DE4021204C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Aufladung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufladung von Viertaktbrennkraftmaschinen, bei der die Druck- und Strömungsenergie (Enthalpie) des Abgasstroms zur Beschleunigung und Verdichtung der Ansaugluft vor dem Brennraum ausgenutzt wird, mit einem Zylinderkopf einer luft- oder gemischansaugenden Viertaktbrennkraftmaschine, mit einem Überströmkanal zur umittelbaren Verbindung eines Auslaßkanals mit einem Ansaugkanal desselben Zylinders, wobei im Überströmkanal ein steuerbares Absperrorgan vorgesehen ist, und wobei die Einmündung des Überströmkanals in den Auslaßkanal nach Art einer Injektordüse ausgebildet ist. Darüber hinaus hat die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung zum Gegenstand.

Die Nutzung der Strömungsenergie des Abgases einer Vier­ taktbrennkraftmaschine zur Verbesserung der Zylinderladung ist seit langem bekannt und hat sich sowohl in der Kraft­ fahrzeugtechnik als auch bei Stationärmotoren durchge­ setzt. Dies trifft für gemischansaugende und luftansaugende Brennkraftmaschinen zu, die hiermit beide angesprochen sind, auch wenn im folgenden ausschließlich von Ansaug- oder Ladeluft die Rede ist.

Vorherrschend ist die Aufladung mit Strömungsmaschinen in Form von Abgasturboladern (Büchi), daneben hat auch die Stoßwellenaufladung (Comprex) bereits in die Serie Eingang gefunden.

Die hiermit bezeichneten Lösungen erfordern einen nennens­ werten apparativen Aufwand in Form einer zusätzlichen Strömungsmaschine bzw. Impulstauschereinheit.

Aus der DE-OS 24 52 219 ist es bekannt, eine Luftansaug­ leitung strömungsmäßig parallel zu einem vor dem Schalldämpfertopf liegenden Teilstück einer Abgasleitung parallel zu führen, wobei in einer Trennwand zwischen beiden in die Abgasleitung mündende Injektoröffnungen vorgesehen sind. Hierdurch soll die Luftsäule in der Ansaugleitung beschleunigt werden, so daß eine verbesserte Zylinderladung möglich wird.

Das hiermit beschriebene Verfahren setzt bei ungesteuerter Verbindung zwischen Ansaugleitung und Abgasleitung eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine voraus. Um den Nachteil einer möglichen Reflexion der beschleunigten Luftsäule an einem geschlossenen Einlaßventil zu vermeiden, sind in besonderer Ausgestaltung Rückschlagklappen in den einzelnen Ansaugkrümmern hinter der Injektoranordnung vorgesehen.

Aus der DE-OS 21 35 368 und der DE-PS 22 05 573 ist es bekannt, den in der Abgasleitung eines Zylinders nach dem Öffnen des Auslaßventils dem ersten Druckstoß folgenden Unterdruck auf die Ansaugluftsäule eines zweiten Zylinders, der gegenüber dem ersten um eine Halbperiode des Arbeitsspiels phasenverschoben ist, einwirken zu lassen. In der Verbindungsleitung sind Rückschlagmittel sowie vom Ventiltrieb angetriebene Steuermittel in weiterer Ausgestaltung vorgesehen. Auch diese Anordnung setzt eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine voraus.

Aus der DE-AS 10 45 158 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, deren Wirkungsweise darin besteht, daß die Ansaugluft vor dem Brennraum dadurch beschleunigt wird, daß ein Überströmkanal vom Ansaugkanal in den Auslaßkanal führt, der nach Art einer Injektordüse ausgebildet ist.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art und ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung vorzuschlagen, das bei geringem technischen Aufwand eine nochmals verbesserte Wirkung vermittelt und auch an Einzylindermotoren zur Anwendung kommen kann.

Die Lösung besteht darin, daß im Auslaßkanal stromab von der Injektordüse ein periodisch steuerbares Absperrorgan vorgesehen ist. Gemäß dem Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung wird etwa beim Öffnen des Einlaßventils die Überleitung des beschleunigten Ansaugluftstroms in den Abgasstrom unterbrochen. Es wird demgemäß beim Öffnen des Auslaßventils und dem damit verbundenen hochenergetischen Druckstoß in der Abgasleitung die Luftsäule vor dem Einlaßventil über eine Überleitungsstrecke am noch geschlossenen Einlaßventil vorbei nach dem Injektorprinzip beschleunigt, wobei die Überleitung etwa beim folgenden Öffnen des Einlaßventiles beendet wird und die kinetische Energie aufweisende Luftsäule dem Zylinder im Ansaugtakt zugeführt wird, wodurch der Füllungsgrad verbessert werden kann.

Eine weitere Verbesserung des hiermit angegebenen Verfahrens läßt sich dadurch erzielen, daß vor dem Schließen des Einlaßventils eine Reflexion im Abgasstrom bewirkt wird und eine rücklaufende Druckwelle durch die offenstehende oder wieder zu öffnende Uberleitung in die Ansaugleitung geleitet wird, so daß sich der Zylinderdruck vor Schließen des Einlaßventils nochmals wirksam erhöht. Hierzu kann auch das Auslaßventil nochmals geöffnet werden, so daß die Druckwelle unmittelbar über dieses zurückläuft um den Zylinderdruck wirksam zu erhöhen.

Die erforderlichen Kanallängen und die Steuerzeiten für die entweder selbstätig druckabhängigen oder ggf. zu betätigenden Steuerorgane sind sorgfältig abzustimmen. Hierbei kann es erforderlich sein, die Steuerzeiten dreh­ zahlabhängig zu variieren.

Die Vorrichtung wird hierbei mit kürzestmöglichen Überströmkanälen zur Ausführung gebracht, während bei Verbindungen zwischen unterschiedlichen Zylindern nach dem Stand der Technik die Druckverluste in den langen Leitungen sowie an der Mehrzahl von Steuerelementen die zu erzielende Wirkung vermindert bzw. übertrifft.

In besonderer Ausgestaltung ist vorzusehen, daß der Über­ strömkanal von einem Ansaugkanal mit drallerzeugender Form tangential im Sinne des Luftdralls zum Abgaskanal hin abzweigt. Hiermit wird zugleich ein erhöhter Drall er­ zeugt, so daß die Kanalform in geringerem Maße spiralig sein kann.

Der Überströmkanal kann in einfacher Form und bei genauer Strömungabstimmung ständig offen sein, wobei das Ende des Überströmvorgangs zum einen durch das Öffnen des Einlaß­ ventils und zum anderen ggfs. durch ein Steuerelement in der Abgasleitung hinter der Einmündungsstelle erreicht werden kann. Ein Steuerorgan in dieser Position kann zu­ gleich zur Reflexion einer Druckwelle in der Abgasleitung dienen, wobei die rücklaufende Druckwelle bei dann ge­ schlossenem Auslaßventil den Druck im Ansaugkanal erhöht. Hierbei ist gleichzeitig in geringem Umfang eine Abgasrückführung möglich. Das Auslaßventil kann auch nochmals hierzu ge­ öffnet werden.

Ein derartiges in der Regel außerhalb des Zylinderkopfes liegendes Steuerorgan wird bevorzugt elektromagnetisch oder druckmittelbetätigt sein.

Die Injektordüse kann hierbei bevorzugt so ausgestaltet werden, daß sie an einer Außenwand des Zylinderkopfes ausgeführt ist, wobei Überströmkanal und Abgaskanal dort offene Querschnitte haben und in einem einwandigen an­ flanschbaren Abgasrohr weitergeführt werden.

Alternativ oder ergänzend zum vorstehend genannten Steuer­ organ kann im Überströmkanal ein steuerbares Absperrorgan vorgesehen sein, um den Überströmvorgang zum geeigneten Zeitpunkt, d. h. etwa beim Öffnen des Einlaßventils zu beenden. Ein derartiges Absperrorgan, z. B. in Form eines Tellerventils kann in günstiger Weise vom Ventiltrieb über Kipp- , Schlepp- oder Umlenkhebel betätigt werden. Das Absperrorgan im Überströmkanal kann jedoch auch als plat­ tenförmiger Drehschieber ausgeführt sein, der ebenfalls problemlos vom Ventiltrieb antreibbar ist.

Eine weitere mögliche Ausführungsform liegt in Dreh­ schiebern, die walzenförmig mit Innenausnehmungen und Umfangsöffnungen ausgebildet sind und durch die das Strömungsmedium hindurchgeführt wird. Derartige Dreh­ schieber können ebenfalls vom Ventiltrieb mit angetrieben werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, Prinzipdarstellungen und ein Diagramm zum Ladungswechsel sind in der Zeichnung dargestellt.

Fig. 1a zeigt einen Zylinder mit erfindungsgemäßem Zylinderkopf im Axialschnitt nach Auslaßöffnen im Ausschiebetakt;

Fig. 1b zeigt einen Zylinder mit erfindungsgemäßem Zylinderkopf im Axialschnitt nach Einlaßöffnen bei Ventilüberschneidung im Ansaugtakt;

Fig. 2a zeigt einen Zylinder nach Fig. 1a in Prinzip­ darstellung;

Fig. 2b zeigt einen Zylinder nach Fig. 1b in Prinzipdar­ stellung;

Fig. 3 zeigt den Überströmkanal als Verbindung zwischen Einlaßkanal und Auslaßkanal in systematischer Darstellung im Querschnitt.

In den Fig. 1a, 1b ist jeweils ein Zylinderrohr 1, in dem ein Kolben 2 in der Nähe des unteren Totpunktes steht, und ein Zylinderkopf 3 mit Einlaßkanal 4 und Auslaßkanal 5 prinzipiell dargestellt. Im Zylinderkopf sind ein Einlaß­ ventil 20 und ein Auslaßventil 21 angeordnet. Als Einzel­ heiten sind die Ventilführungen 6, 7 und Ventilsitzringe 8, 9 erkennbar. An den Zylinderkopf ist ein Auspuffkrümmer 10 mit einem nicht näher dargestellten steuerbaren Klap­ penelement 11 mittels eines Flansches 12 angeschraubt. Vom Einlaßkanal 4 geht ein Überströmkanal 13 mit einer Ein­ trittsöffnung 14 ab, der mit einer Austrittsöffnung 15 im Auslaßkanal 5 mündet. Der Auslaß­ kanal 16 endet innerhalb des Zylinderkopfes 3 in einer Injektordüse 16, die von einem Ringkanal 17 umgeben ist, die mit der Austrittsöffnung 15 des Überströmkanals 13 verbunden ist. Im Überströmkanal 13 ist ein weiteres schematisch dargestelltes steuerbares Klappenelement 18 vorgesehen. Die unterschiedlichen Stellungen der Gas­ wechselventile 20, 21 und der Klappenelemente 11 im Auslaß­ kanal und im Überströmkanal sind anhand der entsprechenden Fig. 2a, 2b beschrieben.

In den Fig. 2a, 2b sind ebenfalls Zylinder 1, Kolben 2, Zylinderkopf 3, Einlaßkanal 4, Auslaßkanal 5, Überströmkanal 13 und Zylinderraum 19 prinzipiell dargestellt. Das Einlaßventil 20 und das Auslaßventil 21 sind ebenfalls in unterschiedlichen Stellungen gezeigt. Der an den Überströmkanal 13 anschließende Ringkanal 17 und die Injektordüse 16 sind deutlich zu erkennen.

In Fig. 2a ist der Zylinder im Ausschiebetakt unmittelbar nach Auslaßöffnen dargestellt, wobei das Auslaßventil 21 und das Klappenelement 11 im Auslaßkanal 5 und das Klap­ penelement 14 im Überströmkanal jeweils geöffnet sind. Über die Injektordüse 16,17 wird Ansauglauft im Einlaßkanal 4 in Richtung auf das Einlaßventil 20 beschleunigt, jedoch über den Überströmkanal 13 an diesem in Richtung Auslaßkanal 5 vorbeigeführt.

In Fig. 2b ist der Zylinder im Ansaugtakt während einer Ventilüberschneidung dargestellt, wobei beide Ventile geöffnet sind, das Klappenelement 11 im Auslaßkanal 5 geschlossen ist, und das Klappenelement 18, nachdem es zwischenzeitlich geschlossen gewesen sein kann, geöffnet ist. Ein Teil des Abgases wird an der geschlossenen Klappe 11 reflektiert und führt als zurücklaufende Druckwelle über das Einlaßventil 20 und das Auslaßventil 21 zu einer Ladungserhöhung im Zylinderraum.

In Fig. 3 ist erkennbar, wie der Überströmkanal 13 jeweils tangential an den Einlaßkanal 4 und den Auslaßkanal 5 anschließt, um auf diese Weise einen Einlaßdrall zu unterstützen. Die Ventile 20, 21 sind in Draufsicht erkennbar.

Bezugszeichenliste

 1 Zylinderrohr
 2 Kolben
 3 Zylinderkopf
 4 Einlaßkanal
 5 Auslaßkanal
 6 Ventilführung
 7 Ventilführung
 8 Ventilsitz
 9 Ventilsitz
10 Auslaßkrümmer
11 Absperrelement
12 Flansch
13 Überströmkanal
14 Eintrittsöffnung
15 Austrittsöffnung
16 Injektordüse
17 Ringkanal
18 Sperrelement
19 Brennraum
20 Einlaßventil
21 Auslaßventil

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Aufladung von Viertaktbrennkraftmaschinen, bei dem die Druck- und Strömungsenergie des Abgasstroms zur Beschleunigung und Verdichtung der Ansaugluft vor dem Brennraum ausgenutzt wird, mit einem Zylinderkopf (3) einer luft- oder gemischansaugenden Viertaktbrennkraftmaschine, mit einem Überströmkanal (13) zur unmittelbaren Verbindung eines Auslaßkanals (5) mit einem Ansaugkanal (4) des selben Zylinders (1), wobei im Überströmkanal (13) ein steuerbares Absperrorgan (18) vorgesehen ist, und wobei die Einmündung des Überströmkanals (13) in den Auslaßkanal (5) nach Art einer Injektordüse (16, 17) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Auslaßkanal (5) stromab von der Injektordüse (16, 17) ein periodisch steuerbares Absperrorgan (11) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überströmkanal (13) von einem Ansaugkanal (5) mit drallerzeugender Form tangential im Sinne des Luftdralls in Richtung zum Auslaßkanal (5) abzweigt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrorgan (11) im Auslaßkanal (5) druck­ mittelbetätigt oder elektromagnetisch betätigt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektordüse (16, 17) an einer Außenwand des Zylinderkopfes (3) derart ausgeführt ist, daß Über­ strömkanal (13) und Auslaßkanal (5) offene Quer­ schnitte zeigen und in einem einwandigen anflanschbaren Abgasrohr (10) vereint weitergeführt werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrorgan im Überströmkanal ein vom Ventiltrieb steuerbares, insbesondere über Kipp- oder Schlepp- oder Umlenkhebel betätigtes Tellerventil ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrorgan im Überströmkanal ein vom Ventiltrieb antreibbarer Plattendrehschieber ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrorgan im Überströmkanal ein vom Ventiltrieb antreibbarer Walzendrehschieber ist.

8. Verfahren zur Ausfladung von Viertaktbrennkraftmaschinen, bei dem die Druck- und Strömungsenergie des Abgasstroms zur Beschleunigung und Verdichtung der Ansaugluft vor dem Brennraum ausgenutzt wird, mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Ansaugstrom eines Zylinders durch zeitweilige Überleitung in den Abgasstrom desselben Zylinders unter Anwendung des Injektorprinzips vor dem Eintritt in den Brennraum beschleunigt wird, wobei etwa beim Öffnen des oder der Einlaßventile die Überleitung der beschleunigten Ansauglust in den Abgasstrom unterbrochen wird, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils vor dem Schließen des Einlaßventils das Absperrorgan (11) im Auslaßkanal (5) periodisch geschlossen wird, womit eine Reflexion im Abgasstrom bewirkt und eine rücklaufende Druckwelle in den Ansaugstrom und über das Einlaßventil in den Brennraum übergeleitet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils vor dem Schließen des Einlaßventils das Auslaßventil periodisch nochmals geöffnet wird, womit die rücklaufende Druckwelle auch über das Auslaßventil in den Brennraum übergeleitet wird.