-stroke internal combustion engines leads to the solution of the problem defined above, consists in a check valve that ultimately the utilization of the exhaust gas pressure, which would otherwise be ineffective, during the valve overlap causes a charging effect.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigtAn embodiment of the invention is explained below with reference to the drawing. It shows

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Zylinder und das zugehörige Saugrohr einer Viertakt-Brennkraftmaschine mit einem Vergaser undFig. 1 is a longitudinal section through a cylinder and the associated intake manifold of a four-stroke internal combustion engine with a carburetor and

F i g. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Erfindung.F i g. 2 shows a diagram to illustrate the mode of operation of the invention.

Der Zylinder 1 enthält in üblicher Weise den Kolben 2. der über nicht dargestellte Pleuel mit einer Kurbelwelle in Verbindung steht, die ihrerseits in üblicher Weise auf Antriebsräder eines Kraftfahrzeugs wirkt. Dem Saugrohr 3 ist das Einlaßventil 4, dem Auslaßrohr 5 das Auslaßventil 6 zugeordnet; beide Ventile werden in üblicher und daher nicht dargestellter Weise über eine von der Brennkraftmaschine angetriebene Nockenwelle /wangsgesteuert. Dabei erfolgt diese Zwangssteuerung so. daß. wie noch anhand Fig. 2 erläutert wird, eine endliche Ventilsteuerzeitenüberschneidung zwischen öffnen des Einlaßventils 4 und Schließen des Auslaßventils 6 vorliegtThe cylinder 1 contains the piston 2 in the usual way via the connecting rod, not shown, with a crankshaft is in connection, which in turn acts in the usual manner on drive wheels of a motor vehicle. To the Intake pipe 3 is assigned to inlet valve 4, and outlet valve 6 is assigned to outlet pipe 5; both valves are in common and therefore in a manner not shown via a camshaft driven by the internal combustion engine / force controlled. This forced control takes place so. that. as will be explained with reference to FIG. 2, a finite valve timing overlap between opening of the inlet valve 4 and closing of the outlet valve 6 is present

Betrachtet man weiter die Konstruktion des Saugrohres 3, so besteht dieses im wesentlichen aus den beiden Abschnitten 7 und 8, wobei der Abschnitt 7 sich zwischen dem Einlaßventil 4 und dem mit Membranzungen ausgeführten Rückschlagventil 9 erstreckt, während der Abschnitt 8 zwischen dem Rückschlagventil 9 und der Drosselklappe 10 des Vergasers liegtIf one looks further at the construction of the suction pipe 3, it consists essentially of the two Sections 7 and 8, the section 7 being between the inlet valve 4 and the one with diaphragm tongues executed check valve 9 extends, while the section 8 between the check valve 9 and the Throttle valve 10 of the carburetor is located

Der Saugrohrabschnitt 7 bildet also zugleich eine Vorkammer, deren Länge so gewählt ist, daß während der erwähnten Ventilsteuerzeitenüberschneidung der dann noch in dem Brennraum 11 des Zylinders 1 herrschende, zeitlich veränderliche Abgasdruck das in der Vorkammer 7 befindliche Frischgas auf einen Druck komprimiert der zumindest ungefähr dem Abgasdruck am Ende der Ventilüberschneidung, also beim Schließen des Auslaßventils 6, entspricht.The suction pipe section 7 thus also forms an antechamber, the length of which is chosen so that during the mentioned valve timing overlap that then still prevails in the combustion chamber 11 of the cylinder 1, Time-variable exhaust gas pressure the fresh gas located in the prechamber 7 to a pressure compresses the at least approximately the exhaust gas pressure at the end of the valve overlap, i.e. when closing of the exhaust valve 6 corresponds.

Die Druckverhältnisse sind aus dem in F i g. 2 wiedergegebenen Diagramm entnehmbar, in dem die Kurve a den Verlauf des Drucks P im Brennraum 11 und die Kurve b den Verlauf des Drucks P des Frischgases in der Vorkammer 7 über dem Kurbelwinkel KWwiedergibt. Mit A6 und As sind die Winkel bezeichnet, bei denen das Auslaßventil öffnet bzw. schließt; dementsprechend bezeichnen E6 und E5 die Winkelwerte, bei denen das Einlaßventil öffnet bzw. schließt.The pressure ratios are based on the one shown in FIG. 2, in which curve a shows the course of pressure P in combustion chamber 11 and curve b shows the course of pressure P of the fresh gas in prechamber 7 over crank angle K W. A 6 and A s denote the angles at which the exhaust valve opens and closes; accordingly, E 6 and E 5 denote the angle values at which the inlet valve opens and closes, respectively.

Hinsichtlich der Betriebsweise sind vier durch römische Zahlen gakennzeichnete Bereiche in dem Diagramm zu unterscheiden:Regarding the mode of operation, there are four areas indicated by Roman numerals in the diagram to distinguish:

Im Bereich 1 wird das Abgas durch das geöffnete Auslaßventil 6 bei noch geschlossenem Einlaßventil 4 ausgeschoben. Im Bereich II ist das Einlaßventil 4 bereits geöffnet (Ventilsteuerzeitenüberschneidung), und man erkennt aus dem Diagramm, daß gemäß Kurve b der Druck in der Vorkammer 7 ansteigt, während der Abgasdruck gemäß Kurve a abfällt, so daß beim Schließen des Auslaßventils 6 der Druck des Frischgases in der Vorkammer 7 sich etwa auf einen Wert erhöht hat, der dem Abgasdruck im Brennraum 11 in diesem Zeitpunkt entspricht.In area 1, the exhaust gas is expelled through the open outlet valve 6 while the inlet valve 4 is still closed. In area II, the inlet valve 4 is already open (valve timing overlap), and it can be seen from the diagram that the pressure in the antechamber 7 rises according to curve b , while the exhaust gas pressure falls according to curve a, so that when the outlet valve 6 closes the pressure of the Fresh gas in the prechamber 7 has increased approximately to a value which corresponds to the exhaust gas pressure in the combustion chamber 11 at this point in time.

An diese beiden Arbeitstaktbereiche schließen sich nun in üblicher Weise der Saugu kt 111 und der Verdichtungstakt IV an.These two work cycle ranges are now followed in the usual way by the suction valve 111 and the compression cycle IV on.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (3)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Viertakt-Brennkraftmaschine mit Ein- und Auslaßventilen, deren Steuerzeiten am Ende des Auslaßtaktes eine Oberschneidung aufweisen, und mit einem im Frischgas-Saugrohr zur Bildung einer Vorkammer im Abstand vor dem Einlaßventil angeordneten, nur in Rückströmrichtung sperrenden Rückschlagventil, das im unteren Drehzahlbereich in einer bestimmten Taktphase bei geöffnetem Einlaßventil eine Anhebung des Druckes von in der Vorkammer enthaltenem Frischgas etwa auf den im Arbeitsraum der Maschine herrschenden Druck erlaubt, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Rückschlagventils (9) vom Einlaßventil (4) derart bemessen ist, daD die Druckanhebung während der Überschneidung der Steuerzeiten von dem im Arbeitsraum noch herrschenden Abgasdruck ohne übermäßiges Füllen der Vorkammer mit Abgas bewirkt wird.1. Four-stroke internal combustion engine with inlet and outlet valves, whose timing at the end of the exhaust stroke has an overlap, and with one arranged in the fresh gas intake pipe to form an antechamber at a distance in front of the inlet valve, only in the return flow direction blocking check valve, which in the lower speed range in a certain cycle phase when the inlet valve is open, an increase in the pressure in the antechamber contained fresh gas is allowed to the pressure prevailing in the working area of the machine, characterized in that the distance between the check valve (9) and the inlet valve (4) is dimensioned in such a way that the pressure increase during the overlap of the timing of the exhaust gas pressure still prevailing in the work space without excessive filling of the antechamber Exhaust gas is effected. 2. Viertakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (9) ein Membranventil ist2. Four-stroke internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the check valve (9) is a diaphragm valve 3. Viertakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Abgasturbolader ausgerüstet ist.3. Four-stroke internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that it is provided with a Exhaust gas turbocharger is equipped.
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