DE4108454A1 - Viertaktmotor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Viertaktmotor und auf einen Zweitaktmechanismus für einen solchen Motor nach dem Gattungsbegriff der unabhängigen Ansprüche. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Motor, die Miller-Cyclen ebenso wie Otto-Cyclen verwendet, wobei das Expansionsverhältnis auf einen hohen Wert eingestellt wird und das Kompressionsverhältnis entsprechend den Betriebsbedingungen des Motors erhöht wird nahe an den kritischen Pegel, bei dem Verbrennungsklopfen auftritt, um die Ausgangsleistung zu erhöhen und die Verbrennung zu verbessern.

Bekannte Viertaktmotoren sind so aufgebaut, daß das Kompressionsverhältnis und Expansionsverhältnis den gleichen Wert aufweisen. Das Kompressionsverhältnis ist durch das Verbrennungsklopfen begrenzt, das bei Vollastbetrieb auftritt. Bei einem nicht aufgeladenen Motor beträgt der Maximalwert des Kompressionsverhältnisses gewöhnlich ungefähr 10 : 1. Bei einem aufgeladenen Motor kann das Kompressionsverhältnis nicht über einen Wert von ungefähr 8,5 : 1 erhöht werden. Daher nimmt das Expansionsverhältnis einen Wert zwischen 8,5 : 1 und 10 : 1 ein. Das Verbrennungsgas unter hohem Druck und mit hoher Temperatur, das in dem Zylinder erzeugt wird, expandiert nicht ausreichend und wird somit nicht ausreichend in Arbeitsleistung umgesetzt. Das Gas wird sodann als Auspuffgas mit hoher Temperatur ausgestoßen. Somit ist der thermische Wirkungsgrad gering.

Wie im Stand der Technik bekannt, vermindert solches Auspuffgas mit hoher Temperatur nicht nur den thermischen Wirkungsgrad sondern erhöht auch die thermische Beanspruchung des Zylinderkopfes.

Diese thermische Last kann Brüche im Zylinderkopf hervorrufen und das Auslaßventil aufheizen bis zu einem Punkt, an dem seine Festigkeit vermindert wird. Manchmal bricht das Ablaßventil oder wird beschädigt. In einem aufgeladenen Motor erhöht eine Verminderung des Expansionsverhältnisses ferner die Abgastemperatur. Infolgedessen übersteigt die thermische Beanspruchung in dem Motor den statthaften Pegel. Unter diesen Umständen wird die Abgastemperatur durch ein reiches Luft/Brennstoff-Gemisch herabgemindert. Dies erhöht den Kraftstoffverbrauch.

Bei einer Turbo-Aufladung wird im Abgas-Turbinengehäuse und anderen Komponenten eine exzessive thermische Beanspruchung zugeführt. Dies beeinflußt nachteilig die Zuverlässigkeit.

Bei einem Viertaktmotor, der eine Mischung ansaugt, die im wesentlichen aus gleichen Verhältnissen von Brennstoff und Luft besteht, ist es üblich, den Betrag der Luft/Brennstoff-Mischung, die dem Motor zugeführt wird mit dem Drosselventil zu vermindern, um die Belastung zu vermeiden. Der durch das Drosselventil hervorgerufene Negativdruck erhöht den Leistungsverlust unter Teillastbedingungen. Ferner wird die Dichte des komprimierten Luft/Brennstoff-Gemisches vermindert, was seinerseits zu einer unvollständigen Verbrennung oder zu einer Abnahme in der Verbrennungsgeschwindigkeit führt. Infolgedessen wird die angegebene thermische Leistungsfähigkeit vermindert.

Insbesondere, wenn eine Neuzirkulation des Verbrennungsgases und eine Verbrennung eines mageren Luft/Brennstoff-Gemisches bewirkt werden, um die Dämpfungsverluste zu vermindern und den NOx-Gehalt zu vermindern, findet eine schlechte Verbrennung statt und die Ausgabe von HC wird erhöht. Daher kann eine Beschränkung bezüglich des Betrages an giftigen Emissionen auferlegt werden. Wenn ein Motor in kalten Gebieten gestartet wird, ist es schwierig, geringe Emissionen zu erzielen, da das Kompressionsverhältnis nicht genügend hoch ist. Bei einem herkömmlichen Viertaktmotor, bei dem das Kompressionsverhältnis und das Expansionsverhältnis nahezu auf den gleichen Wert eingestellt sind, erlegt das Verbrennungsklopfen Beschränkungen dem maximalen Kompressionsverhältnis in der zuvor beschriebenen Weise auf. Demzufolge ist das Expansionsverhältnis ebenfalls begrenzt. Dies resultiert in verschiedenen Problemen einschließlich einer Abnahme der thermischen Leistungsfähigkeit unter Vollast und der Abnahme der Zuverlässigkeit des Motors aufgrund der exzessiv hohen Abgastemperatur. In dem Fall eines aufgeladenen Motors, wo das Kompressionsverhaltnis auf einen niedrigeren Wert eingestellt ist, ist die Abgastemperatur noch höher. Ein reiches Luft/Brennstoff-Gemisch wird benutzt, um die Temperatur zu erniedrigen. Dies erhöht den Kraftstoffverbrauch. Ferner wird die thermische Belastung der Abgasturbine eines Turboladers erhöht, und infolgedessen müssen die Abgasturbine und das Gehäuse aus teuren hitzebeständigen Legierungen gefertigt werden.

Wenn der Motor unter Teillast betrieben wird, tritt ferner eine Abnahme der Dichte des komprimierten Luft/Brennstoff-Gemisches auf. Wenn eine Neuzirkulation und des Abgases und ein mageres Luft/Brennstoff-Gemisch benutzt werden, um die Dämpfungsverluste und NOx zu vermindern, so resultiert daraus eine arme Verbrennung. Infolgedessen kann die geforderte Neuzirkulation des Verbrennungsgases und ein ausreichend mageres Luft/Brennstoff-Gemisch nicht verwendet werden. Es ist unmöglich, das Kompressionsverhältnis weiter zu erhöhen, um die Kompressionstemperatur anzuheben und eine bessere Verbrennung und somit eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades zu erreichen.

Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Otto-Motor anzugeben, der unter Vollast das Kompressionsverhältnis so einstellt, daß der größte Wert eingenommen wird, der aufgrund der durch das Verbrennungsklopfen auferlegten Beschränkungen statthaft ist und der das Expansionsverhältnis größer als das Kompressionsverhältnis einstellt, um den thermischen Wirkungsgrad zu erhöhen und somit die Abgastemperatur zu erniedrigen und der, wenn der Motor unter Teillast betrieben wird, das Kompressionsverhältnis weiter erhöht, um die thermische Wirksamkeit zu verbessern, indem eine gute Verbrennung sichergestellt wird, wenn eine Neuzirkulation des Abgases oder eine magere Kraftstoffmischung verwendet wird.

Diese Aufgabe wird durch einen Viertaktmotor gelöst, der umfaßt: ein Ablaßventil; ein Einlaßventil, welches bei 60° bis 140° nach Erreichen des unteren Totpunktes geschlossen wird, wobei das Expansionsverhältnis des Motors im Bereich von 11 : 1 bis 16 : 1 eingestellt wird und höher gemacht wird als das gesamte Kompressionsverhältnis; eine Nockenwelle, die ein Einlaßventil antreibt; eine Ventilbetätigungs-Zeittakt-Einstellvorrichtung auf der Nockenwelle; einen Verbrennungs-Klopfsensor, der den Einsatz des Verbrennungsklopfens feststellt; und eine Betätigungsvorrichtung für die Steuerung der Ventilbetätigungs-Zeittakt-Einstellvorrichtung aufgrund des Ausgangssignals des Sensors, um das Schließen des Einlaßventils zu verzögern, wodurch das Kompressionsverhältnis im wesentlichen eingestellt wird.

Bei der zuvorbeschriebenen Vorrichtung wird das Einlaßventil normalerweise im Bereich des unteren Totpunktes des Ansaughubes geschlossen, wenn sich der Motor unter Vollast befindet. Unter diesen Bedingungen wird das Kompressionsverhältnis gleich wie das Expansionsverhältnis eingestellt und ist zu hoch, um den Auftritt des Verbrennungsklopfens zu erlauben.

Der Verbrennungs-Klopfsensor erfaßt sofort das Verbrennungsklopfen und veranlaßt die Betätigungsvorrichtung zum verzögerten Schließen des Einlaßventils. Insbesondere wird das Ventil während des Kompressionshubes geschlossen, um die Dauer des Kompressionshubes zu verkürzen. Daraus folgt im wesentlichen, daß das Kompressionsverhältnis abfällt, so daß das Verbrennungsklopfen vermieden wird. Zu diesem Zeitpunkt fällt das Kompressionsverhältnis auf einen Wert in die Nähe von Werten, die von einem normalen Motor angenommen werden. Wenn der Motor aufgeladen ist, so werden die Dichte der komprimierten Luft und die Temperatur weiter erhöht, so daß das Verbrennungsklopfen noch wahrscheinlicher auftritt. Der Klopfsensor arbeitet mit der Betätigungs-Zeittakt-Einstellvorrichtung zusammen, um den Zeitpunkt des Schließens des Einlaßventils weiter zu verzögern. Daraus folgt, daß das Kompressionsverhältnis weiter abfällt, aber das Expansionsverhältnis höher als das eines gewöhnlichen Motors ist und daß daher der thermische Wirkungsgrad verbessert wird.

Wenn der Motor unter Teillast betrieben wird, wird die Öffnung des Drosselventils verringert, um das Kompressionsverhältnis wesentlich zu erniedrigen, wodurch das Klopfen vermieden wird. Der Schließzeitpunkt des Einlaßventils wird nach vorne verschoben, um das wesentliche Kompressionsverhältnis zu erhöhen. Das höchste Kompressionsverhältnis wird aufgrund der Feststellung des Klopfens mittels des Klopfsensors ausgewählt. Eine gute Verbrennung unmittelbar vor Auftritt des Klopfens wird erzielt. Demzufolge wird der angegebene Wirkungsgrad und die thermische Wirksamkeit verbessert.

Unter Teillastbedingungen vermindert die Rezirkulation des Abgases die Drosselverluste. In gleicher Weise wird überschüssige Luft zugelassen durch die Verwendung eines mageren Luft/Kraftstoff-Gemisches, um die Drosselverluste zu vermindern. Wenn der Zyklus so gewählt wird, daß er sich einem Luftzyklus annähert, um die thermische Wirksamkeit zu verbessern und den NOx-Gehalt zu vermindern, so zeigen normale Motoren eine arme Verbrennung. Gemäß der Erfindung wirkt der Verbrennungs-Klopfsensor mit der Betätigungs-Zeittakt-Einstellvorrichtung zusammen, um den Zeitpunkt des Schließens des Einlaßventils nach vorne zu verschieben in die Nähe des kritischen Momentes, wo das Klopfen auftritt. Somit wird das wesentliche Kompressionsverhältnis erhöht und dadurch ebenfalls die Kompressionsdichte und die Temperatur. Infolgedessen wird die Verbrennung verbessert.

Die Erfindung sei nunmehr anhand eines Beispieles unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Viertaktmotors gemäß der Erfindung ist;

Fig. 2 einen Querschnitt durch wesentliche Teile des Motors gemäß Fig. 1 darstellt;

Fig. 3 und 4 Querschnitte der Ventilbetätigungs-Zeittakt-Einstellvorrichtung gemäß Fig. 1 (Fig. 4 ist vergrößert) darstellen; und

Fig. 5 und 6 Diagramme darstellen, die die Leistung des Motors gemäß Fig. 1 zeigen.

Der grundlegende Aufbau eines Viertaktmotors gemäß der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Dieser Viertaktmotor umfaßt einen Zylinder 1, einen Kolben 2, der in dem Zylinder 1 arbeitet, eine Pleuelstange 3, einen Zylinderkopf 4, eine Zündkerze 5 innerhalb des Zylinders 1, eine Einlaßöffnung 6 und ein Kraftstoff-Einspritzventil 9. Der Kolben 2 setzt über die Pleuelstange 3 eine nicht dargestellte Kurbelwelle in Drehbewegung. Ein Einlaßnocken 7 und ein Einlaßventil 8, das durch den Nocken 7 geöffnet und geschlossen wird, sind innerhalb der Einlaßöffnung 6 angeordnet. Ein Auslaßventil 11 ist in der Auslaßöffnung 10 angeordnet. Die Zündkerze 5 führt Zündoperationen synchron mit der Kurbelwelle des Motors aus. Das Einlaßventil 8 und das Auslaßventil 11 werden durch einen bekannten Ventil-Betätigungsmechanismus ebenfalls synchron mit der Kurbelwelle geöffnet und geschlossen. Das Auslaßventil 11 wird in einem herkömmlichen Zeittakt geöffnet und geschlossen. Das Einlaßventil 8 wird in einem Zeittakt geöffnet und geschlossen, der durch eine Ventilbetätigungs-Zeittakt-Einstellvorrichtung gemäß den Betriebszuständen des Motors in einer später noch zu beschreibenden Weise verändert wird.

Wie in Fig. 2 dargestellt, befindet sich ein Einlaßstutzen 12 in Verbindung mit der Einlaßöffnung 6, um einen Einlaßdurchgang zu bilden, in welchem ein Drosselventil 13 angeordnet ist.

Gemäß den Fig. 3 und 4 ist eine Ventilbetätigungs-Zeittakt-Einstellvorrichtung dargestellt, die einen Mechanismus für die Betätigung des Einlaßventils 8 umfaßt. Dieses Ventil 8 wird durch den Nocken 7 geöffnet und geschlossen, der einen Teil einer Nockenwelle 14 bildet, welche in einem Lager 15 gelagert ist. Eine linksgängige schraubenförmige Keilverzahnung 14a befindet sich an einem Ende der Welle 14. Ein Zeittaktgetriebe 16 ist mit der nicht dargestellten Kurbelwelle über Zahnräder verbunden. Eine rotierende Welle 17 bildet einen integralen Bestandteil mit dem Zahnrad 16 und ist in Lagern 18, 19 eines Stützarmes 20 gelagert, der mit dem Motor verbunden ist. Eine rechtsgängige schraubenförmige Keilverzahnung 17a ist an dem einen Ende der Welle 17 angeordnet und mit der linksgängigen schraubenförmigen Keilverzahnung 14a über ein Einstellglied 21 verbunden. Ansätze 21a und 21b sind an der Innenfläche des Gliedes 21 angeformt und greifen in die Keilverzahnungen.

Ein Einstellhebel 22 ist auf einem Zapfen 23 gelagert. Ein Ende des Hebels 22 greift in einer Ausnehmung 31c an dem Einstellglied 21. In dem vorliegenden in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Nockenwelle 14 in einer gewünschten Richtung relativ zu der rotierenden Welle 17 gedreht werden, indem das Einstellglied 21 nach links bewegt wird. Die Welle 14 kann in der entgegengesetzten Richtung gedreht werden, indem das Einstellglied 21 nach rechts bewegt wird. Auf diese Weise wird der Zeittakt, zu dem die Nockenwelle 14 gedreht wird, durch axiale Bewegung des Einstellgliedes 21 verändert. Infolgedessen wird der Zeittakt des Öffnens und Schließens des Einlaßventils 18 eingestellt.

Fig. 1 zeigt einen Viertakt-Otto-Motor gemäß der Erfindung, wobei der Motor mit der zuvorbeschriebenen Ventilbetätigungs-Zeittakt-Einstellvorrichtung ausgerüstet ist. Ein Verbrennungs-Klopfsensor 24 ist an der Außenwand des Motors angeordnet, der durch den Buchstaben E angedeutet ist. Der Sensor 24 erzeugt ein Signal aufgrund der Vibration des Motors, die durch das Verbrennungsklopfen hervorgerufen wird. Das Signal wird über Anschlußleitungen 25 und 26 einer Betätigungsvorrichtung 28 zugeführt, die über eine Spannungsversorgung 27 gespeist wird.

Wenn die Betätigungsvorrichtung 28 das das Klopfen anzeigende Signal empfängt, so verschiebt sie eine Stange 30 nach links, wobei ein Stift 29 auf der Stange 30 gelagert ist. Sodann wird der Hebel 22 im Uhrzeigersinn um den Zapfen 23 gedreht, um das Einstellglied 21 nach rechts zu verschieben. Der Augenblick, zu dem das Einlaßventil 8 öffnet, wird daraufhin in der zuvorbeschriebenen Weise verzögert. Demzufolge wird das wirksame Kompressionsverhältnis des Motors verringert. Ebenfalls in Fig. 1 dargestellt sind ein Kurbelgetriebe 31, das auf dem vorderen Ende 32 der Kurbelwelle gelagert ist und ein Auspuffrohr 33. Das Kurbelgetriebe 31 treibt das Zeittaktgetriebe 16 an. Da der Lader des Motors von herkömmlicher Bauweise ist, ist er nicht dargestellt.

In Betrieb dieses Viertakt-Otto-Motors ist das Expansionsverhältnis auf beispielsweise 11 : 1 bis 16 : 1 eingestellt, d. h. sehr viel größer als das bei normalen Otto-Motoren eingestellte Verhältnis (10 : 1). Im Vollastbetrieb schließt das Einlaßventil 8 nahe bei 50° nach dem unteren Totpunkt des Ansaughubes in der gleichen Weise wie einem gewöhnlichen Motor aufgrund der Betätigungsvorrichtung 28. Zu diesem Zeitpunkt ist das Kompressionsverhältnis im wesentlichen gleich dem Expansionsverhältnis. Wenn in diesem Zustand der Motor gestartet wird, ist es wahrscheinlich, daß das Verbrennungsklopfen auftritt, da das Kompressionsverhältnis zu hoch ist. Jedoch wird ein solches Klopfen durch den Klopfsensor 24 sofort festgestellt, der ein Ausgangssignal an die Betätigungsvorrichtung 28 überträgt, welches sodann die Stange 30 bewegt, um den Zeittakt des Schließens des Einlaßventils 8 in der zuvorbeschriebenen Weise zu verzögern. Somit wird das Ventil 8 geschlossen, bevor der Ansaughub endet.

In dem zuvorbeschriebenen Beispiel arbeitet der Klopfsensor 24 mit der Ventilbetätigungs-Zeittakt-Einstellvorrichtung zusammen. Das Klopfen kann jedoch vorhergesagt werden aufgrund der Betriebsbedingungen des Motors durch Feststellung der Wassertemperatur des Motors, der Motordrehzahl, der Stellung des Gaspedals und der Zusammensetzung der Luft/Kraftstoff-Mischung, die dem Motor zugefügt wird. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel kann die Ventilbetätigungs-Zeittakt-Einstellvorrichtung gemäß einer solchen Vorhersage betätigt werden, um den Zeitpunkt des Schließens des Einlaßventils 8 zu verändern.

Es sei nun Bezug genommen auf das p-v-Diagramm gemäß Fig. 5. Das Ansaugen der Luft beginnt im Punkt 1 oder am oberen Totpunkt des Ansaughubes und endet im Punkt 6, d. h. dem unteren Totpunkt. Ein Kompressionshub beginnt im Punkt 7. Wenn sich die Kompression fortsetzt, so folgt diese Operation der angezeigten gestrichelten Linie. Am oberen Totpunkt (Kompression) ist das Luft/Kraftstoff-Gemisch adiabatisch komprimiert. Der Kompressionsdruck ist durch Punkt 7 angezeigt. Ein exzessiver Druck und eine damit einhergehende hohe Temperatur erzeugen Klopfen, was unmittelbar durch den Klopfsensor 24 detektiert wird. Die Betätigungsvorrichtung 28 verzögert das Schließen des Einlaßventils 8 aufgrund des Ausgangssignales des Sensors 24. Auf diese Weise wird nach dem Feststellen des Klopfens das Einlaßventil 8 offengehalten, nachdem der Ansaughub beendet ist. Luft, die einmal über das Einlaßventil 8 zugeführt worden ist, und das noch während des Kompressionshubes geöffnet ist, wird zurück aus dem Zylinder 1 in die Einlaßöffnung gedrückt, die aus der Einlaßöffnung 6 und dem Einlaßrohr 12 besteht. Das Einlaßventil 8 schließt im Punkt 2 während des Kompressionshubes ungefähr 90° nach dem unteren Totpunkt. Daher beginnt der effektive Kompressionshub im Punkt 2 und endet im Punkt am oberen Totpunkt der Kompression. Der durch den Punkt 3 angezeigte Kompressionsdruck ist geringer als der in den Punkten 4 und 7. Gleichzeitig fällt die Kompressionstemperatur ab. Demzufolge wird ein Klopfen vermieden.

In einem herkömmlichen Motor, wo das Kompressionsverhältnis auf 10 : 1 eingestellt ist, um das Klopfen zu vermeiden, wird das Expansionsverhältnis ebenfalls in der zuvorbeschriebenen Weise auf 10 : 1 eingestellt. Der angezeigte innerhalb des Zylinders erzeugte Betrag an Arbeit ist durch den Bereich vorgegeben, der durch die Linien 2-3-4-8-2 in Fig. 5 angedeutet ist. Bei dem neuen Motor ist der Expansionshub durch die Linie 4-5 vorgegeben, die länger als die Linie 4-8 ist, die den Expansionshub eines herkömmlichen Motors anzeigt. Daher ist das Expansionsverhältnis höher. Der angezeigte Betrag an Arbeit ist durch den Bereich vorgegeben, der durch die Linien 2-3-4-5-6-2 in Fig. 5 umschlossen wird. Der Bereich entsprechend des neuen Motors ist größer als der Bereich entsprechend des herkömmlichen Motors, wobei der vergrößerte Bereich durch den gestrichelten Teil vorgegeben ist, der durch die Linien 2-8-5-6-2 umschlossen ist. D. h., der angezeigte Arbeitsbetrag, der durch den neuen Motor geleistet wird, ist größer als der des herkömmlichen Motors. Obgleich der Betrag des Luft/Brennstoff-Gemisches, das zwischen den Punkten 1 und 2 zugeführt wird, d. h. der Bertrag des verbrauchten Kraftstoffes nicht verändert wird, wird die Ausgangsleistung erhöht. Demzufolge wird der thermische Wirkungsgrad verbessert.

Wie zuvor beschrieben, ist der Arbeitsbetrag größer bei gleichem Kraftstoffverbrauch. In anderen Worten, wenn die Expansion von dem Punkt 8 zu dem Punkt 5 erweitert wird, fällt die Abgastemperatur, und es werden somit die thermischen Belastungen verschiedener Komponenten des Motors verringert.

Wenn der Motor aufgeladen ist, so tritt das Klopfen aufgrund des hohen Ansaugdruckes auf. In diesem Fall arbeitet der Klopfsensor 24 mit der Ventilbetätigungs-Zeittakt-Einstellvorrichtung zusammen, um den Zeitpunkt des Schließens des Einlaßventils 8 weiter zu verzögern und das wesentliche Kompressionsverhältnis weiter zu verringern. Der Punkt 2 in Fig. 5 wird weiter nach links verschoben. Zu diesem Zeitpunkt fällt das wirksame Kompressionsverhältnis weiter, aber das große Expansionsverhältnis wird nicht verändert. Demzufolge ist es unwahrscheinlich, daß der thermische Wirkungsgrad gestört oder die Abgastemperatur angehoben wird.

Wo die atmosphärischen Bedingungen oder die Betriebsbedingungen des Motors eine Erhöhung des Kompressionsverhältnisses erlauben, beispielsweise wenn die Temperatur der Wand der Verbrennungskammer gering ist, wie dies bei einem Betrieb des Motors unter geringer Last der Fall ist, so kann der Betrag an Luft, welche in den neuen Motor E hereingenommen wird und die Ausgangsleistung erhöht werden, indem der Schließzeitpunkt des Einlaßventils 8 verzögert und das Kompressionsverhältnis erhöht wird. Infolgedessen wird der Punkt 2 in Fig. 5 nach rechts verschoben. Dies bedeutet, daß das Automobil aus dem Ruhezustand mit einer Rate beschleunigen kann, die zeitweilig die Beschleunigung übersteigt, die erzielt wird, wenn das Automobil unter hohen kontinuierlichen Lastbedingungen betrieben wird. Auf diese Weise kann die Beschleunigungsfähigkeit des Automobils erhöht werden.

Der Betrieb des Motors unter Teillast sei nunmehr unter Bezugnahme auf das p-v-Diagramm gemäß Fig. 6 beschrieben, in welchem der besseren Übersichtlichkeit wegen der negative Druck um einen Faktor 5 im Vergleich zu dem positiven Druck übertrieben dargestellt ist. Bei einem herkömmlichen Motor wird der Fluß der angesaugten Luft durch das Drosselventil vermindert. Während des Ansaughubes fällt der Zylinderdruck auf den Punkt 10. Der Ansaughub endet im Punkt 11. Zu diesem Zeitpunkt fällt die Temperatur der angesaugten Luft, da eine adiabatische Expansion zwischen dem Punkt 1 und dem Punkt 10 auftritt. Der Luftfluß wird durch den Arbeitsbetrag beschleunigt, der durch den Bereich vorgegeben ist, welcher durch die Linien 1-10-11-12-1 oder durch die Differenz zwischen dem Druck in Punkt 1 und dem Druck in Punkt 10 vorgegeben ist. In diesem Zeitpunkt wird die Bewegung der Luft in Wärme umgesetzt und die Temperatur der Luft auf die atmosphärische Temperatur zurückgebracht. Die Temperatur im Punkt 11 nähert sich der atmosphärischen Temperatur. Während des Kompressionshubes, der in Punkt 11 beginnt, erreicht der Druck den atmosphärischen Druck in Punkt 12. Die Linie 1-12 zeigt den Betrag des angesaugten Luft/Kraftstoff-Gemisches, ausgedrückt in atmosphärischem Druck, an. Im Punkt 13 bzw. im oberen Totpunkt des Kompressionshubes gleichen das Kompressionsverhältnis und die Kompressionstemperatur denjenigen Werten, die unter Vollast erhalten werden, aber die Dichte und die Verbrennungsgeschwindigkeit sind geringer als unter Vollast. Das p-v-Diagramm ist durch die Linie 13-22 vorgegeben, die in Fig. 6 gestrichelt ist. Ein Arbeitsbetrag, der durch den schraffierten Bereich vorgegeben ist, welcher durch die Linien 13-14-22-13 umrundet ist, geht verloren. Zu diesem Zeitpunkt ist der angezeigte Arbeitsbetrag durch den Bereich vorgegeben, der durch die Linien 12-13-22-15-16-12 umrundet ist. Somit ist unter diesen Umständen der thermische Wirkungsgrad gering.

Insbesondere, wenn eine Neuzirkulation des Abgases oder ein mageres Luft/Kraftstoff-Gemisch verwendet wird, um eine Luftverschmutzung zu vermeiden oder die thermische Wirksamkeit zu verbessern, besteht eine Tendenz zu einer armen Verbrennung. Wie zuvor beschrieben, wird der angezeigte thermische Wirkungsgrad gestört. Die Folge ist, daß eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades des Otto-Motors unter Teillast behindert wird.

Im Ansaughub des neuen Motors wird der Einlaßdruck auf den Punkt 10 durch das Drosselventil 13 abgesenkt. Der Ansaughub endet im Punkt 17, und es beginnt sodann ein Kompressionshub. Das Einlaßventil 8 bleibt jedoch geöffnet bis zum Schließen in Punkt 11 während des Kompressionshubes. Daraus folgt, daß der effektive Kompressionshub im Punkt 11 beginnt. Im Punkt 13 werden der Kompressionsdruck und die Temperatur gleich jenen Werten, die mit einem gewöhnlichen Motor erhalten werden. Da das Expansionsverhältnis in dem neuen Motor höher eingestellt ist, ist der angezeigte Arbeitsbetrag größer als der Arbeitsbetrag bei dem herkömmlichen Motor, wobei der erhöhte Betrag durch den Bereich angezeigt ist, der durch die Linien 16-15-18-19-16 umrundet ist. Demzufolge kann der thermische Wirkungsgrad verbessert werden.

Dort, wo das Abgas neu zirkuliert entsprechend dem Betrag, der durch die Linie 1-12 angedeutet ist oder ein mageres Luft/Kraftstoff-Gemisch verbrannt wird durch Ansaugen von überschüssiger Luft zusammen mit einem Luft/Kraftstoff-Gemisch des zuvorbeschriebenen theoretischen Mischungsverhältnisses entsprechend der Linie 1-12, findet oftmals eine arme Verbrennung statt. Bei dem neuen Motor wird das Einlaßventil 8 im unteren Totpunkt bzw. im Punkt 17 in Fig. 6 geschlossen, um den Kompressionshub im Punkt 17 zu starten. Das Luft/Kraftstoff-Gemisch wird bis zum Punkt 21 komprimiert, beispielsweise mit einem Kompressionsverhältnis von 16 : 1. Auf diese Weise werden sowohl der Druck als auch die Temperatur erhöht, um dadurch eine gute Verbrennung zu erzielen.

Wenn zu diesem Zeitpunkt ein Klopfen durch ein exzessives Kompressionsverhältnis hervorgerufen wird, so wirkt der Klopfsensor 24 mit der Betätigungsvorrichtung 28 zusammen, um den Schließzeitpunkt des Einlaßventils 8 zu verzögern und das effektive Kompressionsverhältnis zu vermindern, um das Klopfen in der zuvor beschriebenen Weise zu vermeiden. Ferner kann das Klopfen vermieden werden, in dem der Betrag des neu zirkulierten Abgases oder der Betrag an Luft erhöht wird, so daß das Luft/Kraftstoff-Gemisch ein Klopfen nicht hervorrufen kann. Eine gute Verbrennung und ein großes Expansionsverhältnis können einen hohen thermischen Wirkungsgrad sogar unter Teillastbedingungen hervorrufen, die Drosselverluste erzeugen.

Auch beim Start des Motors kann der neue Motor das Kompressionsverhältnis bis zu dem Expansionsverhältnis erhöhen, indem der Schließzeitpunkt des Einlaßventils 8 nach vorne verstellt wird. Dies erhöht sowohl das Kompressionsverhältnis als auch die Temperatur. Somit kann der Motor bei geringen Temperaturen leichter gestartet werden.

Wie bis hierher beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Erfindung das Expansionsverhältnis des Motors unter Vollast höher als das Kompressionsverhältnis eingestellt. Das Klopfen wird durch einen Klopfsensor beim Einsetzen des Klopfens erfaßt. Der Schließzeitpunkt des Einlaßventils wird durch eine Ventilbetätigungs-Zeittakt-Einstellvorrichtung aufgrund des Ausgangssignales des Klopfsensors verzögert, so daß das wirksame Kompressionsverhältnis eingestellt wird. Somit wird das Kompressionsverhältnis des Motors nahe an dem kritischen Wert, an dem das Klopfen auftritt, gehalten, unabhängig davon, ob der Motor aufgeladen ist, unter Last nicht aufgeladen ist oder unter Teillast betrieben wird, wobei eine Neuzirkulation von Abgas oder ein mageres Luft/Kraftstoff-Gemisch zur Anwendung kommt. Demzufolge kann der thermische Wirkungsgrad in großem Umfang verbessert werden durch eine gute Verbrennung und ein hohes Verbrennungsverhältnis.

Wenn das Expansionsverhältnis des neuen Motors im wesentlichen gleich dem Expansionsverhältnis von Dieselmotoren eingestellt ist, so zeigt der neue Otto-Motor einen höheren Wirkungsgrad als Dieselmotoren. Der Otto-Motor, bei dem der Verbrennungsdruck gering ist, zeigt geringere Reibungsverluste. Ferner reduzieren das geringe Gewicht des Kolben und der Pleuelstange die Reibungsverluste noch weiter. Der Kraftstoffverbrauch des Otto-Motors kann geringer als der von Dieselmotoren gemacht werden.

Dieselmotoren emittieren größere Anteile an NOx, HC, CO und anderen Substanzen als Otto-Motoren, die Rhodium-Katalysatoren benutzen. Gegenwärtig besteht keine praktizierbare Technik für die Partikelentfernung. Auf der anderen Seite ist der neue Motor Dieselmotoren in der thermischen Wirkleistung überlegen. Ferner kann der neue Motor die gegenwärtigen Emissionsauflagen erfüllen.

Claims (9)

1. Einstellbarer Zeittaktmechanismus für das Einlaßventil eines Viertaktmotors mit interner Verbrennung, gekennzeichnet durch Antriebsmittel (17, 17a) zur Verbindung mit der Nockenwellen-Antriebseinrichtung, angetriebene Mittel (14, 14a) zur Verbindung mit einer Einlaß-Nockenwelle (7) und Verbindungsmittel (21) zur Verbindung der Antriebsmittel und der angetriebenen Mittel zwecks Rotation miteinander, wobei die Antriebsmittel und die angetriebenen Mittel coaxial zueinander angeordnet sind und eine axiale Bewegung der Verbindungsmittel im Betrieb eine relative Winkelbewegung zwischen den Antriebsmitteln und den angetriebenen Mitteln hervorrufen, wodurch die Betätigung des Einlaßventils (8) aufgrund von Zeittakt-Steuermitteln (22-28) verzögert oder nach vorne verschoben wird.

2. Mechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel (17, 17a) zylindrisch ausgebildet sind und wenigstens eine externe schraubenförmige Nut (17a) aufweisen; daß die angetriebenen Mittel (14a) zylindrisch sind und wenigstens eine externe schraubenförmige Nut (14a) mit entgegengesetzter Steigung gegenüber der schraubenförmigen Nut der Antriebsmittel aufweist, daß die Antriebsmittel und die angetriebenen Mittel den gleichen Durchmesser aufweisen; und daß die Verbindungsmittel (21) rohrförmig ausgebildet sind und innere Ansätze (21a, 21b) aufweisen für den Eingriff mit der Nut der Antriebsmittel und der angetriebenen Mittel.

3. Mechanismus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Nuten (17a, 14a) jeweils an den Antriebsmitteln und den angetriebenen Mitteln (17, 14) vorgesehen sind.

4. Mechanismus nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmittel (21) eine umlaufende externe Nut (21c) zur Zusammenwirkung mit dem Zeittakt-Steuermechanismus (22-28) aufweisen.

5. Mechanismus nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (21c) durch umlaufende hervorstehende Rippen der Verbindungsmittel (21) gebildet wird.

6. Mechanismus nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein länglicher Verbindungshebel (22) angeordnet ist, der um einen Zapfen (23) schwenkbar ist und mit einem Ende in die Nut (21c) eingreift, wobei er um den Zapfen (23) aufgrund des Zeittakt-Steuermechanismus (28) schwenkbar ist.

7. Mechanismus nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende des Verbindungshebels (22) wirkungsmäßig mit dem Zeittakt-Steuermechanismus verbunden ist und daß sich der Zapfen (23) zwischen den Enden des Verbindungshebels befindet.

8. Viertaktmotor gekennzeichnet durch

• - ein Auslaßventil (11);
• - ein Einlaßventil (8), das zwischen 60° und 140° nach dem unteren Totpunkt des Hubes geschlossen werden kann, wobei sich das Expansionsverhältnis des Motors im Bereich 11 : 1 bis 16 : 1 befindet und im Betrieb größer als das Gesamt-Kompressionsverhältnis ist;
• - eine Nockenwelle (7) für den Antrieb des Einlaßventils (8);
• - eine Ventilsbetätigungs-Zeittakt-Einstellvorrichtung (14a, 17a), die auf der Nockenwelle (14) angeordnet ist;
• - ein Verbrennungs-Klopfsensor (24) zur Feststellung des Beginns des Klopfens im Betrieb des Motors; und
• - eine Betätigungsvorrichtung (22-28) für die Steuerung der Ventilbetätigungs-Zeittakt-Einstellvorrichtung (14a, 17a) aufgrund des Ausgangssignals des Sensors, um den Schließzeitpunkt des Einlaßventils im Betrieb zu verzögern, wodurch das effektive Kompressionsverhältnis verändert wird.

9. Viertaktmotor, gekennzeichnet durch:

• - ein Auslaßventil (11);
• - ein Einlaßventil (8), das 60° bis 140° nach dem unteren Totpunkt des Hubes geschlossen werden kann, wobei das Expansionsverhältnis des Motors sich im Bereich 11:1 bis 16:1 befindet und größer als das Gesamt-Kompressionsverhältnis ist;
• - eine Nockenwelle (7) zum Antrieb des Einlaßventils (8);
• - eine Ventilbetätigungs-Zeittakt-Einstellvorrichtung (14a, 17a) auf der Nockenwelle;
• - eine Vorhersagevorrichtung für das Verbrennungsklopfen durch Überwachen der Betriebsbedingungen des Motors im Betriebszustand; und
• - eine Betätigungsvorrichtung (21) für die Steuerung der Ventilbetätigungs-Zeittakt-Einstellvorrichtung aufgrund des Ausgangssignals der Vorhersagevorrichtung, um den Schließzeitpunkt des Einlaßventils zu verzögern, wodurch das wirksame Kompressionsverhältnis verhindert wird.