DE3137490A1

DE3137490A1 - "hubkolben-brennkraftmaschine, insbesondere fuer kraftfahrzeuge, mit einer ladeeinrichtung"

Info

Publication number: DE3137490A1
Application number: DE19813137490
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr.Ing. 3180 Wolfsburg Krüger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1981-09-21
Filing date: 1981-09-21
Publication date: 1983-04-07
Also published as: DE3137490C2

Description

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VOLKSWAGENWERK

AKTIENGESELLSCHAFT

3180 Wolfsburg

Z 3147/1702-pt-hu-le

Hubkolben-Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge,

mit einer Ladeeinrichtung

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

Außer durch Fremdaufladung über einen mechanisch angetriebenen Lader, der seinerseits als Hub- oder Drehkolben- oder Strömungsmaschine ausgebildet sein kann und zusätzliche Antriebsenergie erfordert, ist eine Aufladung unter Ausnutzung der kinetischen Energie der Abgase, beispielsweise durch einen Turboauflader oder durch Abgas-Druokschwingungen, bekannt. Die Aufladung mittels eines Abgasturboladers bringt Probleme beim instationären Betrieb infolge der Trägheit des Turbinen- und des Verdichterlaufrads mit sich, und Druckwellenverdichter, wie sie beispielsweise aus der DE-AS 25 49 111» *Ό2 Β 33-42, bekannt sind, haben insbesondere bei kleinen Ladedrücken ein großes Bauvolumen und verursachen Probleme durch die Wärmedehnung des die Druckwellenkanäle beinhaltenden Laufzeugs.

Schwierigkeiten, die bei Umsetzung der kinetischen Abgasenergie in kinetische Energie von rotierenden Teilen, die ihrerseits

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wieder zur Aufladung des Frischgases ausgenutzt wird, auftreten, sollen bei der aufgeladenen Brennkraftmaschine nach der TIS-PS 3,800,763, F02 B 33/00, dadurch vermieden werden, daß bei einer eine geradzahlige Anzahl von Zylindern aufweisenden Brennkraftmaschine die Zylinder zu Paaren zusammengefaßt werden, in denen der Abgasauslaß jeweils eines der Zylinder, verbunden ist mit dem Frischgaseinlaß des jeweils anderen Zylinders. Durch den unmittelbar nach Öffnen des Auslaßventils des einen Zylinders auftretenden Unterdruck in seinem Abgassystem soll die Frischgassäule am Frischgaseinlaß des jeweils anderen Zylinders beschleunigt werden. Abgesehen davon, daß die Gefahr eines Absaugens von Frischgas über die Yerbindungsleitungen zwischen Frischgaseinlaß und Abgasauslaß verschiedener Zylinder des Paares besteht, setzt diese bekannte Maschine Zylinderpaare und damit Brennkraftmaschinen mit einer geradzahligen Anzahl von Zylindern voraus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit einer Ladeeinrichtung zu schaffen, die ebenfalls ohne Umsetzung der kinetischen

Energie der Abgase in kinetische Energie rotierender Teile auskommt und darüber hinaus nicht an das Vorhandensein von Zylinderpaaren gebunden ist. Die Erfindung soll also beispielsweise auch bei einer Brennkraftmaschine mit drei Zylindern einsetzbar sein, und zwar unabhängig davon, ob es sich um eine ventilgesteuerte oder eine schlitzgesteuerte Maschine handelt.

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

Schlagwortartig kann man die Erfindung als eine zyklische Selbstaufladung des betrachteten Zylinders bezeichnen, da das Laderohr Frischgas- und Abgaskanal desselben Zylinders verbindet. Ein be-

sonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß sie sowohl bei Zweitakt- als auch bei Viertaktmaschinen Einsatz finden kann. Infolge der Tatsache, daß das Laderohr Abgas- und Frischgaskanal desselben Zylinders verbindet, legt die Anwendung der Erfindung auch keinerlei Beschränkungen hinsichtlich der Zylinderzahl auf.

Bei Anwendung der Erfindung bei einer Zweitaktbrennkraftmaschine ergibt sich nicht nur ein Aufladeeffekt, sondern dann dient die Erfindung zugleich als Gaswechseleinrichtung bei niedriger Zylinderfüllung.

Verständlicherweise muß die Arbeitsweise der Steuerorgane, die als Dreh- oder Flachschieber oder auch als Klappen ausgebildet sein können, mit der Maschinendrehzahl synchronisiert sein. So können die Steuerorgane zwangsmäßig bei Viertaktmaschinen mit halber Maschinendrehzahl und bei Zweitaktmaschinen mit ganzer Maschinendrehzahl angetrieben werden. Drehschieber mit zwei Öffnungsstellungen pro Umdrehungen werden mit -j Maschinendrehzahl bei Viertaktmaschinen und halber Maschinendrehzahl bei Zweitaktmaschinen angetrieben. Der Antrieb kann beispielsweise über Hocken auf der ohnehin vorhandenen Nockenwelle der Brennkraftmaschine erfolgen. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die Druckverhältnisse im Laderohr zur Betätigung des dritten und vierten Steuerorgans auszunutzen, so daß dann ein mechanischer Antrieb nicht erforderlich ist.

Die Verwendung eines Laderohres, d.h. eines rohrförmigen Laderaums, ist erforderlich, um durch eine kleine Eontaktfläche (gebildet durch den Rohrquerschnitt) die Durchmischung von Abgas und Frischgas klein zu halten und ferner die Umwandlung von Abgasdruckenergie in kinetische Strömungsenergie und damit die Durohspülung des Laderohres mit Frischgas zu ermöglichen.

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Torteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

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

Die Pig. 1 bis 4 schematisch das Laderohr mit den vier ihm zugeordneten Steuerorganen in den vier verschiedenen Betriebsphasen, d.h. bei verschiedenen Stellungen der Steuerorgane,

die Pig. 5»6 und 7 Betätigungsdiagramme für die vier Steuerorgane für den Pail einer Viertaktmaschine (Pig. 5)» einer Zweitaktmaschine mit Ventilsteuerung (Pig. 6) und einer Zweitaktmaschine mit Schlitzsteuerung (Pie. 7),

die Pig. 8 und 9 in einem Längsschnitt durch den Zylinder bzw. in der Schnittansicht IX - IX ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Pig. 10 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für den Pail einer schlitzgesteuerten Zweitaktmaschine und

Pig. 11 ein Ausführungsbeispiel für eine Zweitaktmaschine mit einem Auslaßventil.

Betrachtet man zunächst die Pig. 1 bis 4» so erstreckt sich das Laderohr 1 zwischen dem Abgaskanal 2 und dem Prischgaskanal 5 desselben Zylinders der Brennkraftmaschine, deren Zylinderzahl beliebig groß sein kann. An das Laderohr 1 schließen ferner das Abgasauspuffrohr 4 iind das Pri s chgas zufuhr rohr 5 an, von denen das erstgenannte Rohr einen Bestandteil der üblichen Auspuffanlage der

Maschine "bildet, während das Frischgaszufuhrrohr 5 "bei einer Vergaser-Brennkraftmaschine mit dem Vergaser in Verbindung steht, also mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch gespeist wird, dagegen bei einer Maschine mit Kraftstoffeinspritzung Frischluft zuführt.

Dem Laderohr 1 sind vier Steuerorgane zugeordnet, die in diesem Ausführungsbeispiel als Drosselklappen ausgebildet sind. Das erste Steuerorgan 6 im Abgaskanal 2 und das zweite Steuerorgan 7 im Frischgaskanal 3 bilden zugleich ohnehin vorhandene Ventile dieser Brennkraftmaschine, nämlich das Auslaßventil bzw. das Einlaßventil. Dadurch wird der Aufwand an Steuerorganen für diese Ladeeinrichtung besonders klein. Das dritte Steuerorgan 8 dient dazu, in bestimmten Betriebsphasen das Laderohr 1 von dem Abgasauspuffrohr 4 zu· trennen, während das vierte Steuerorgan 9 dieselbe Aufgabe bezüglich des Frisohgaszufuhrrohrs 5 übernimmt.

Im Laderohr 1 kann ferner, wie durch unterbrochene Linien bei angedeutet, ein weiteres Steuerorgan vorgesehen sein, das bei tibergang auf Saugbetrieb das Laderohr 1 in einen Abgas- und in einen Frischgasteil unterteilt. Eine andere Möglichkeit für den Saugbetrieb besteht im Zuschalten von das Laderohr umgehenden Auspuff- und Saugleitungen.

An dieser Stelle sei ferner eingefügt, daß -statt wie in den Ausführungsbeispielen verwendeter mechanisch, beispielsweise durch Hocken, betätigter Steuerorgane- auch durch die Druckverhältnisse im Laderohr 1 betätigte Steuerorgane, also beispielsweise Rückschlagklappen, Einsatz finden können. Dies gilt für die in den Fig. 1 bis 4 mit 8 und 9 bezeichneten Steuerorgane.

In den Fig. 1 bis 4 sind dieselben Teile mit denselben Bezugs-

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zeichen versehen. Man erkennt, daß in der in Pig. 1 dargestellten ersten Betriebsphase nur das erste Steuerorgan 6 geöffnet ist, während die übrigen Steuerorgane geschlossen/. Durch das in das Laderohr 1 demgemäß einströmende Abgas erfolgt die Verdichtung des Frischgases im Laderohr 1.

In der zweiten Betriebsphase (siehe Pig. 2) ist nur das zweite Steuerorgan im Prischgaskanal 3> also das Einlaßventil 7» geöffnet, und durch die Abgasdruckenergie im Laderohr 1 wird Prischgas aus dem Laderohr 1 ausgeschoben, d.h. in den Brennraum des Zylinders eingeschoben.

In der dritten Betriebsphase (siehe Pig. 3) ist nur das dritte Steuerorgan 8 zwecks Herstellung einer Verbindung zwischen Laderohr 1 und Abgasauspuffrohr 4 geöffnet, d.h. das Abgas kann aus dem Laderohr 1 ausströmen, wobei die Abgasdruckenergie in kinetische Abgasenergie umgewandelt wird.

Diese Umwandlung ist wichtig für den in Pig. 4 dargestellten vierten Betriebszustand, bei dem nun zusätzlich auch eine Verbindung des Laderohrs 1 mit dem Prischgaszufuhrrohr 5 über das jetzt geöffnete vierte Steuerorgan 9 hergestellt ist: durch Ausnutzung der kinetischen Abgasenergie erfolgt jetzt ein Ansaugen von Frischgas und/oder ein Durchspülen des Laderohres 1 mit Prischgas.

Insbesondere die Spülung des Laderohres 1 gemäß Pig. 4 wird unterstützt, wenn sich an das dritte Steuerorgan 8 ein längeres Abgasauspuffrohr 4 und an das vierte Steuerorgan 9 ein längeres Prischgaszufuhrrohr 5 (Saugrohr) anschließt.

In diesen und den weiteren Piguren nicht dargestellt sind die Füllung erhöhende, an sich bekannte Hilfsmittel, wie Kühlung des Laderohres bzw. des Prischgases oder eine innere und/oder äußere

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Isolierung des Laderohres.

Wie bereits eingangs bemerkt, muß die Betätigung aller Steuerorgane in Synchronismus mit der Arbeitsweise des Zylinders erfolgen. Hinsichtlich der Anzahl der Betätigungen der einzelnen Steuerorgane wurde bereits ausgeführt, daß die Betätigung der Steuerorgane bei Viertaktmaschinen mit halber Maschinendrehzahl und bei Zweitaktmaschinen mit ganzer Maschinendrehzahl erfolgen muß. Die Betätigungsverläufe (Durchschaltzeiten) der einzelnen Steuerorgane über dem Kurbelwinkel ICW sind in den Pig. 5»6 und 7 für eine Viertaktmaschine, eine Zweitaktmaschine mit Ventilsteuerung und eine Zweitaktmaschine mit Schlitzsteuerung wiedergegeben. TJT bedeutet in üblicher Weise unterer Totpunkt, OT in ebenfalls üblicher Weise oberer Totpunkt des Kolbens in dem betrachteten Zylinder. In Pig. 5 ist ferner der Zünd-OT durch einen Blitz besonders hervorgehoben.

Aus Gründen des leichteren Verständnisses sind die Steuerzeiten in den Pig. 5»6 lind 7 durch diejenigen Bezugszeichen gekennzeichnet, die in den Pig. 1 bis 4 für die zugehörigen Steuerorgane verwendet sind. Man erkennt, daß auch kurzzeitige Überlappungen der Durchlaßbereiche der einzelnen Steuerorgane (Pig. 5· 7 und 8) möglich sind. Insbesondere das dritte Steuerorgan 8 kann zur Regelung der Aufladung zwecks Verminderung des Abgasgegendrucks in einen Regelkreis einbezogen sein.

Die Pig. 8 und 9 zeigen in einem senkrechten Mittelschnitt sowie in einem Horizontalschnitt ein konstruktives Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dem Zylinder 20, in dem der Hubkolben 21 läuft, sind das Auslaßventil 22 und das Einlaßventil 23 zugeordnet. Der Abgaskanal 24 und der Prischgaskanal 25, die den Kanälen 2 und 3 in den Pig. 1 bis 4 entsprechen, münden ein in parallel und horizontal verlaufende Kanäle 26 bzw. 27 im Zylinder 20. An diese Kanäle schließt sich in der Darstellung der Pig. 8 und 9 nach rechts

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das Laderohr 28 mit dem Rohrkrümmer 29 an, das über die genannten Kanäle 26 und 27 in Verbindung steht mit dem Drehschieber 30. Dieser enthält den gemeinsamen Sohieberkö^petr 31 mit entsprechend den Steuerzeiten winkelmäßig gegeneinander versetzten Bohrungen 32 und 33» die in Abhängigkeit von der jeweiligen Drehstellung den Kanal 26 mit dem Abgasauspuffrohr 34 oder den Kanal 27 mit dem Prischgaszufuhrrohr 35 verbinden. Das Auslaßventil 22 bildet also zugleich das erste Steuerorgan, das Einlaßventil 23 das zweite Steuerorgan, während die Bohrungen 32 und 33 im Drehschieberkörper 31 zusammen mit den Kanten der Rohre 34 und 35 das dritte bzw. vierte Steuerorgan im Sinne der anhand der Pig. 1 bis 4 getroffenen Definitionen darstellen.

Der Drehschieber 30 kann auch auf der Laderohrseite oder im Zylinderkopf liegen.

Pig. 10 betrifft die entsprechende Konstruktion bei einer schlitzgesteuerten Zweitaktmaschine. Wie bereits bemerkt, bewirkt die Erfindung bei Zweitaktmotoren außer der Aufladung auch eine vorteilhafte Unterstützung des Gaswechsels.

Im Zylinder 40 läuft wieder ein Kolben 41> der mit seinem oberen Bereich je naoh seiner Stellung den Einlaßsohlitz 42 oder auch den Auelaßschlitz 43 abdeckt. Das Laderohr 44 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei Krümmer 45 und 46 auf, durch die seine Enden einander gegenüberstehend in den Drehschieber 47 einmünden, dessen Schieberkörper 48 derart mit Kanälen versehen ist, daß er entsprechend der jeweiligen Betriebsphase (siehe Pig. 1 bis 4) das Abgasauspuffrohr 49 bzw. das Prischgaszufuhrrohr 50 mit dem Laderohr 44 verbindet bzw. diese Verbindungen unterbricht. Diese Bohrungen im Drehschieberkörper 48 bilden also -zusammen mit Gehäusekanten- das dritte und vierte Steuerorgan der Ladeeinrichtung. Das erste und das zweite Steuerorgan werden dagegen durch die

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Sohlitze 45 und 42 zusammen mit dem Korben 41 gebildet. Bezüglich der zyklischen Betätigung der verschiedenen Steuerorgane wird auf die Darstellung in Pig. 7 verwiesen.

Bei der Fig. 11 zugrundeliegenden Zweitaktmaschine mit Zylinder 60 und Kolben 61 sind dem Brennraum das Auslaßventil 62 und der Einlaßschlitz 63 zugeordnet, dessen Freigabe bzw. Sperrung wieder von dem Kolben 61 in Abhängigkeit von der Stellung desselben erfolgt. An das Auslaßventil 62 schließt sich der Abgaskanal 64» an den Einlaßschlitz der Frischgaskanal 65 an. BaB Auslaßventil 62 stellt das erste Steuerorgan, der Einlaßschlitz 63 das zweite Steuerorgan im Sinne der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung dar. Auch hier weist das Laderohr 66 zwei Rohrkrümmer 67 und 78 auf, so daß ee gleichsam aufeinanderweisende Enden besitzt, an denen Drehschieber 69 und 70 angeordnet sind. Sie stellen demgemäß das dritte und vierte Steuerorgan im Sinne der eingangs gegebenen Definition dar. An den Drehschieber 69 schließt sich das Abgasauspuffrohr 71> an den Drehschieber 70 das Frischgas zufuhrrohr 72 an.

In allen Ausführungsbeispielen ist dafür gesorgt, das der an sich schädliche Raum zwischen den frischgaeseitigen Steuerorganen, also dem zweiten und dritten Steuerorgan, durch Anordnung dieser Steuerorgane möglichst nahe beieinander klein gehalten ist.

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Claims

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1. jHubkoIben-Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit zumindest einem Zylinder, dessen Brennraum zeitweilig mit einem Prischgaskanal und einem Abgaskanal verbunden ist, und mit einer sowohl mit dem Frischgas- als auch mit dem Abgaskanal in Verbindung stehenden Ladeeinrichtung, die die kinetische Energie des ausströmenden Abgases zur Aufladung des dem Brennraum zuzuführenden Prischgases ausnutzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeeinrichtung ein feststehendes, sich zwischen dem Abgas- und dem Prischgaskanal (2,3) des Zylinders erstreckendes Laderohr (i) sowie im Bereich der Enden desselben zwischen einer Öffnungs- und einer Absperrstellung verstellbare Steuerorgane (6,7»8,9) für den jeweiligen Strömungsquerschnitt enthält, von denen ein erstes (6) dem Abgaskanal (2) und ein zweites (7) dem Prischgaskanal (3) zugeordnet ist, während ein drittes Steuerorgan (θ) zwischen einem Abgasauspuffrohr (4) und dem Laderohr (1) sowie ein viertes Steuerorgan (9) zwischen einem Prischgaszufuhrrohr (5) und dem Laderohr (1) angeordnet sind, daß ferner das erste und das zweite Steuerorgan (6,7) in Synchronismus mit Aus- und Einlaßventilen bzw. -schlitzen des Zylinders arbeiten und daß die Betätigung des dritten und vierten Steuerorgans (8,9) entsprechend der zyklischen Folge

Vorsitzender Vorstund: Toi.« iin^fiiuö or, VorsilzencI-.H ■ ' ' ;/ l' - r,·.'mj - Karl-H.-Ίηζ Bnom · Prof. Dr^cchn. Ernst FUtIi · V·- \vr. Prt.T f-'t^jric

dos Auisichtsrats: Ϊ·· ; ■'.'Λ i'nn R.HaLbel · Gunir· H.irwirh . Horst Munmer · Dt.'ci.i-.«I.Wpin· ι P.StJ--idt · PioI.Di-ίμ ι ai.r-.-'-jncii Th-jrni··» j · C-V- I',·'/.:, GiIz der Gcsollsch'afl: Wolfsburg ^^tsgerich! Wollsburg HRB

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nur erstes Steuerorgan (6) geöffnet: Verdichten von Frischgas im Laderohr (i)

nur zweites Steuerorgan (7) geöffnet: Ausschieben von Frischgas aus dem Laderohr (1) in den Brennraum

nur drittes Steuerorgan (ö) geöffnet: Ausströmen von Abgas aus dem Laderohr (1)

nur drittes und viertes Steuerorgan (8,9) geöffnet: Spülen des Laderohrs (1) mit Frischgas

erfolgt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und/oder zweite Steuerorgan (6,7) zugleich die Aus- und/oder Einlaßventile bzw. -schlitze des Zylinders bilden.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich Öffnungszeiten von Steuerorganen (7»8) zeitlich überschneiden.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einzelne der Steuerorgane (6,7, 8,9) zwangsläufig von einer Welle der Maschine her mit der Maschinendrehzahl oder einem geradzahligen Teil ("ö»t) derselben angetrieben werden.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß einzelne der Steuerorgane (8,9) nach Art von Rückschlagventilen ausgebildet sind und durch den Druck im Laderohr (1) betätigt werden.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch

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gekennzeichnet, daß zur Regelung der Füllung des Brennraums weitere Steuerorgane (1O) im Laderohr (1) und/oder in an dieses anschließenden Kanälen "bzw. Leitungen vorgesehen sind.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Laderohr (28) einen Rohrkrümmer (29) bildet, der über Kanäle (26,27) im Zylinderblock mit dem dritten und vierten Steuerorgan (32,35) in Verbindung steht.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das dritte und vierte Steuerorgan (32,33) durch einen Drehschieber (30) gebildet sind.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte und vierte Steuerorgan einen gemeinsamen Yentilkörper (3"O mit- versetzten Kanälen (32,33) enthalten.