DE3149500A1

DE3149500A1 - Viertakt-verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE3149500A1
Application number: DE19813149500
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. 3180 Wolfsburg Voigt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-12-14
Filing date: 1981-12-14
Publication date: 1983-06-23

Description

-3- " '" 314

Dieter Voigt, Elsterweg 24, 31'80 Wolfsburg

Viertakt-Verbrennungsnotor

Bei Verbrennungsmotoren hat eine gerichtete Bewegung der Frischgasladung im Brennraum einen bedeutenden Einfluß hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Emissionsverhalten.

Beim Ottomotor bewirkt eine hohe Ladungsbewegung eine Verminderung der Neigung zur Selbstentzündung des komprimierten Gemisches, so daß ein hohes Verdichtungsverhältnis ermöglicht wird und hieraus entsprechende Wirkungsgrad- bzw. Verbrauchsvorteile resultieren.

Für den direkteinspritzenden Dieselmotor ist eine gerichtete Ladungsbewegung von wesentlicher Bedeutung für den Verbrennungsablauf. Ein zur Zeit der Kraftstoffeinspritzung bestehender hoher Luftdrall um die Zylinderachse sorgt beim wandauftragenden wie auch beim luftverteilenden Einspritzverfahren für eine gute Kraftstoffaufbereitung und damit für eine vollständige Verbrennung mit geringer Rußemission.

Der somit sowohl für den Otto- wie auch für den direkteinspritzenden Dieselmotor vorteilhafte Drall des Frischgases zur Zeit der Entzündung wird üblicherweise durch spezielle Drall-Einlaßkanäle oder durch Schirmventile zu erzeugen versucht. Diese Drallvorrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß sie zum einen durch zusätzliche Drosseleffekte die Zylinderfüllung mindern und zum anderen nur einen geringen Drall erzeugen, der durch im Mittel über ca. 270° Kurbaldrehwinkel wirkende Luftreibung einen zusätzlichen Intensitätsverlust erleidet.

Ein weiterer Nachteil ist die Motordrehzahiabhängigkeit der Drallintensität, da die drehzahlabhängige Frischgaseinströmgeschwindigkeit am Einlaßventil die Umfangsgeschwindigkeit der im Zylinder rotierenden Ladung bestimmt.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zur Drallerzeugung zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile vermeidet und zum Zeitpunkt der Entzündung gegenüber bisher bekannten Drallvorrichtungen eine deutlich höhere Drall intensität bewirkt.

'■ Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem Kennzeichen des Anspruches T.

!Hierbei wird während des Ansaugkolbenhubes infolge des wie üblich geschlossenen Auslaßventils und des nicht mehr im Zylinderkopf befindlichen Einlaßorgans zunächst nur ein Unterdruck im Zylinder erzeugt. Erst nach Freigabe eines Einlaßschlitzes durch die Oberkante des abwärtslaufenden Kolbens im Bereich des unteren Kolbenumkehrpunktes wird durch den nun hohen Unterdruck im Zylinder Frischgas mit hoher Geschwindigkeit eingesaugt, wobei durch bekannte, tangentiale Einlaßschlitzanordnung am Zylinder wegen nun möglicher Frischgasführung entlang der Zylinderkontur ein hoher Drall um die Zylinderachse entsteht.

Der für den Verbrennungsvorgang so bedeutsame Drall ist in seiner Intensität ι bei erfindungsgemäßer Drallerzeugung unabhängig von der MDtordrehzahl, da für die Einströmgeschwindigkeit nicht die Drehzahl, sondern das bei freiwerdendem Einlaßschlitz konstante, drehzahlunabhängige Druckgefälle zwischen Umgebung und Zylinderinnenraum maßgebend ist. Somit wird auch bei niedriger Motordrehzahl ein hoher Drall im Zylinder erzeugt, so daß auch hier alle Vorteile hoher Drallintensität zur Wirkung körnen.

Während des Kompressionstaktes wird nun das mit hoher Geschwindigkeit um die Zylinderachse rotierende Frischgas in den Brennraum geschoben, der ! vorzugsweise bei rotationssyitmetrischer kompakter Ausbildung zentral im Zylinderkopf oder im Kolben angeordnet ist. Hierbei erfährt der bereits vorhandene Drall durch aufgezwungene Frischgasbewegung hin zur Drehachse · , infolge des Drehimpulserhaltungssatzes eine weitere Intensitätssteigerung, so daß optimale Voraussetzungen für die nachfolgende Verbrennung mit den bereits genannten Vorteilen beim Otto- und Dieselverfahren bestehen. Gegen Ende des Expansionstaktes erfordert der wiederum freiwerdende Einlaßschlitz ein ihm vorgelagertes, jetzt geschlossenes Vorsteuerorgan, so daß das Abgas nur über das im Auslaßtakt geöffnete Auslaßventil den Zylinder verlassen kann.

-S-

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren 1 bis 3 dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Die Figuren zeigen:

Figur 1 einen Einzylinder-Viertakt-Ottomotor mit Drehschieber-Vorsteuerorgan

Figur 2 einen Vierzylinder-Viertakt-Reihenmotor mit Flachschieber-Vorsteuerorgan

Figur 3 das Steuerschema für den Motor in Figur 2

Bei dem in Figur 1 dargestellten Verbrennungsmotor befindet sich der in Zylinder 1 laufende Kolben 2 gerade am Ende des Ansaughubes im unteren Umkehrpunkt (UT), so daß der tangential angeordnete Einlaßschlitz 3 in Zylinder 1 freigegeben ist. Aufgrund der vorangegangenen Unterdruckbildung im Zylinderraum 4 zwischen Kolben 2 und Zylinderkopf 5 mit dem geschlossenen Auslaßventil 6 ermöglicht der dem Einlaßschlitz 3 vorgeschaltete Drehschieber 7 infolge seiner Offenstellung eine mit hoher Einströmgeschwindigkeit ablaufende Zylinderbefüllung mit Frischgas.

Durch tangential zum Zylinder 1 erfolgender Frischgaseinströmung entsprechend der Anordnung des Einlaß Schlitzes 3 wird das Gas der runden Zylinderkontur folgend so weitergeleitet, daß ein intensiver Drall um die Zylinderachse entsteht.

Während des anschließenden Kompressionstaktes wird das Frischgas zunehmend in den kompakten, rotationssymmetrischen Brennraum 8 geschoben, wobei der bereits vorhandene Drall durch radiale Frischgasbewegung hin zur Drehachse eine deutliche Intensitätssteigerung erfährt.

Nach über Zündkerze 9 eingeleiteter Verbrennung und erfolgtem Expansionstakt wird wie nach dem Ansaugtakt wiederum Einlaßschlitz 3 von Kolben 2 freigegeben, wobei nun wegen des inzwischen geschlossenen Drehschiebers 7, der mit halber ■ Motordrehzahl rotiert, ein Abgasausströmen nur über Auslaßventil 6 in üblicher Weise während des Auslaßtaktes erfolgen kann.

^:'-^:" ■-· -^:- 3Ί4950Ο

Nach dem Schließen des Auslaßventils 6 im Bereich des oberen Kolbanumkehrpunktes beginnt der nächste Viertakt-ZyKlus wiederum zunächst mit der Unterdruckbildung im Zylinderraum 4.

Bei Ersatz der Zündkerze 9 durch eine Diesel-Einspritzdüse gilt die vorstehende Beschreibung zu Figur 1 auch für einen direkteinspritzenden Dieselmotor.

Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Viertakt-Vierzylinder-Reihenmotor in einer Schnittdarstellung auf Höhe der vier Zylindereinlaßschlitze 10, wobei jeweils die Einlaßschlitze 10 der Zylinderpaare I-II sowie III - IV das Ende einer gemeinsamen Ansaugleitung 13 darstellen. Die im Zylinderblock 11 befindlichen Kolben bewegen sich entsprechend dem in Figur 3 dargestellten S teuer schema, wobei der für Figur 2 zugehörige Kurbelwinkel 360° beträgt. Die beiden Vorsteuerorgane 14 und sind hier als Flachschieber ausgebildet.

Aus dem Steuerschema in Figur 3 geht hervor, daß die Flachschieber 14 und 15 jeweils wechselweise über einen Kurbeldrehwinkel von 360° geöffnet bzw. geschlossen gehalten werden können. Somit kann jeder Flachschieber als vorgeschaltetes Steuerorgan für zwei Zylinder wirken, so daß nur eine Ansaugleitung 13 pro Zylinderpaar erforderlich ist. Infolge des wechselseitigen Öffnens und Schließens der Flachschieber und 15 können beide fest miteinander verbunden werden, so daß nur eine Betätigungsvorrichtung 12 für beide Flachschieber benötigt wird. Die Betätigungsvorrichtung 12 kann durch verschiedene bekannte Mechanismen, wie Nocken- oder Exzentertrieb, Hydraulik- oder Pneumatikkolben oder auch Elektromagnet, dargestellt werden.

Aus der beim erfxndungsgemäßen Viertakt-Verbrennungsmotor notwendigen Anordnung eines Vorsteuerorgans 7, 14, 15 vor dem Einlaßschlitz 3, 10 ergibt sich weiterhin eine Fülle von Vorteilen aus der hier möglichen Realisierung veränderlicher Einlaß Steuer zeiten. Der symmetrisch zum unteren Kolbenumkehrpunkt liegende Zeitquerschnitt des Einlaßschlitzes 3, 10 kann durch entsprechende Ansteuerung des Vor Steuerorgans 7, 14, 15

"" "" 3 U 95-00

über die Betätigungsvorrichtung 12 teilvreise oder sogar vollständig für den Einlaßvorgang an Wirkung verlieren. Hieraus ergeben sich zusätzliche Möglichkeiten der Füllungsoptimerung im gesamten Drehzahlbereich, der Füllungsreduzierung für den Teillastbetrieb sowie der Schubabschaltung.

Durch ständige Schließstellung einzelner Vorsteuerorgane bei MehrzylindermDtoren ist sehr einfach eine Zylinderabschaltung zum Zvrecke der Verbrauchsreduzierung im Teillastbetrieb zu realisieren.

Claims

3U95O0

Dieter Voigt, Elsterweg 24, 3180 Wolfsburg

Patentansprüche

f 1. Jviertakt-Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß der —^ Frischgas-Einlaßvorgang erst gegen Ende des Kolbensaughubes nach einer Unterdruckbildung im Zylinder über einen oder mehrere vom Kolben freigegebene Einlaßschlitze (3, 10) stattfindet, wobei aufgrund der bekannten tangentialen Einlaßschlitzanordnung ein Einströmen von Frischgas in den Zylinder mit starker Drallbildung um die Zylinderachse erfolgt, während ein den Einlaßschlitzen vorgelagertes Vorsteuerorgan (7, 14, 15) bei zwischen Verbrennungstakt und Auslaßtakt wieder freiwerdenden Einlaßschlitzen (3, 10), durch Ansaugkanalverschluß ein Abgasrückströmen zur Saugseite verhindert.
2. Viertakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das den Zylindereinlaßschlitzen (3, 10) vorgelagerte Vor steuerorgan als Drehschieber (7) ausgebildet ist.
3. Viertakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das den Zylindereinlaßschlitzen (3, 10) vorgelagerte Vor steuerorgan als Flachschieber (14, 15) ausgebildet ist.
4. Viertakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das den Zylindereinlaßschlitzen (3, 10) vorgelagerte Vor steuerorgan als Rückschlagventil ausgebildet ist. . ·
5. Mehrzylindriger Viertakt-Verbrennungsmotor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch Ansaugkanalzusatnmenführung (13) jeweils zweier benachbarter Zylinder nur ein Vorsteuerorgan (14, 15) die VorSteuerfunktion für beide Zylinder übernimmt.
. 6. Viertakt-Verbrennungsmotor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an dem den Einlaßschlitzen (3, 10) vorgelagerten Vorsteuerorgan (7/ 14, 15) durch veränderliche Ansteuerung eine Einlaßsteuerzeitveränderung vorgenommen werden kann, so daß eine Vollast-Füllungsoptimierung, eine Lastregelung, eine Schubabschaltung sowie eine Zylinderabschaltung bei Me^irzylindermotoren ermöglicht wird.
7. Viertakt-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßventil (6) zentrisch im Zylinderkopf (5) angeordnet ist.
8. Viertakt-Verbrennungsmotor nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (8) bezüglich der Zylinderachse im wesentlichen. rotationssyimetrisch ausgebildet ist.
9. Viertakt-Verbrerjnungsmotor nach den Ansprüchen 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (8) einen gegenüber dem Zylinder reduzierten Durchmesser aufweist.
10. Viertakt-Verbrennungsmotor nach den Ansprüchen 1 und 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (8) unterhalb des zurückgesetzten Auslaßventils (6) im Zylinderkopf (5) angeordnet ist.
11. Viertakt-Verbrennungsmotor nach den Ansprüchen 1 und 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum im Kolben angeordnet ist.