DE4012490A1 - Gemischverdichtende brennkraftmaschine, insb. zweitaktmaschine, mit brennraumspuelung durch frischgaszufuhr - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gemischverdichtende Brennkraftmaschine gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Bekanntlich wird beim Ladungswechsel von fremdgezündeten Zweitakt-Brennkraftmaschi­ nen und gegebenenfalls auch von Viertaktmaschinen so verfahren, daß durch Frischgas­ zufuhr während einer Überschneidung der Öffnungszeiten von Ein- und Auslaßventil bzw. -ventilen das im vorhergehenden Arbeitsspiel im Brennraum entstandene Abgas durch das geöffnete Auslaßventil in eine Abgasleitung verdrängt wird. Ein Nachteil dieses bekann­ ten Verfahrens besteht darin, daß mit fallender Last der Brennkraftmaschine auch die in den jeweiligen Brennraum transportierte Frischgasmenge (Luft bei direkter Kraftstoffein­ spritzung, Kraftstoff-Luft-Gemisch bei Saugrohreinspritzung oder Vergasermaschinen) kleiner wird, so daß mit abnehmender Last der Maschine der Abgasgehalt des Gemischs im Brennraum größer wird, was die Brenngeschwindigkeit und die Vollständigkeit der Verbrennung des Gemischs im Brennraum nachteilig beeinflußt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine zu schaffen, bei der die aus der Verschlechterung der Spülung bei niedrigeren Maschinen­ lasten resultierenden Schwierigkeiten hinsichtlich Verzögerung und Vollständigkeit der Verbrennung sowie hinsichtlich der Verringerung des Wirkungsgrads zumindest verringert sind.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkma­ len des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Unter­ ansprüche.

Durch die einfachen erfindungsgemäßen Maßnahmen wird also zweierlei erreicht: Zum einen wird die Verdichtung der Brennraumfüllung dadurch erhöht, daß unter Wahrung der Mindestgröße des Brennraums (bei einer Hubkolbenmaschine also bei OT-Stellung des Kolbens) mit abnehmender Maschinenlast der Verdichtungshub (im definierten Sinne) ver­ größert wird. Da diese Vergrößerung lediglich durch Änderung von Ventilsteuerzeiten hervorgerufen wird, läßt sich zum anderen beispielsweise bei Ausführung der Erfindung gemäß Patentanspruch 4 eine Vergrößerung der Überschneidung der Öffnungszeiten von Ein- und Auslaßventil erzielen, das heißt eine Vergrößerung derjenigen Zeit (bzw. desje­ nigen Kurbelwinkelintervalls), die zur Spülung zur Verfügung steht.

In den Ansprüchen 3, 5, 7 und 9 sind bestimmte Konstruktionen angegeben, die zur last­ abhängigen Änderung der Ventilsteuerzeiten bei der Erfindung Einsatz finden können. Es sei darauf hingewiesen, daß derartige Konstruktionen an sich dem Fachmann wohlbekannt sind, beispielsweise hinsichtlich verstellbarer Nockenflanken aus der DE-PS 29 30 266 und hinsichtlich der Winkelverstellung von Nocken bzw. Nockenwellen schlechthin aus der US-PS 34 96 918. Die erstgenannte Patentschrift beschreibt im Prinzip eine aus ei­ ner Innenwelle und einer diese aufnehmenden Hohlwelle bestehende Nockenwelle, wobei die beiden Wellen drehfest zumindest Teilnocken tragen, von denen die von der Innen­ welle getragenen mit Spiel Ausnehmungen in der Hohlwelle durchsetzen; bei Relativver­ drehung dieser beiden Wellen ergibt sich eine Änderung der Nockenbreite bzw. eine An­ derung der Lage der Nockenflanken relativ zueinander. Diese Relativverdrehung kann gemäß der genannten Patentschrift durch elektrische Lastsignale hervorgerufen werden. Zur Winkelverstellung einer gesamten Nockenwelle, wie sie die zitierte US-Patentschrift beschreibt, werden die Längen des ziehenden und des gezogenen Trums eines Zahnrie­ mens, der Zahnräder auf der Kurbelwelle der Maschine und auf der Nockenwelle der Ven­ tilsteuerung umschlingt, in Abhängigkeit von Lastsignalen verändert. Da also derartige Konstruktionen zum Stand der Technik gehören, werden sie im folgenden nicht im ein­ zelnen beschrieben.

Ehe Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert werden, sei er­ wähnt, daß die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Verhinderung von Nachteilen aus der an sich vorhandenen Lastabhängigkeit der Spülung gegebenenfalls die Laststeuerung der Brennkraftmaschine, die durch Steuerzeitenänderung, gegebenenfalls eine Füllungssteue­ rung, erfolgen kann, beeinflussen können. Dem tragen die in den Patentansprüchen 10 und 11 angegebenen Maßnahmen Rechnung.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert, deren Fig. 1 bis 6 Ventilsteuerdiagramme bei drei Ausführungsformen der Erfindung jeweils für Vollast- und Teillastbetrieb zeigen, während Fig. 7 schematisch eine Einrich­ tung zur Laststeuerung der Maschine wiedergibt.

In den Fig. 1 bis 6 ist mit OT der Kurbelwinkel der hier angenommenen Hubkolben. Brennkraftmaschine bei OT-Stellung des Kolbens in dem betrachteten Brennraum (Zylin­ der), mit E _ö der Zeitpunkt (oder Kurbelwinkel) des Öffnens, mit E _s der Zeitpunkt des Schließens des Einlaßventils sowie mit A _ö der Zeitpunkt (oder Kurbelwinkel) des Öff­ nens und mit A _s der Zeitpunkt des Schließens des Auslaßventils bezeichnet. Sind dem betrachteten Brennraum mehrere Einlaßventile zugeordnet, so beziehen sich die erfin­ dungsgemäßen Maßnahmen zumindest auf dasjenige Einlaßventil, das im Sinne des Pfeils in den Fig. 1 und 2 als letztes schließt; sind mehrere Auslaßventile vorhanden, so beziehen sich die erfindungsgemäßen Maßnahmen (sofern sie überhaupt das Auslaßventil erfassen) auf dasjenige Auslaßventil, das im Arbeitstakt zuerst öffnet.

In dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 ist angenommen, daß gegenüber den Verhältnissen bei Vollast (Fig. 1) im Teillastbetrieb der Maschine (Fig. 2) der Verdichtungshub vom Wert V _v auf den Wert V _t vergrößert wird. Dies geschieht unter Wahrung eines konstanten Einlaßöffnungswinkels a durch Vorverlegen der beiden Steu­ erzeiten E _ö und E _s des Einlaßventils, so daß zugleich die Überschneidung der Öffnungs­ zeiten von Ein- und Auslaßventil vergrößert wird. Unter dem Verdichtungshub wird da­ bei also derjenige kurbelwinkelbezogene Kolbenweg verstanden, den dieser zwischen dem Abschluß des Brennraums infolge Schließlage aller Ventile und seiner OT-Stellung durch­ mißt. Das letzte Ventil, das geschlossen hat, ist das Einlaßventil mit dem Schließzeit­ punkt E _s .

Abschließend sei zu dem Ausführungbeispiel nach den Fig. 1 und 2 bemerkt, daß sich diese Änderung der Steuerzeiten des Einlaßventils durch die aus der bereits zitierten US-PS 34 96 918 bekannte Konstruktion realisieren läßt; für das Auslaßventil muß dann eine zusätzliche starre Nockenwelle Einsatz finden.

Diese Notwendigkeit des Vorsehens von zwei Nockenwellen erübrigt sich bei der Aus­ führungsform nach den Fig. 3 und 4, wobei in Fig. 3 wiederum die Steuerzeiten bei Vollastbetrieb und in Fig. 4 diejenigen bei Teillastbetrieb aufgetragen sind. Die Dia­ gramme sind gegenüber denjenigen der Fig. 1 und 2 durch den Arbeitshub A _v bei Vollast bzw. A _t bei Teillast ergänzt. Dies ist also derjenige kurbelwinkelbezogene Hub, den der Kolben zwischen seiner OT-Stellung einerseits und dem Öffnen eines ersten Ventils, also des Auslaßventils, andererseits durchmißt. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Öffnungswinkel, also alle Einlaßsteuerzeiten, sowohl des Einlaß- als auch des Auslaßventils bei Teillast gegenüber den Verhältnissen bei Vollast vorverlegt. Dies bedeutet nicht nur eine Vergrößerung des Verdichtungshubs vom Wert V _v auf den Wert V _t , sondern auch eine Verringerung des Arbeitshubs vom Wert A _v auf den Wert A _t . Sind diese Verlegungen der Steuerzeiten beider Ventile gleich groß, kann zum Antrieb beider Ventile eine einzige starre Nockenwelle Einsatz finden, die wiederum einen An­ triebsmechanismus entsprechend demjenigen nach der US-PS 34 96 918 aufweisen kann. Sind die Verlegungen der Steuerzeiten für beide Ventile zwar gleichsinnig, aber unter­ schiedlich groß, kann man mit getrennten Nockenwellen für Ein- und Auslaßventil arbei­ ten, die jede für sich einen derartigen Antrieb aufweisen können.

Während in der Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 zwar der Verdichtungshub vergrößert, aber der Arbeitshub verkleinert wird, zeigen die Fig. 5 und 6 eine Aus­ führungsform, bei der sowohl der Verdichtungshub von einem Wert V _v bei Vollast auf einen Wert V _t bei Teillast als auch der Arbeitshub von einem Wert A _v bei Vollast auf einen Wert A _t bei Teillast vergrößert wird. In diesem Falle müssen zur Steuerung von Ein- und Auslaßventil also zwei Nockenwellen Verwendung finden, die beispielsweise jede über eine Vorrichtung gemäß der US-Patentschrift angetrieben wird, wobei jedoch die Verstellungen in unterschiedlichen Richtungen erfolgen müssen. Man erkennt, daß bei dieser Ausführungsform der Erfindung außer einer Vergrößerung der Hübe auch eine Vergrößerung der Überschneidung der Öffnungszeiten von Ein- und Auslaßventil erfolgt.

Grundsätzlich ist es verständlicherweise auch möglich, lediglich den Schließzeitpunkt E _s lastabhängig vorzuverlegen, dagegen alle anderen Steuerzeiten der Ventile ungeän­ dert zu lassen. Dies läuft auf eine Änderung der Einlaßnockenbreite bzw. der Lage der rückwärtigen Flanke desselben hinaus, wie sie beispielsweise mit der aus der DE-PS 29 30 266 bekannten Konstruktion hervorgerufen werden kann.

Fig. 7 schließlich zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Zylinder einer erfindungs­ gemäß ausgestalteten Brennkraftmaschine. Bei E ist das Einlaßventil, bei A das Auslaß­ ventil angedeutet; diese Ventile stehen in Strömungsverbindung mit dem Einlaßkanal 1 bzw. dem Auslaßkanal 2, in dem ein katalytischer Abgasreiniger 3 angeordnet sein kann. Die Strömungsrichtungen sind durch Pfeile angegeben. Den Ventilen E und A ist die er­ findungsgemäße Verstellung der Steuerzeiten zugeordnet; sie ist durch den Pfeil 4 sym­ bolisiert.

Im Zuge des Einlaßkanals 1 liegt eine luftfördernde Einrichtung 5 nach Art einer Pumpe, zu der der Bypass 6 mit der lastabhängig verstellbaren Drosselklappe 7 vorgesehen ist.

Mittels der Drosselklappe 7 kann zur Laststeuerung der Maschine der Druck am Einlaß­ ventil geändert werden.

Mit der Erfindung ist demgemäß eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine geschaffen, bei der aus der an sich vorhandenen Lastabhängigkeit der Brennraumspülung mittels Frischgas resultierende Nachteile hinsichtlich Verbrennung und Teillastwirkungsgrad zumindest vermindert sind.

Claims (11)

1. Gemischverdichtende Brennkraftmaschine, insbesondere Zweitaktmaschine, mit zumin­ dest je einem Ein- und Auslaßventil je Brennraum zum Ladungswechsel und Brenn­ raumspülung durch Frischgaszufuhr bei Überschneidung der Öffnungszeiten von Ein­ und Auslaßventil, wobei der Schließzeitpunkt des Einlaßventils bzw. des letztschließen­ den Einlaßventils den Beginn eines Verdichtungshubs, dagegen der Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils bzw. des zuerst öffnenden Auslaßventils das Ende eines Arbeitshubs im Brennraum definieren, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Vergrößerung des Verdichtungshubs (V _v , V _t ) mit abnehmender Last der Maschine durch lastabhängiges Vorverlegen des Schließzeitpunkts (E _s ) des Einlaßventils (E) bzw. zumindest des letzt­ schließenden Einlaßventils (E) vorgesehen sind.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum last­ abhängigen, betragsgleichen Vorverlegen der Öffnungs- und Schließzeitpunkte (E _ö, E _s ; A _ö , A _s ) aller Ventile (E, A) vorgesehen sind.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß allen Ventilen ei­ ne in sich starre Nockenwelle als Betätigungswelle zugeordnet ist, die außer mit ei­ nem Drehantrieb mit einem Winkelverstellantrieb versehen ist, dem Lastsignale zuge­ führt werden.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum lastab­ hängigen Vorverlegen nur der Öffnungszeit (a) des Einlaßventils (E) bzw. zumindest des letztschließenden Einlaßventils (E) vorgesehen sind.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Einlaßventil (E) bzw. zumindest dem letztschließenden Einlaßventil (E) eine in sich starre Nocken­ welle als Betätigungswelle zugeordnet ist, die außer mit einem Drehantrieb mit einem Winkelverstellantrieb versehen ist, dem Lastsignale zugeführt werden.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum lastab­ hängigen Vorverlegen nur des Schließzeitpunkts (E _s ) des Einlaßventils (E) bzw. zumin­ dest des letztschließenden Einlaßventils (E) vorgesehen sind.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Einlaßventil (E) bzw. zumindest dem letztschließenden Einlaßventil (E) eine Nockenwelle als Betä­ tigungswelle mit einem Öffnungsnocken zugeordnet ist, dessen in Drehrichtung hintere Flanke mittels eines Winkelverstellantriebs, dem Lastsignale zugeführt werden, relativ zu der vorderen Nockenflanke verstellbar ist.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ferner Mittel zur Vergrößerung des Arbeitshubs (A _v , A _t ) mit abnehmender Last der Maschine durch lastabhängiges Rückverlegen des Öffnungszeitpunkts (A _ö ) des Auslaß­ ventils (A) bzw. zumindest des frühestöffnenden Auslaßventils (A) vorgesehen sind.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Auslaßventil (A) bzw. zumindest dem frühestöffnenden Auslaßventil (A) eine in sich starre Nocken­ welle als Betätigungsvorrichtung zugeordnet ist, die außer mit einem Drehantrieb mit einem Winkelverstellantrieb versehen ist, dem Lastsignale zugeführt werden.

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Laststeuerung der Maschine der Frischgasdruck am Einlaßventil (E) veränderbar ist.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Einlaßventil (E) eine Einrichtung nach Art einer Luftpumpe (5) mit einer Umgehungsleitung (6) vor­ geschaltet ist, in der eine lastabhängig betätigte Drossel (7) liegt.