DE3137454C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Ausnutzung des Drucks bzw. Druckverlaufs im Abgassystem einer Brennkraftmaschine zur Verbesserung der Füllung ist in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. So erfolgt bei Abgasturboladern die Leistungsübertragung vom Abgassystem auf die Saugseite der be­ treffenden Brennkraftmaschine über eine rotierende Welle. Die Nachteile des Turboladers bestehen in erster Linie in seiner Trägheit und seiner weitgehenden Wirkungslosigkeit im unteren Drehzahlbereich. Druckwellenmaschinen, wie sie beispielsweise in der DE-AS 25 49 111, Fo2B 33/42, beschrieben sind, arbeiten mit Erzeugung von Druckimpulsen mittels eines Rotors, der Verbindungen zwischen einem mit den Abgas-Druckimpulsen beaufschlagten Behälter und den Einlaßventilen herstellt. Dies ist stets mit Leistungsverlusten verbunden.

Ein grundsätzlich anderes Prinzip liegt der in der US-PS 38 00 763, Fo2B 33/00, beschriebenen Brennkraftmaschine zugrunde. Dort wird eine Leistungsübertragung vom Abgassystem zur Saugseite der Brennkraftmaschine über rotierende Teile dadurch vermieden, daß zwei um einen halben Zyklus versetzt arbeitende Zylinder zu einem Zylinderpaar zusammengefaßt sind und das Abgassystem jeweils eines der Zylinder über eine Verbindungsleitung mit dem Ansaugsystem des jeweils anderen der beiden Zylinder verbunden ist, wobei Rückschlagdüsen eine Strömung in unerwünschter Richtung unterdrücken. Mit dieser Anordnung von Verbindungsleitungen soll der mit dem mit hoher Geschwindigkeit erfolgenden Vorauslaßstoß im Abgassystem des einen Zylinders verbundene Unterdruck über die entsprechende Verbindungsleitung zur Beschleunigung der Frischgassäule vor dem Einlaßventil des jeweils anderen Zylinders herangezogen werden. Dieses Prinzip vermeidet zwar die Nachteile der beschriebenen Leistungsübertragungen über mechanisch rotierende Teile, jedoch erscheint es unwahrscheinlich, daß der Frischgassäule vor dem jeweiligen Einlaßventil eine wesentliche Beschleunigung in Richtung auf das Einlaßventil erteilt wird; wahrscheinlicher ist vielmehr, daß über die Verbindungsleitung Frischgas in Richtung auf das Abgassystem des jeweils anderen Zylinders gesaugt wird.

Zur Abrundung des Standes der Technik sei festgehalten, daß die US-PS 41 49 493 eine Maschine mit zusätzlicher Spül- und Ladeluftzufuhr über eine als Verteiler dienende Drehschiebervorrichtung zeigt, die von einem Kompressor gespeist und mit der Drehzahl einer Ein- und Auslaßventilen zugeordneten Nockenwelle angetrieben wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, also ebenfalls eine solche mit direkter "Leistungsübertragung" vom Abgassystem zur Einlaßseite des jeweils anderen Zylinders, zu schaffen, die unter Vermeidung unerwünschter Frischgasströmungen zu den Abgassystemen der Zylinder eine eindeutige Aufladung und damit Füllungsverbesserung sicherstellt.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Bei der Erfindung wird also nicht irgend ein Unterdruck im Abgassystem eines der Zylinder gleichsam weitergeleitet zur Einlaßseite des jeweils anderen Zylinders, sondern der Drehschieber schaltet die Verbindungs­ leitungen gleichsam nur dann durch, wenn der Vorauslaßstoß durch Öffnen des Auslaßventils des einen Zylinders auftritt, so daß dieser durch die jetzt durchgeschaltete Verbindungsleitung in die in Strömungsrichtung vor dem Einlaßventil des jeweils anderen Zylinders liegende, sich an den Drehschieber anschließende Einlaßleitung gelangt. Diese mit den Arbeitszyklen der Brennkraftmaschine synchronisierte Durchschaltung bzw. Unterbrechung der Verbindungsleitungen verhindert also irgendwelche unerwünschten Rückströmungen. Diese Synchronisation ermöglicht ferner in einfacher Weise, wie im einzelnen in den Patentansprüchen 2 und 3 geschützt, eine Spülung der Verbindungsleitungen, so daß während der Durchschaltung der Verbindungsleitungen in sie gelangtes Abgas wieder durch Frischgas ersetzt wird.

Die Rotation des Drehschiebers wird zweckmäßigerweise direkt von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine oder aber von der Nockenwelle her über einen Zahnriementrieb vorgenommen werden. Um hier die Belastung der Brennkraftmaschine weiter zu verringern, ist die Maßnahme gemäß Patentanspruch 4 vorteilhaft, die die Ausnutzung der Energie des direkt abströmenden Abgases zur Unterstützung dieser Drehbewegung beinhaltet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch die Anwendung bei einer zwei Hubkolben- Zylinder aufweisenden Brennkraftmaschine,

Fig. 2 das Steuerzeit-Diagramm,

Fig. 3 in einem Horizontalschnitt und

Fig. 4 in einer Stirnansicht eine erfindungsgemäß ausgebildete Zweizylinder-Diesel-Brennkraftmaschine,

die Fig. 5, 7, 9, 11 Querschnitte im Bereich des Einlaßventils eines der Zylinder in verschiedenen Betriebsphasen,

die Fig. 6, 8, 10 und 12 Querschnitte im Bereich des Auslaßventils des anderen der beiden Zylinder bei denselben Be­ triebsphasen und

Fig. 13 einen senkrechten Mittelschnitt durch ein Aus­ führungsbeispiel für den Drehschieber.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, so erkennt man die beiden Hubkolben- Zylinder 1 und 2 - die zugehörigen Hubkolben nebst Kurbelwelle sind nicht dargestellt - mit ihren Einlaßventilen E1 bzw. E2 und ihren Auslaßventilen A1 bzw. A2. Die Zylinder arbeiten, wie noch anhand Fig. 2 erläutert wird, um einen halben Arbeitszyklus gegeneinander versetzt.

Der Drehschieber 3, der in diesem Ausführungsbeispiel von der in Fig. 1 nicht dargestellten, auch zur Ventilbetätigung dienenden Nockenwelle her angetrieben wird, enthält die beiden durch Pfeile angedeuteten Verbindungsleitungen 4 und 5, von denen die Verbindungsleitung 4 zur Übertragung des Vorausstoßes des Auslaß­ ventils A2 zur Einlaßleitung des Zylinders 1 dient, während umge­ kehrt die Verbindungsleitung 5 den beim Öffnen des Auslaßventils A1 des Zylinders 1 auftretenden Vorauslaßstoß in die Einlaßleitung 7 des Einlaßventils E2 des Zylinders 2 führt. In den Drehschieber 3 sind ferner direkte Abgasauslaßkanäle 8 und 9 sowie direkte Frischgaseinlaßkanäle 10 und 11 eingearbeitet, die - bei bestimmten Winkelstellungen des Drehschiebers 3 - kommunizieren mit Auspuffleitungen 12 und 13 bzw. von einem Ansaugverteiler kommenden Ansaugleitungen 14 und 15 für Frischgas. Bei Frischgas kann es sich entweder um ein brennbares Kraftstoff-Luft-Gemisch (bei Ver­ gasermaschinen) oder um reine Luft handeln (bei Einspritzmaschinen).

Die Führung bzw. der Verlauf sowohl der Verbindungsleitungen 4 und 5 also auch der direkten Kanäle 8 bis 11 im Drehschieber 3 ist in Fig. 1 verständlicherweise nur schematisch angegeben, da schon aus der Tatsache, daß die verschiedenen Leitungen und Kanäle mit den am Drehschieber 3 endenden äußeren, das heißt ortsfesten Leitungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten kommunizieren sollen, ein nicht linearer, praktisch gewundener Verlauf der verschiedenen Leitungen und Kanäle im Drehschieber folgt.

Das Steuerzeitdiagramm nach Fig. 2 zeigt den Betätigungsverlauf bzw. die Betätigungsfolge der verschiedenen Ventile der beiden Zylinder 1 und 2 über dem Kurbelwinkel ϕ, wobei durch Blitze die Zündzeit­ punkte sowie durch Pfeile die erfindungsgemäße "Stoßaufladung" während der Ventilüberschneidungszeiten von Ein- und Auslaßventil unterschiedlicher Zylinder gekennzeichnet sind. Die Pfeile lassen deutlich erkennen, das beispielsweise beim Kurbelwellenwinkel π eine Überschneidung der Öffnungszeit des Auslaßventils A1 und des Einlaßventils E2 vorliegt und daß während dieser Überschneidungszeit infolge "Durch­ schaltung" der Verbindungsleitung 5 (Fig. 1) infolge geeigneter Drehstellung des Drehschiebers 3 die Schwingungsenergie der Abgase nach Passieren des geöffneten Auslaßventils A1 zur Stoßaufladung der Einlaßleitung 7 zum Einlaßventil E2 des anderen Zylinders zugeführt wird. Die entgegengesetzte Pfeilrichtung während der Ventil­ überschneidung der Ventile A2 und E1 beim Kurbelwelllenwinkel 3π läßt erkennen, daß nunmehr die Stoßwellenaufladung zur Füllungserhöhung des Zylinders 1 ausgenutzt wird.

Fig. 3 zeigt nun eine mehr konstruktive Ausführungsform der Brennkraftmaschine in einem Horizontalschnitt in Höhe der Antriebswelle 16 des Drehschiebers 3. In diesem Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß der Antrieb von der Nockenwelle 17 her über einen individuellen Zahnriemen 18 erfolgt; zum Antrieb der Nockenwelle 17 von der Kurbel­ welle dient seinerseits der weitere Zahnriemen 19, der auch mit der bei 20 angedeuteten Antriebswelle der Einspritzpumpe der Maschine in Verbindung steht. Grundsätzlich wäre es verständlicherweise auch möglich, nur einen einzigen Zahnriemen zu verwenden, der Zahnräder auf Welle 20, Nockenwelle 17 und Antriebswelle 16 des Drehschiebers 3 umschlingt.

Der Darstellung in Fig. 3 liegt die Winkelstellung des Drehschiebers 3 bei einem Kurbelwellenwinkel 3π zugrunde. Das bedeutet gemäß dem Steuerzeitdiagramm nach Fig. 2, daß die Ventile E1 und A2 ge­ öffnet und über die Verbindungsleitung 4 miteinander verbunden sind. Die Verbindungsleitung 4 erstreckt sich in Fig. 3 von der rechten Kante bzw. Wand 21 des Drehschiebers 3 bis zu der Wand 22; die Verbindungsleitung 5 verläuft von der in Fig. 3 linken Kante bzw. Wand 23 des Steuerschiebers 3 bis zu der Zwischenwand 24, so daß sich die beiden Verbindungsleitungen 4 und 5 in einem mittleren Bereich des Steuerschiebers überlappen. Der gewundene Verlauf der beiden Verbindungsleitungen 4 und 5 sowie die Lage der direkten Kanäle 8 bis 11 läßt sich in Fig. 3 nur schwer darstellen. Diesbezüglich wird daher auf die Fig. 5 bis 12 verwiesen, die senkrechte Schnitte im Bereich verschiedener Ventile bei ausgesuchten Steuerzeiten wiedergeben.

Fig. 4 zeigt eine Frontansicht, das heißt die Ansicht bezüglich Fig. 3 von links.

Im folgenden wird anhand von Paaren von Schnittbildern für die Lage der verschiedenen Leitungen und Kanäle insbesondere im Drehschieber 3 im Bereich der verschiedenen Ventile und zwar jeweils für die zusammenwirkenden Ein- und Auslaßventile der beiden verschiedenen Zylinder, die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Stoßaufladung erläutert. Lediglich aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit sind in diesen Schnittbildern die Verbindungskanäle 4 und 5 durch Schraffur hervorgehoben.

Betrachtet man zunächst die für den Kurbelwellenwinkel π geltenden Fig. 5 und 6, die senkrechte Schnitte im Bereich des Einlaßventils E1 bzw. des Auslaßventils A2 darstellen, so sind gemäß dem Steuer­ diagramm nach Fig. 2 diese beiden Ventile geschlossen. Die gewundene Verbindungsleitung 4, deren Volumen im Hinblick auf den gewünschten Aufladeeffekt bemessen ist, liegt so, daß sie die Ventile E1 und A2 nicht verbindet. Sowohl der direkte Frischgaseinlaßkanal 10 als auch der direkte Abgasauslaßkanal 9 sind wirkungslos. Be­ züglich des letztgenannten Kanals sind in Fig. 6 Rotorblätter 25 an seinem äußeren Umfang erkennbar, die dazu dienen, bei Wirksamkeit des direkten Auslaßkanals 9, das heißt bei geöffnetem Auslaßventil A2 und Einmünden des Auslaßkanals 9 in die Auspuffleitung 13, eine Unter­ stützung der Drehbewegung des Drehschiebers 3 durch das ausströmende Abgas sicherzustellen. Es handelt sich dabei aber nicht, wie bei den bekannten Abgas-Turboladern, um eine Umsetzung der Abgasenergie in Rotationsenergie und dann um eine erneute Umsetzung in Druckenergie des Frischgases, sondern lediglich um eine Unterstützung des Antriebs für den Drehschieber 3.

Die Fig. 7 und 8 zeigen dieselben Schnitte beim Kurbelwellenwinkel 2π: Das Einlaßventil E1 hat - vergleiche auch Fig. 2 - gerade geöffnet, und über den direkten Frischgaseinlaßkanal 10 saugt Zylinder 1 Frischgas an. Das Auslaßventil A2 des Zylinders 2 ist geschlossen, und die Verbindungsleitung 4 steht weder mit dem Einlaßventil E1 noch mit dem Auslaßventil A2 in Verbindung. Der direkte Abgasauslaß­ kanal 9 verbindet zwar das Auslaßventil A2 mit der Auspuffleitung 13, wird aber nicht durchströmt.

Die Fig. 9 und 10 zeigen Schnitte im Bereich derselben Ventile beim Kurbelwellenwinkel 3π. Gemäß Fig. 2 ist jetzt das Ein­ laßventil E1 noch geöffnet - der Pfeil in Fig. 9 deutet an, daß es in Kürze geschlossen sein wird -, und das Auslaßventil A2 hat gerade geöffnet. Gemäß Fig. 10 befindet sich der Drehschieber 3 nunmehr in einer Winkelstellung, in der die Verbindungsleitung 4 in Richtung auf das ebenfalls offene Auslaßventil A2 geöffnet ist; gemäß Fig. 9 kommuniziert das andere Ende der Verbindungsleitung 4 mit der Einlaßleitung 6 zum noch geöffneten Einlaßventil E1. Damit erfaßt die Verbindungsleitung 4 den sich unmittelbar nach Öffnen des Auslaßventils A2 hinter diesem ausbildenden Abgas-Druckstoß, den so­ genannten Vorauslaßstoß, und leitet ihn weiter zur Einlaßleitung 6, so daß dort eine die Füllung des Zylinders 1 erhöhende Aufladung auftritt. Dieser Druckstoß in der Einlaßleitung 6 bewirkt gleichsam eine Nachladung unmittelbar vor Ende der Schließbewegung des Ventils E1.

Aus der Darstellung nach Fig. 9 ist erkennbar, daß bereits vor dem Schwenken des einlaßseitigen Endes der Leitung 4 bis zur Kommunikation mit der Einlaßleitung 6 diese über den direkten Einlaßkanal 10 in Verbindung gestanden hat mit der Ansaugleitung 14; in der letzten Öffnungsphase des Einlaßventils E1 steht die schmale Trennwand 26 zwischen Verbindungsleitung 4 und direktem Einlaßkanal 10 dagegen in Fig. 9 unterhalb der Einmündungsstelle der Einlaßleitung 6, so daß nunmehr eine Zufuhr in die Einlaßleitung 6 nur noch von der Verbin­ dungsleitung 4 her erfolgt.

Eine entsprechende dünne Wand 27 trennt gemäß Fig. 10 auch die Ver­ bindungsleitung 4 an ihrem abgasseitigen Ende von dem direkten Abgas­ auslaßkanal 9. Sobald also der Drehschieber 3 etwas weitergedreht hat als in Fig. 10 dargestellt, erfolgt ein direkter Abgasaustritt vom geöffneten Auslaßventil A2 über den direkten Abgasauslaßkanal 9 zur Auspuffleitung 13, die sich in üblicher Weise in einen Auspuff­ krümmer fortsetzen kann.

Beim Kurbelwellenwinkel 4π ist - vergleiche Fig. 2 - das Einlaß­ ventil E1 geschlossen, dagegen das Auslaßventil A2 noch geöffnet; dagegen beginnt das Einlaßventil E2 zu öffnen. Die Verhältnisse bezüglich der Ventile E1 und A2 sind in den Fig. 11 und 12 dar­ gestellt. Man erkennt, daß die Verbindungsleitung 4 weder mit dem Einlaßventil E1 noch mit dem Auslaßventil A2 in Verbindung steht. Das durch das noch geöffnete Auslaßventil A2 ausströmende Abgas durchströmt im Drehschieber 3 nur den direkten Abgasauslaßkanal 9. Dagegen steht die Verbindungsleitung 4 sowohl mit der Ansaugleitung 14 als auch mit der Auspuffleitung 13 in Verbindung, und zwar im Bereich der Auspuffleitung 13 in der Weise, daß die Wand 27 mit der Gehäusewand des Drehschiebers 3 an der Übergangsstelle zur Auspuffleitung 13 einen Injektor bildet, der das in der Verbindungsleitung 4 enthaltene Abgas unter Nachsaugen von Frischgas aus der Ansaugleitung 14 ausspült. Damit ist die Gewähr gegeben, daß beim nächstfolgenden Aufladevorgang, ausgelöst durch erneutes Öffnen des Auslaßventils A2, in die Einlaßleitung 6 praktisch kein Abgas gelangt.

Verständlicherweise spielt sich die Wirkungsweise der anderen Ver­ bindungsleitung 5 analog ab, so daß darauf nicht nochmals eingegangen zu werden braucht.

Fig. 13 schließlich zeigt die in Fig. 3 mit XIII-XIII bezeichnete Schnittansicht. Die zu den Auslaßventilen A1 und A2 führenden Kanäle im Zylinderkopf sind mit 28 und 29 bezeichnet. Man erkennt die bezüglich der Zeichenebene der Fig. 13 teilweise übereinander verlaufenden Verbindungsleitungen 4 und 5 in einer Winkellage des Drehschiebers 3, in der nur die Verbindungsleitung 4 durchgeschaltet ist (entsprechend Fig. 9). Der Kurbelwellenwinkel beträgt also etwa 3π.

Claims (4)

1. Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit zumindest einem Zylinderpaar, dessen Zylinder um einen halben Zyklus versetzt arbeiten, sowie mit Ein- und Auslaßventilen, wobei nockenwellenbetätigte Ein- und Auslaßventile verschiedener Zylinder des Zylinderpaares mit Überschneidung arbeiten und Verbindungs­ leitungen zwischen ihnen zur Ausnutzung des Druckes im Abgassystem jeweils eines der Zylinder zur Verbesserung der Füllung des jeweils anderen Zylinders vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitungen (4, 5) in einem mit der Nockenwellendrehzahl angetriebenen Drehschieber (3) verlaufen, der auch direkte Abgasauslaß- und Frischgaseinlaßkanäle (8, 9; 10, 11) enthält, und daß die Verbindungsleitungen (4, 5) im Drehschieber (3) bezüglich der Bewegungen desselben derart verlaufen, daß sie den Vorauslaßstoß zum Einlaßventil (E1, E2) des jeweils anderen Zylinders (1, 2) leiten.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den abgasseitigen Enden der Verbindungsleitungen (4, 5) im Drehschieber (3) einerseits und dem jeweiligen direkten Abgas­ auslaßkanal (8, 9) andererseits eine Wand (27) verläuft, die dort dünner ist als eine sich an den Drehschieber (3) anschließende Auspuffleitung (12, 13), so daß bei Stellung der Wand (27) in Fortsetzung der Auspuffleitung (12, 13) bei geöffnetem zuge­ hörigen Auslaßventil (A1, A2) sowohl die Verbindungsleitung (4, 5) als auch der direkte Abgasauslaßkanal (8, 9) in die Auspuff­ leitung (12, 13) einmünden und eine Spülung der Verbindungsleitung (4, 5), die im Drehschieber (3) dann mit einer sich an den Drehschieber (3) anschließenden Ansaugleitung (14, 15) kommuniziert, durch Injektorwirkung mittels der den direkten Abgasauslaßkanal (8, 9) durchströmenden Abgase erfolgt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einlaßseitigen Enden der Verbindungsleitungen (4, 5) im Drehschieber (3) einerseits und dem jeweiligen direkten Frischgaseinlaßkanal (10, 11) andererseits eine Wand (26) verläuft, anschließende, zum Einlaßventil (E1, E2) führende Einlaß­ leitung (6, 7), so daß gegen Ende des Einlaßtaktes sowohl der mit einer sich an den Drehschieber (3) anschließenden Ansaugleitung (14, 15) kommunizierende Frischgaseinlaßkanal (10, 11) als auch die Verbindungsleitung (4, 5) in die Einlaßleitung (6, 7) münden.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß am Umfang der direkten Abgasauslaßkanäle (8, 9) Rotorblätter (25) zur Unterstützung der Drehschieberbewegung durch ausströmende Abgase angeordnet sind.