DE3508763A1 - Brennkraftmaschine mit mehreren einlassventilen - Google Patents

Brennkraftmaschine mit mehreren einlassventilen

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Toshinari Susono Shizuoka Nagai
Norihisa Susono Shizuoka Nakagawa
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit mehreren Einlaßventilen für jeden Zylinder zur Verbesserung der Verbrennung.
Zum Stand der Technik sind Brennkraftmaschinen mit zwei Einlaßventilen für jeden Zylinder bekannt, wie beispielsweise die japanischen Patent-Offenlegungsschriften 52 - 340108, 54 - 84128, 58 - 172424 und 58 - 1725514 zeigen. Diese Brennkraftmaschinen haben einen ersten Saugkanal mit einer schraubenförmigen Gestalt, einen zweiten Saugkanal von gerader Gestalt und ein im ersten Saugkanal angeordnetes Kraftstoff-Einspritzventil. Diese Bauart eines Motors zielt darauf ab, ein geschichtetes brennbares Gemisch im Brennraum zu erzeugen, um eine magerere Verbrennung zu erreichen.
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Biyer Vereirishank (München) Kto 508 941
Posischeck (München) Kto 670-43-804
Ferner kann im zweiten Saugkanal ein Einlaßregelventi1 vorgesehen werden, wobei das Kraftstoff-Einspritzventil zwischen dem Einlaß- sowie dem Einlaßregelventi1 angeordnet ist, wie die japanischen Patentanmeldungen 58 - 228329 und 59 - 69176 offenbaren. In diesem Fall wird die Ventilbetätigung zeitlich so eingestellt, daß der zweite Saugkanal später als der erste Saugkanal geöffnet wird. Wenn das Einlaßregelventil geschlossen ist, so wird Luft zuerst nur durch den ersten Saugkanal in den Brennraum eingeführt, worauf anschließend der Kraftstoff eingefördert wird. Insofern wird eine gute Schichtung des Gemischs erhalten, wobei das Gemisch nahe dem Kolben mager und nahe dem Zylinderkopf, an dem die Zündkerze angeordnet ist, fett ist. Das ermöglicht eine gute Verbrennung mit einem insgesamt mageren Gemisch. Bei dieser Konstruktion wird der Öffnungszeitpunkt des zweiten Einlaßventils später gelegt als derjenige des ersten Einlaßventils.
Bei dieser Anordnung tritt jedoch ein wesentliches Problem auf. Weil das zweite Einlaßventil in einer späteren Stufe des Ansaugtaktes offen ist, wird durch den zweiten Saugkanal, wenn das Einlaßregelventil offen ist, weniger Luft eingefördert.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Brennkraftmaschine zu schaffen, mit der man in der Lage ist, im Brennraum ein stark oder sehr geschichtetes brennbares Gemisch während niedriger Lastzustände des Motors zu erhalten, um die Magergrenze des zu verbrennenden Gemischs zu erhöhen, und in der Lage ist, eine hohe Leistung während hoher Lastzustände durch Einführen von mehr Luft zur Verfugung zu stellen.
Erfindungsgemäß wird eine Brennkraftmaschine geschaffen, die einen Zylinderblock und einen daran zur Abgrenzung von Zylindern befestigten Zylinderkopf aufweist, wobei in jeden der Zylinder ein Kolben eingesetzt ist, über dem ein Brenn-
raum abgegrenzt ist. Diese Brennkraftmaschine umfaßt Einrichtungen, die einen ersten, zweiten sowie dritten Saugkanal bilden, die jeweils mit dem Brennraum eines jeden Zylinders in Verbindung stehen. Die erste, einen Saugkanal bildende Einrichtung hat eine schraubenförmige Ausgestaltung, so daß im Brennraum ein Wirbel erzeugt werden kann. Jeweils im ersten, zweiten und dritten Saugkanal sind ein zugeordnetes erstes, zweites und drittes Einlaßventil vorgesehen, die mit dem Kolben in Wirkverbindung stehen. Ein erstes Einlaßregelventil ist stromauf vom zweiten Einlaßventil in der zweiten, einen Saugkanal bildenden Einrichtung, ein zweites Einlaßregelventil ist in der dritten, einen Saugkanal bildenden Einrichtung stromauf vom dritten Einlaßventil angeordnet. Betätigungseinrichtungen für die EinlaßregelventiIe sprechen auf Betriebszustände des Motors an. Ein Kraftstoff-Einspritzventil ist zwischen dem dritten Einlaßventil und dem zweiten Einlaßregelventil in der dritten, einen Saugkanal bildenden Einrichtung angeordnet. Die gestellte Aufgabe wird mit einer Brennkraftmaschine, die den obigen Aufbau aufweist, gelöst.
Der Erfindungsgegenstand wird anhand der Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt sind, erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Zylinders einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung in einem
waagerechten Schnitt;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine von Fig. 1 im lotrechten Schnitt;
Fig. 3 ein Kurvenbild zu den Hubkennlinien der Ventile; Fig. 4 einen zu Fig. 1 ähnlichen Schnitt für eine andere Ausführungsform gemäß der Erfindung.
Die in den Fig. 1 und 2 schematisch gezeigte Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung weist, wie das üblich ist, einen Zylinderblock 2 sowie einen Zylinderkopf 4 auf. Im Zy-
linder befindet sich ein Kolben 6, über dem ein Brennraum 8 abgegrenzt ist. Am Zylinderkopf 4 ist mittig zum Brennraum 8 eine Zündkerze 10 angebracht.
Von einem Saugrohr oder Ansaugkrümmer 11 geht ein gemeinsamer Einlaßkanal 12 aus, der durch Trennwände 14 in drei Saugkanäle oder Zulaufbohrungen 16, 17 und 18 unterteilt ist, die unabhängig voneinander im Brennraum 8 münden. Am Verbindungsbereich zwischen einem jeden der drei Saugkanäle 16, 17, 18 und dem Brennraum 8 ist jeweils ein Einlaßventil 20, 21 und 22 vorgesehen.
Der erste Saugkanal 17 verläuft in bekannter Weise schraubenförmig um den (nicht gezeigten) Ventilstößel des ersten Einlaßventils 20, so daß, wie durch den Pfeil A in den Fig. 1 und 2 angedeutet ist, ein Wirbel im Brennraum 8 durch die den ersten Saugkanal 16 durchströmende Luft erzeugt wird.
Der zweite Saugkanal 17 verläuft im allgemeinen gerade, er ist jedoch etwas versetzt, so daß die den zweiten Saugkanal 17 durchströmende Luft in zur Richtung der Luftströmung im ersten Saugkanal 16 gleichen Richtung strömt.
Der dritte Saugkanal 18 verläuft im allgemeinen gerade zwischen dem ersten sowie zweiten Saugkanal 16 und 17 zur Zündkerze 10 hin. Wie zu sehen ist, ist der Querschnitt des dritten Saugkanals 18 -und damit der des dritten Einlaßventils 22- geringer als derjenige der beiden anderen Saugkanäle 16, 17 und damit geringer als der der Einlaßventile 20 und 21.
Die Einlaßventile 20, 21 und 22 werden in üblicher Weise durch Nocken 49 (s.Fig. 2), die mit einer (nicht gezeigten) Kurbelwelle des Motors Verbindung haben, betätigt.
An einer dem stromaufwärtigen Ende der Trennwände 14 nahegelegenen Stelle sind im zweiten sowie dritten Einlaßkanal 21 und 22 je ein Einlaßregelventi1 24 bzw. 25 angeordnet, die den jeweiligen Einlaßkanal 17 bzw. 18 absperren können, wenn die Motordrehzahl und die Motorlast unter vorbestimmten Werten sind, und öffnen können, wenn die Motordrehzahl und -last über diesen Werten liegen. Die Betätigungseinrichtung für die EinlaßregelventiIe 24 und 25 umfaßt eine Schaltstange 28 sowie einen Unterdruck-Membranstellantrieb 30, wobei die Schaltstange mit Schäften der Einlaßregelventile 24, 25 verbunden ist. Der Unterdruck-Membranstellantrieb 30 weist in seinem Gehäuse eine Membran 32 auf, wodurch auf der einen Seite der Membran 32 eine Luftkammer 34, auf der anderen Seite eine Unterdruckkammer 36 gebildet werden. Die Schaltstange 28 ist an der Membran 32 befestigt, so daß die Einlaßregelventile 24 und 25 durch Einwirkenlassen des Unterdrucks auf die Unterdruckkammer 36 oder durch Aufheben des Unterdrucks in dieser Kammer 36 ge- f steuert werden können.
Der Unterdruck wird von einem Vakuumbehälter 38 über ein Dreiwege-Magnetventil 40 in der Kammer 36 zur Wirkung gebracht. Der Vakuumbehälter 38 ist mit dem Saugrohr 11 über ; ein Rückschlagventil 42 verbunden. Das Magnetventil 40 wird I unter Steuerung von einem Steuergerät 44 betätigt, um in ausgewählter Weise die Unterdruckkammer 36 mit dem Vakuum- ' behälter 38 oder mit der Atmosphäre zu verbinden. Das Steu- j ergerät 44 kann von einem üblichen digitalen Mikrocomputer ! mit beispielsweise einer Zentraleinheit, einem Speicher mit freiem Zugriff und einem Festspeicher gebildet sein und empfängt mehrere Eingänge von Gebern, z.B. einen Eingang
"a" von einem Luftströmungsmesser, einen Eingang "b" von einem Motordrehzahlfühler, einen Eingang "c" von einem Drosselklappenfühler, einen Eingang von einem Kurbelwinkelfühler usw., und gibt ein Steuersignal an das
Magnetventil 40 ab. Ferner führt das Steuergerät 44 dem Kraftstoff-Einspritzventil 46, das im dritten Saugkanal zwischen dem dritten Einlaßventil 22 und dem zweiten Einlaßregelventil 25 angeordnet ist, ein Steuersignal zu.
Jedes Einlaßventil 20, 21, 22 wird jeweils von einem Nokken 49 an der Nockenwelle betätigt, wobei der Ventilbetätigungszeitpunkt und der Ventilhub jeweils in Übereinstimmung mit dem Profil des Nockens festgesetzt werden. Die Fig. 3 zeigt ein bevorzugtes Beispiel für den Hub eines jeden Einlaßventils 20, 21 und 22 mit Bezug zum Kurbelwinkel. Die Kurve X in Fig. 3 gibt die Hubkennkurve der Einlaßventile 20 und 21 an, die, wie zu erkennen ist, an einem Punkt P im Auspufftakt des Motors geringfügig vor dem oberen Totpunkt (OT) zum öffnen und an einem Punkt Q im Kompressionstakt geringfügig nach dem unteren Totpunkt (UT) zum Schließen gebracht werden. Wie die Kurve Y zeigt, wird das dritte Einlaßventil 22 am Punkt R im Saugtakt nahe der Mitte zwischen dem oberen und unteren Totpunkt zum öffnen sowie am Punkt S im Kompressionstakt zeitlich nach dem Punkt Q, an dem das erste und zweite Einlaßventil 20, 21 geschlossen werden sollen, zum Schließen gebracht. Daraus wird klar, daß der Öffnungszeitpunkt R des dritten Einlaßventils 22 im Saugtakt später als der Öffnungszeitpunkt P der beiden anderen Einlaßventile 20 sowie 21 festgesetzt wird, während der Schließzeitpunkt S des dritten Einlaßventils 22 im Verdichtungstakt später als der Schließzeitpunkt Q der beiden anderen Einlaßventile 20 sowie 21 festgesetzt wird. Es ist nicht immer notwendig, das erste und zweite Einlaßventil 20 und 21 gleichzeitig zu betätigen.
Wie schon gesagt wurde, können die EinlaßregelventiIe 24 und 25 in Abhängigkeit von der Stellung einer Drosselklappe, vom Unterdruckpegel des Motorsaugrohres, von der Motordrehzahl oder anderen Motorbetriebsparametern für besondere
Motorkonstruktionen betätigt werden, so daß die Einlaßregelventile geschlossen werden, wenn sowohl die Motordrehzahl wie die -last unter jeweils vorbestimmten Werten liegen, und geöffnet werden, wenn entweder die Motordrehzahl oder die Motorlast über dem jeweils vorbestimmten Wert ist.
Ferner wird das Kraftstoff-Einspritzventil 46 vorzugsweise unabhängig für jeden Zylinder derart betätigt, daß wenigstens dann, wenn die EinlaßregelventiIe 24 und 25 geschlossen sind, jedes Einspritzventil 46 betätigt wird, wie die Linie Z in Fig. 3 zeigt, um an einem dem oberen Totpunkt des Saugtaktes nahegelegenen Punkt zu öffnen, so daß das öffnen des dritten Einlaßventils 22 kurz nach dem Beginn des Tätigwerdens des Einspritzventils 46 folgt und der eingespritzte Kraftstoff völlig in den Brennraum 8 gefördert werden kann, während das dritte Einlaßventil 22 noch offen ist.
Zu diesem Zweck ist es vorzuziehen, den Beginn des Tätigwerdens des Kraftstoff-Einspritzventils 46 innerhalb eines Bereichs von mehreren Dutzend Kurbelwinkelgraden nach dem oberen Totpunkt im Ansprechen auf die Motordrehzahl oder -last veränderbar zu machen. Dieser Zeitpunkt steht in enger Beziehung zum Betätigungszeitpunkt des dritten Einlaßventils 22. Es ist auch möglich, alle Kraftstoff-Einspritzventile 46 gleichzeitig zu betätigen, wenn die Einlaßregelventile 24 und 25 offen sind.
Während die EinlaßregelventiIe 24, 25 geschlossen sind, wird Luft in den Brennraum 8 durch den ersten Saugkanal 16 nur eingeführt, wenn sich das erste Einlaßventil 20 öffnet, jedoch strömt keine Luft trotz der Offenstellung des zweiten Einlaßventils 21 durch den zweiten Saugkanal 17, weil das erste Einlaßregelventi1 24 geschlossen ist. Durch den ersten Saugkanal 16 eingeführte Luft erzeugt ei-
nen Wirbel im Brennraum 8, wie durch den Pfeil A (Fig. 1 und 2) angegeben ist. Während des Einführens von Luft wird vom Einspritzventil 46 im dritten Saugkanal 18 zwischen dem dritten Einlaßventil 22 und dem zweiten Einlaßregelventi 1 25, wenn diese Ventile 22, 25 geschlossen sind, Kraftstoff eingespritzt, der hier eine kurze Zeitspanne verweilt, um verdampft zu werden. Anschließend wird das dritte Einlaßventil 22 geöffnet.
Da das dritte Einlaßventil 22 an einem Punkt S im Verdichtungstakt des vorherigen Zyklus geschlossen war, wie sich
aus Fig. 3 ergibt, ist im Saugkanal 18 zwischen dem dritten Einlaßventil 22 und dem zweiten Einlaßregelventil 25 ein erheblicher Druck gehalten worden. Somit kann das Luft-Kraftstoff-Gemisch mit Macht in den Brennraum 8 einströmen, wenn das dritte Einlaßventil 22 geöffnet wird, und zwar trotz der Schließlage des zweiten Einlaßregelventils 25. Dieses Gemisch wird von der wirbelnden Luft mitgeführt, um sich im Brennraum 8 auszubreiten.
Es ist also festzuhalten, daß nur Luft zuerst eingeführt wird, wenn das erste Einlaßventil 20 geöffnet wird, womit im Brennraum 8 der Wirbel hervorgerufen wird. Mit der Abwärtsbewegung des Kolbens 6 (Fig. 2) wird dann das dritte Einlaßventil 22 geöffnet, um in den Brennraum 8 das fette Gemisch einzuführen, das von der wirbelnden Luft mitgeführt wird und sich zum Kolben 6 hin fortbewegt, jedoch wird nahe dem Kolben 6 Luft eingeführt. Somit ist das Gemisch in der Nähe des Zylinderkopfes 4 relativ fett. Dann beginnt der Kolben 6 mit seiner Aufwärtsbewegung, wonach das erste Einlaßventil 20 geschlossen wird. In diesem Augenblick ist gemäß dem Kurvenbild von Fig. 3 das dritte Einlaßventil 22 noch offen, womit das fette Gemisch vom dritten Saugkanal 18 noch weiter einströmen kann. Dieses fette Gemisch verbleibt nahe dem Zylinderkopf 4, wo sich die Zündkerze 10 befindet. Dann wird das dritte Einlaßventil 22 geschlossen.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung deutlich wird, wird eine gute Schichtung des brennbaren Gemischs erreicht, wobei dieses nahe dem Zylinderkopf 4 fett und nahe dem Kolben 6 mager ist. Diese Schichtung kann durch den Wirbel auch dann aufrechterhalten werden, wenn der Kolben 6 in seiner Aufwärtsbewegung fortfährt. Es ist deshalb möglich, eine gute Verbrennung durch ein insgesamt relativ mageres Gemisch zu erhalten, wobei die Zündkerze 10 den oberen, fetten Anteil des geschichteten Gemischs leicht zünden kann und sich von da die Flamme ausbreitet. Damit werden eine Kraftstoffersparnis und eine Verminderung in der Um-
weltverschmutzung durch Abgase wie auch eine erhöhte Rate in der Abgasrückführung ermöglicht. Es ist zu bemerken, daß der Schließzeitpunkt S des dritten Einlaßventils 22 im Verdichtungstakt so festgesetzt wird, daß ein erheblicher Druck im dritten Saugkanal 18 gehalten werden kann, nachdem das dritte Einlaßventil 22 geschlossen ist, so daß dieser Druck dazu beiträgt, das Gemisch bei öffnen des dritten Einlaßventils 22 mit Macht aus dem dritten Saugkanal 18 auszustoßen.
In diesem Zusammenhang muß darauf geachtet werden, daß der Schließzeitpunkt des dritten Einlaßventils 22 nicht zu spät liegt, denn wenn das im Verdichtungshub der Fall ist, so wird der im dritten Saugkanal 18 gehaltene Druck zu hoch, womit der Wirbel dann zerstört wird, was eine geringere Schichtung zum Ergebnis hat.
Während die EinlaßregelventiIe 24 und 25 offen sind, kann durch alle drei Saugkanäle 16, 17, 18 Luft in den Brennraum 8 eingeführt werden, um einen höheren Füllungsgrad herbeizuführen, so daß eine höhere Leistung bei hoher Last und hoher Geschwindigkeit mit vermehrtem Kraftstoff erhalten wird. Der Öffnungszeitpunkt des dritten Einlaßventils 22 liegt auch später als derjenige der anderen Einlaßventile 20 und 21, jedoch kann der zweite Saugkanal 17 einen Quer-
schnitt haben, der groß genug ist, um eine große Luftmenge hindurchzuführen, so daß eine hohe Leistung erhalten wird. Es ist klar, daß eine Schichtung des Gemischs in einem gewissen Ausmaß unter diesen Umständen erreicht werden kann.
Die in Fig. 4 gezeigte weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung ist grundsätzlich derjenigen von Fig. 1 gleichartig, weshalb gleiche Bauelemente mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind. Während bei der Ausführungsform von Fig. 1 zwei Auslaßventile 50 in Gegenüberlage zu den Einlaßventilen 20 , 21 bzw. 22 angeordnet waren, ist bei der Ausführungsform von Fig. 4 nur ein solches Aus IaP-venti1 50 für jedes der Einlaßventile 20, 21 und 22 vorhanden. Darüber hinaus liegt das dritte Einlaßventil 22 an der Stelle, an der bei der vorherigen Ausführungsform das zweite (nun nicht mehr vorhandene) Auslaßventil angeordnet war. Der dritte Saugkanal 18 ist demzufolge mit dem Einspritzventil 46 ausgestattet, und in diesem Kanal 18 ist das zweite Einlaßregelventil 25 angeordnet. Der dritte Saugkanal 18 eines jeden Zylinders ist jeweils an einen gemeinsamen Kanal 54 angeschlossen, der seinerseits wieder mit dem Saugrohr stromab von einer Drosselklappe 56 verbunden ist.
Erfindungsgemäß weist somit eine Brennkraftmaschine drei Saugkanäle und drei Einlaßventile für jeden Zylinder auf. Der erste Einlaßkanal ist schraubenförmig ausgestaltet. Die beiden verbleibenden Saugkanäle sind mit Einlaßregel ventilen versehen, die öffnen, wenn die Motordrehzahl und -last groß sind, und schließen, wenn die Motordrehzahl und -last niedrig sind. Somit wird abwechselnd Luft nur vom ersten Saugkanal oder von allen Saugkanälen eingeführt. Kraftstoff wird in den dritten Saugkanal zwischen dem zugeordneten Einlaßventil und Einlaßregelventi1 eingespritzt.
Wie im einzelnen erläutert wurde, ist es durch die Erfindung möglich, eine gute Schichtung des Gemischs herbeizuführen, wobei das Gemisch nahe dem Kolben relativ mager und nahe der Zündkerze im wesentlichen fett ist. Damit wird eine gute Verbrennung durch ein insgesamt mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch erreicht, wodurch Brennstoffeinsparungen und eine geringere Luftverschmutzung erzielt werden, wie es auch möglich ist, eine höhere Leistung bei einer hohen Last und hohen Drehzahl des Motors zu erhalten.

Claims (5)

  1. Patentansprüche
    Brennkraftmaschine mit einem Zylinderblock, mit einem daran befestigten Zylinderkopf, mit vom Zylinderblock und -kopf bestimmten Zylindern, von denen jeder einen Kolben enthält, und mit einem oberhalb des Kolbens abgegrenzten Brennraum, gekennzeichnet
    - durch mit dem Brennraum (8) eines jeden Zylinders in Verbindung stehende erste, zweite und dritte Saugkanäle (16, 17, 18), von denen der erste Saugkanal (16) eine schraubenförmige, einen Wirbel im Brennraum erzeugende Ausgestaltung hat,
    - durch je ein für den jeweils ersten, zweiten und dritten Saugkanal vorgesehenes Einlaßventil, die mit dem Kolben antriebsseitig in Verbindung sind,
    - durch ein erstes Einlaßregelventi1 (24), das im zweiten Saugkanal (17) stromauf vom zweiten Einlaßventil
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    (21) angeordnet ist, und ein zweites Einlaßregel ventil (25), das im dritten Saugkanal (18) stromauf vom dritten Einlaßventil (22) angeordnet ist,
    - durch eine auf Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine ansprechende Betätigungseinrichtung (30, 40, 44) für die EinlaßregelventiIe (24, 25) und
    - durch ein im dritten Saugkanal (18) zwischen dem dritten Einlaßventil (22) sowie dem zweiten Einlaßregelventil (25) angeordnetes Kraftstoff-Einspritzventil (46).
  2. 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungszeitpunkt (R) des dritten Einlaßventils (22) so festgesetzt ist, daß das dritte Einlaßventil später öffnet als die beiden anderen Einlaßventile (20, 21).
  3. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Einlaßventil (22) eine geringere Abmessung hat als die Abmessung der beiden anderen Einlaßventile (20, 21).
  4. 4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schließzeitpunkt (S) des dritten Einlaßventils (22) so festgesetzt ist, daß das dritte Einlaßventil später schließt als die beiden anderen Einlaßventile.
  5. 5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn der Tätigkeit des Kraftstoff-Einspritzventils (46) im Ansprechen auf die Motordrehzahl und Motorbelastung mit Bezug auf den Kurbelwinkel veränderbar ist.
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