DE3315396A1 - Mehrzylinder-brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, bei der, wenn die Größe der Motorleistung abnimmt, einige ihrer Zylinder abgeschaltet gehalten werden können, während die übrigen weiterarbeiten.

In einem motorbetriebenen Fahrzeug, z.B. einem Automobil od. dgl., müssen alle Zylinder eines Mehrzylindermotors gleichzeitig in Betrieb sein, um eine große, für einen Antrieb unter hohen Lastbedingungen erforderliche Ausgangsleistung zu liefern. Es hat sich jedoch häufig herausgestellt, daß, wenn alle Zylinder gleichzeitig weiterbetrieben werden, auch nachdem die Motorlast kleiner wird, d.h. unter Tei1lastbedingungen, jeder Zylinder dazu neigt, seinen Füllungswirkungsgrad zu vermindern, was einen erhöhten Pumpverlust, einen niedrigeren Verbrennungswirkungsgrad und eine schlechte Brennstoffausnutzung zur Folge hat.

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Um diese Nachteile zu beseitigen, wurden in der einschlägigen Technik mehrere neuartige Lösungen vorgeschlagen, wie beispielsweise in der japanischen Patentanmeldung Nr. 288 770/1975 beschrieben wurde, wonach einige Zylinder im Teillastbetrieb des Motors abgeschaltet werden. Dadurch wird es möglich, daß das Luft/Brennstoffgemisch in konzentrierterer Weise in den Rest der Zylinder eintritt, was eine Steigerung im Verhältnis von Brennstoff zu Fahrstrecke als Ergebnis des verbesserten Verbrennungswirkungsgrads und des verminderten Pumpverlusts zur Folge hat. Nach diesem Stand der Technik können einige Zylidner abgeschaltet werden, indem deren Ein- und Auslaßventil in völlig geschlossener Stellung festgehalten werden.·, wodurch ein weiteres Einströmen von Luft/Brennstoffgemisch in den jeweiligen Zylinder unterbunden wird, um die Verbrennung in diesem zu beenden.

Diese bekannte Technik ist jedoch insofern nicht befriedigend, da aufgrund dessen, daß die in den abgeschalteten Zylindern verbliebene Luft bei jeder Motorumdrehung wiederholt komprimiert und expandiert wird, das Antriebsdrehmoment einer starken Schwankung unterliegt, während der Kolben Ansaug- und Austoßhübe ausführt, obwohl die positiven und negativen Antriebsdrehmomente während derselben Hübe bei zugeschaltetem Zylinder klein genug sein wurden. Das ruft zusammen mit der verminderten Zahl von arbeitenden Zylindern unvermeidlich ein Problem insofern hervor, als der ruhige Motorlauf aufgrund eines Anstiegs in einer primären Schwingungskomponente als ein Ergebnis einer abnormal

großen Schwankung im vom abgeschalteten Zylinder zu erzeugenden Antriebsdrehmoment beträchtlich gestört wird.

Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine zu schaffen, die unter Teillastbedingung ruhig und rund betrieben werden kann.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine zu schaffen, bei der einige Zylinder während eines Tei1lastbetriebes abgeschaltet werden, wodurch der Pumpverlust vermindert und eine Steigerung im Verbrennungswirkungsgrad sowie im Verhältnis von Kraftstoff zu Fahrstrecke erreicht wird.

Diese und andere Ziele der Erfindung werden - kurz ausgedrückt - durch eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erreicht, die wenigstens einen Zylinder, der während eines Teillastzustands des Motors außer Betrieb gesetzt werden kann, wenigstens einen Zylinder, der ohne Rücksicht auf den Lastzustand des Motors seinen Betrieb fortsetzt, und eine Steuereinrichtung umfaßt, die während des Teillastzustands so arbeitet, daß sie das Einlaßventil des abgeschalteten Zylinders in vollkommen geschlossener Lage hält und das Auslaßventil im Ausstoß- sowie im Ansaugtakt in diesem abgeschalteten Zylinder öffnet.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile des Erfindungsgegenstandes werden aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten, in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform deutlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des in einem Mehrzylindermotor gemäß der Erfindung ablaufenden Verbrennungszyklus im Vollastbetrieb; Fig. 2 eine zu Fig. 1 gleichartige Darstellung der in einem abgeschalteten Zylinder ablaufenden Vorgänge; Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Antriebsvorrichtung für das Auslaßventil;

Fig. 4 eine Frontansicht der Vorrichtung von Fig. 3; Fig. 5 eine schematische Darstellung der Strömung von Ansaugluft und Abgas bei einem Mehrzylindermotor, bei dem alle Zylinder gleichzeitig arbeiten;

Fig. 6 eine zu Fig. 5 gleichartige Darstellung der Strömung von Ansaugluft und Abgas bei Teilzylinderbetrieb.

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In den Fig. 1 und 2 sind Verbrennungszyklen bei einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, die z.B. vier Zylinder hat, gemäß der Erfindung dargestellt. Der Verbrennungszyklus des Luft/Brennstoffgemischs von Fig. 1 bezieht sich auf einen Mehrzylindermotor, der unter hoher Last läuft. Die Buchstaben bezeichnen jeweils einen von vier Takten, nämlich (a) den Arbeitstakt, (b) den Ausstoßtakt, (c) den Ansaugtakt und (d) den Verdichtungstakt. Nachdem das Einlaß- und Auslaßventil 2 und 3 geschlossen sind, wird das im Zylinder 1 befindliche Luft /Brennstoffgemisch durch die Zündkerze 4 entzündet, wodurch der Kolben 5 im Verbrennungsund Arbeitstakt nach unten gedrückt wird. Sofort nach der Kraftstoffverbrennung wird das Auslaßventil 3 für den Ausstoßhub geöffnet, anschließend wird das Auslaßventil 3 geschlossen, während das Einlaßventil 2 geöffnet wird, um im Ansaughub Luft/Brennstoffgemisch anzusaugen. Schließlich wird das Einlaßventil 2 geschlossen, um bei aufsteigendem Kolben 5 den Verdichtungstakt auszuführen.

In Fig. 2 ist dagegen der Zyklus in einem Zylinder, der bei Teillast außer Betrieb ist, dargestellt. Der Arbeits- und Ausstoßtakt sind dieselben wie in Fig. 1, jedoch ist der Ansaugtakt unterschiedlich zu Fig. 1(c), da bei Fig. 2(c) das Auslaßventil 3 geöffnet wird, um zum Abgasrohr hin ausgestoßenes Gas wieder zurückzusaugen. Dann wird der Verdichtertakt von Fig. 2(d) ausgeführt, in dem der Kolben angehoben wird, um das Gas im Zylinder bei geschlossenem Ein- und Auslaßventil 2 und 3 zu komprimieren.

Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, liefert jeder Takt das gleiche Arbeitsschema, d.h., Takt (a) in beiden Figuren erbringt ein positives Drehmoment, Takt (d) in Fig. 1 und erbringt ein negatives Drehmoment, die anderen Takte liefern ein kleineres Drehmoment. Das bedeutet, daß der Motor

sehr ruhig und rund drehen kann, und zwar auch im Teillastbetrieb in gleicher Weise wie im Vollastbetrieb.

Die arbeitenden Zylinder können einen nur verminderten Füllungswirkungsgrad des Luft/Brennstoffgemischs liefern, während der Motor leerläuft oder mit kleiner Last betrieben wird. Beispielsweise tritt die Ansaugluft im Leerlauf in den Zylinder mit einem Anfangsdruck von etwa 533 mbar im Negativdruck zur Ansaugung oder von etwa 466 bis 533 mbar im absoluten Druck (angenähert halber Atmosphärendruck) ein, sie wird komprimiert, verbrannt und expandiert. Der Spitzendruck während der Verbrennung beträgt etwa 9,8 - 14,7 bar.

Die dem Spitzendruck im arbeitenden Zylinder entsprechende Drehmomentschwankung kann leicht durch Kompression des Abgases erhalten werden, das einen dem Atmosphärendruck nahen Druck hat. Zusätzlich ermöglicht es die erfindungsgemäße Anordnung, wie erwähnt wurde, daß der abgeschaltete Zylinder in seinem Innendruck eine Änderung genau wie im Betriebszustand erfährt. Beispielsweise können im Fall eines Vierzylindermotors der Kompressions- und der Expansionstakt zweimal bei jeder Umdrehung der Motorhauptwelle erhalten werden, auch wenn zwei Zylinder außer Betrieb gesetzt sind. In Übereinstimmung mit einer vorbestimmten Zündfolge ist das Ergebnis, daß der Innendruck in jedem Zylinder in der gleichen Aufeinanderfolge ansteigt, wie während des Vierzylinderbetriebs, wodurch ein Anwachsen der Biegeschwingung der Hauptwelle des Motors vermieden werden kann.

Die Fig. 3 und 4 zeigen die bauliche Ausbildung der Einrichtung gemäß der Erfindung zur Steuerung des Ein- und Auslaßventils 2 bzw. 3 entsprechend den Lastzuständen des Motors. Eine Nockenwelle 7 ist mit Nocken 7a und 7b versehen, die nahe der Nockenwelle unterschiedliche Profile haben. Ein Kipphebel 8 ist dazu vorgesehen, nach Wahl in antriebsseitige Berührung mit einem der Nocken 7a oder 7b zu kommen. Der Kipphebel 8 ist auf der Kipphebelwelle 9 schwenkbar gelagert und kann längs dieser Welle 9 durch

-Κ Ι Federn 11, 12 und einen Schaltring 10, der ebenfalls auf der Kipphebelwelle 9 drehbar gelagert ist, in axialer Richtung bewegt werden. Die Bewegung des Schaltringes 10 wird mit Hilfe einer Welle 14 gesteuert, die mit einem Stellglied 13 gekoppelt ist. Beidseits des Kipphebels 8 ist an der Kipphebelwelle 9 eine Kipphebelwellenlagerung 10 angeordnet, an deren einer die Welle 14 axial verschiebbar gehalten ist. Um das Auslaßventil 3 aufwärts zu drücken, ist eine Ventilfeder 16 vorgesehen. Der Nocken 7, der Kipphebel 8, der Schaltring 10 und die Federn 11, 12 arbeiten als Steuereinrichtung für die In- und Außerbetriebnahme der Zylinder.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der beschriebenen Vorrichtung erläutert.

Die verschiedenartige Profile aufweisenden Nocken 7a und 7b werden jeweils für die Arbeitsweise des Auslaßventils 3 herangezogen. Der Nocken 7b hat ein solches Profil, daß er das Auslaßventil 3 im Ausstoßtakt öffnet, wie es auch der Nocken 7a tut, und daß er auch das Auslaßventil 3 im Ansaugtakt öffnet. Die erwähnte Betriebsweise kann auch auf das Einlaßventil 2 mit der Ausnahme, daß das Profil . des Nockens 7b für die Abschaltarbeitsweise in der Form eines Nockengrundkreises verläuft, angewendet werden.

Während der Nocken 7a den Kipphebel 8 betätigt, ist eine Bewegung des Kipphebels wegen der starken Reaktionskräfte der Ventilfeder 16 schwierig. In diesem Zustand wird sich der Kipphebel 8, auch wenn sich der Schaltring 10 entsprechend der Betätigung des Stellglieds 13 in Richtung des Pfeils P (Fig. 3) bewegt, nicht in der gleichen Richtung bewegen, es wird nur die Feder 12 gespannt.

Andererseits nimmt die Reaktionskraft der Ventilfeder 16 gegenüber dem Kipphebel 8 ab, wenn dessen Ende mit dem Grundkreisabschnitt 7c des Nockens 7a in Berührung kommt.

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Demzufolge kann eine Betätigung des Stellglieds 13 den Kipphebel 8 in Richtung des Pfeils P bewegen, während die Feder 11 gespannt wird, um den Außenumfang des Nockens 7b mit dem Ende des Kipphebels 8 in Anlage zu bringen. Bei Rückführung des Kipphebels in umgekehrter Richtung (Pfeil Q in Fig. 3) wird dagegen der Kipphebel 8 so eingestellt, daß er sich unter der Kraft der Feder 11 bewegt, wenn der Nocken 7b den Grundkreisabschnitt 7c darbietet. Wenn der Motor vier Zylinder hat., arbeitet die Steuereinrichtung so, daß zwei Einlaßventile 2 und zwei Auslaßventile 3 jeweils betätigt werden, während die übrigen Zylinder in Betrieb bleiben. Die Ein- und Auslaßventile der in ihrem Betrieb ohne Rücksicht auf die Motorlast fortfahrenden Zylinder werden mit Hilfe eines Nockens mit einem' einzigen

IS Profil betätigt. Das Stellglied 13 wird im "An/Aus"-Betrieb durch ein Solenoid gesteuert.

In der oben beschriebenen Weise wird der Kipphebel 8 in axialer Richtung in Abhängigkeit vom Arbeiten des Stellglieds 13 und entsprechend der Größe der Reaktionskraft der Ventilfeder 16 bewegt, und durch Herbeiführen einer Gleitberührung des Endes des Kipphebels 8 nach Wahl mit einem der beiden Nocken 7a oder 7b wird es möglich, im Ansaugtakt das Einlaßventil 2 zu schließen und das Auslaßventil 3 zu öffnen, um Abgas in die Brennkammer zurückzusaugen, während eine Kompression des Gases durch Schließen des Ein- und Auslaßventils im Verdichtungstakt bewirkt wird, so daß eine Drehmomentänderung bewirkt wird,

die derjenigen im Zylidner bei dem üblichen Betrieb gleichen

artig ist, und das Drehen des Motors ruhig und rund abläuft.

Wenn bei der beschriebenen Betriebsweise der Motor unter Vollastbedingung läuft, so wird das Luft/Brennstoffgemisch wie Fig. 5 zeigt, durch den Vergaser 17 und die Drosselklappe 18 in die vier Zylinder eingesaugt, in diesen verbrannt sowie verdichtet und aus dfesen schließlich durch das geöffnete Auslaßventil 3 über das Abgasrohr 19 zum Katalysator 20 hin ausgestoßen. Die innerhalb des Abgasrohrs 19

vorgesehene Trennwand 21 dient der Trennung der einander benachbarten Zylinderpaare.

Wenn dann der Motor unter Teillast betrieben wird, so werden die beiden in Fig. 6 links liegenden Zylinder abgeschaltet, und das Verbrennungsgas wird im Ansaugtakt in diese gesaugt, während die übrigen Zylinder in der im wesentlichen gleichen Weise, wie in Fig. 5 gezeigt ist, weiterarbeiten.
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Bei der beschriebenen Ausführungsform gemäß der Erfindung wurden Vierzylindermotoren behandelt. Die gleiche Wirkung kann jedoch auch bei Sechszylindermotoren erhalten werden, wobei drei Zylinder abgeschaltet werden, weil die Innendruck änderung in den Zylindern das gleiche Schema sowohl im Betriebs- wie im Nichtbetriebszustand bietet. Ferner ist die Zündfolge der Zylinder nicht auf die beschriebene Ausführungsform begrenzt, sondern es ist jegliche übliche Kombination anwendbar.

Der hier beschriebene Schaltmechanismus zur Steuerung von Ein- und Auslaßventilen stellt lediglich einen Vorschlag für eine konkrete Vorrichtung dar; die Konstruktion kann in verschiedenartiger Weise, z.B. mit hydraulischem oder elektrischem Antrieb, ausgebildet sein.

Wei sich aus der vorstehenden Beschreibung klar ergibt, macht es eine gemäß der Erfindung ausgebildete Mehrzylinder-Brennkraftmaschine möglich, daß nur das Auslaßventil an dem abgeschalteten Zylinder betätigbar ist und daß Abgas aus dem Abgaskanal während des Ansaugtakts rückgesaugt und dann verdichtet und ausgestoßen wird, um eine Drehmomentänderung zu entwickeln, die der im üblichen Motorbetrieb erzeugten gleichartig ist. Dadurch kann die primäre Vibrationskomponente herabgesetzt werden, wodurch im Teil-

ι lastbetrieb der Motorlauf ruhig und rund wird, während zugleich der Verbrennungswirkungsgrad gesteigert und das Verhältnis von Brennstoff zu Fahrstrecke verbessert werden, was eine Folge der gesteuerten Anzahl von arbeitenden Zy-

5 lindern ist.

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- Leerseite -

Claims (1)

1. P a tent a nsprüche

   20

   Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit wenigstens einem im Teil- sowie im Vollastbetrieb arbeitenden Zylinder und mit wenigstens einem, während die übrigen Zylinder im Betrieb sind, abschaltbaren Zylinder, gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung, die das Einlaßventil (2) des abschaltbaren Zylinders (1) im Teillastbetrieb schließt und das Auslaßventil (3) dieses Zylinders (1) sowohl im Ausstoß- wie im Ansaugtakt öffnet.

   Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine als Vierzylindermotor ausgebildet ist, wobei im Teillastbetrieb zwei Zylinder abschaltbar sind, während der Rest der Zylinder in Betrieb bleibt.

   -2-

   3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine als Sechszylindermotor ausgebildet ist, wobei im Teillastbetrieb drei Zylinder abschaltbar sind, während der Rest der Zylinder in Betrieb bleibt.

   4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung eine Kipphebelwelle (9), einen mit Bezug zur Kipphebelwelle schwenkbar sowie in deren Achsrichtung verschiebbar gelagerten Kipphebel (8), der am Ventil (3) des abschaltbaren Zylinders angeordnet ist, und eine Nockenwelle (6) mit zwei Nocken (7a, 7b) von unterschiedlichem Profil, die nach Wahl mit dem Kipphebel im Vollast- bzw. Teillastzustand des Motors zur Anlage zu bringen sind, umfaßt.