DE4327490A1 - Verfahren zur Gaswechselsteuerung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gaswechsel­ steuerung einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1.

Aus der DE-Z Motorrad 1/1979, S. 26f ist bereits ein Verfah­ ren zur Gaswechselsteuerung der gattungsgemäßen Art bekannt. Im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit zwei Kurbelwellen, zwei Kolben und einem gemeinsamen Brennraum sind zwei über Noc­ ken zwangsgesteuerte Gleitschieber in Gaswechselkanälen (Ein- und Auslaßkanäle) angeordnet, wobei durch die Gleitschieber die Gas­ ströme der Ein-und Auslaßkanäle geregelt werden.

Zum allgemeinen Hintergrund wird noch auf die Druckschriften DE-OS 25 14 727, DE-OS 27 36 944, DE-OS 29 09 926, DE-OS 37 01 480, DE-OS 38 33 524, DE-OS 38 37 678, DE-GN 89 10 835, EP 0 114 184 und US 4 708 096 verwiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Ver­ fahrens so auszubilden, daß der thermodynamische Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine im Teillastbereich verbessert wird.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches gegebenen Merkmale gelöst.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Gaswechselsteuerung liegt darin, daß durch die Veränderung des Kolbenschieberhubes das Vo­ lumen des Brennraumes beeinflußbar ist. Beispielsweise ist im Teillastbereich der Brennkraftmaschine bei geringerer Zylinder­ füllung das Kompressionsvolumen verringerbar, wodurch das geome­ trische Verdichtungsverhältnis erhöht wird.

Bei Ottomotoren wird durch die erfindungsgemäße Gaswechselsteue­ rung die Lastregelung im Einlaßkanal anstelle einer Drossel­ klappe direkt mit dem Kolbenschieber vorgenommen. Dadurch werden Strömungsverluste im Teillastbereich bei der Umströmung der Drosselklappe vermieden.

Die Ausgestaltung der Erfindung nach den Ansprüchen 2 und 3 sind bevorzugte Vorrichtungen zur Durchführung der erfindungsgemäßen Gaswechselsteuerung.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung hervor.

In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand zweier Ausführungs­ beispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel eine Prinzipzeich­ nung einer Brennkraftmaschine mit einem Kolben, einem Zylinder und einem Brennraum, in den Ein- und Auslaßka­ näle münden, deren Gasströme von nockengesteuerten Kol­ benschiebern gesteuert werden,

Fig. 2 den Kolbenschieber auf der Einlaßseite aus Fig. 1 nebst Steuernocke in zwei Grenzstellungen für Vollast, wobei die Grenzstellung für den geöffneten Einlaßkanal durch­ gezogen und für den geschlossenen Einlaßkanal strichliert dargestellt ist,

Fig. 3 einen Kolbenschieber analog Fig. 2 für Nullast bei ge­ schlossenem Einlaßkanal in und zwischen beiden Grenz­ stellungen des Kolbenschiebers,

Fig. 4 eine Seitenansicht des Kolbenschiebers aus Fig. 2 und 3 nebst konischer Steuernocke in zwei Grenzstellungen für Teillast,

Fig. 5 in einem zweiten Ausführungsbeispiel eine Prinzipzeich­ nung einer Betätigungseinrichtung des Kolbenschiebers, die einen in Hubrichtung des Kolbenschiebers bewegbaren und drehbaren Kipphebel umfaßt, an dem der Steuernocken und der Kolbenschieber kraftschlüssig anliegen, in zwei Grenzstellungen des Kolbenschiebers bei Vollast, wobei die Grenzstellung für den geöffneten Einlaßkanal strichliert und die Grenzstellung für den geschlossenen Einlaßkanal durchgezogen dargestellt ist und

Fig. 6 eine Prinzipzeichnung analog Fig. 5 in zwei Grenzstel­ lungen des Kolbenschiebers für Nullast.

Fig. 1 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel eine Prinzip­ zeichnung einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Motorgehäuse 2, einem Zylinderkopf 3, einem Zylinder 4 und einem Kolben 5, der über ein Pleuel 6 auf eine Kurbelwelle 7 arbeitet.

Im Zylinderkopf 3 befinden sich zwei Gaswechselkanäle, wobei der erste ein Einlaßkanal 8 und der zweite ein Auslaßkanal 9 ist, die beide in einen Brennraum 10 münden.

Der Gasstrom in den Gaswechselkanälen wird von zwei Kolbenschie­ bern 11 und 12 mit Gleitbolzen 13 und 14 über zwei obenliegende Nockenwellen 15 und 16 mit Steuernocken 17 und 18 gesteuert. Ventilfedern 19 und 20 drücken die Kolbenschieber 11 und 12 mit ihren Gleitbolzen 13 und 14 gegen die Steuernocken 17 und 18, so daß eine permanente kraftschlüssige Verbindung zwischen diesen und den Gleitbolzen 13 und 14 der Kolbenschieber 11 und 12 be­ steht.

An den dem Brennraum 10 zugewandten Enden der Kolbenschieber 11 und 12 sind Kolbenringe 21 und 22 angeordnet, die den Brennraum 10 zu den Kolbenschiebern 11 und 12 abdichten.

Die Steuernocken 17 und 18 sind konisch (siehe Fig. 4) und axial in der in Fig. 4 durch Pfeile ← → gekennzeichneten Richtung ver­ schiebbar. Durch die axiale Verschiebbarkeit der Steuernocken 17 und 18 wird erreicht, daß die Hubhöhe H der Kolbenschieber 11 und 12 variierbar ist und diese somit, bei geschlossenen Gas­ wechselkanälen, unterschiedlich weit in den Brennraum 10 ein­ tauchbar sind, wodurch das Kompressionsvolumen Vc und damit das geometrische Verdichtungsverhältnis ε veränderbar ist (ε = (V_H + V_C)/V_C V_H = Hubvolumen, V_C = Kompressionsvolumen).

Fig. 2 zeigt den Kolbenschieber 11 aus Fig. 1 nebst Steuernocke 17 in zwei Grenzstellungen für Vollast, wobei das Kompressions­ volumen V_C relativ groß und damit das Verdichtungsverhältnis ε verhältnismäßig niedrig ist. Gleiche Bauteile aus Fig. 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Grenzstellung für den geöffneten Einlaßkanal 8 ist durchgezogen und jene für den geschlossenen Einlaßkanal 8 strichliert dargestellt.

In Fig. 3 ist der Kolbenschieber 11 analog Fig. 2 dargestellt, jedoch für zwei Grenzstellungen bei Nullast, bei geschlossenem Gaswechselkanal in und zwischen beiden Grenzstellungen des Kol­ benschiebers 11, wobei das Kompressionsvolumen V_C gering und das Verdichtungsverhältnis ε maximal ist.

Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht des Kolbenschiebers 11 nebst ko­ nischer Steuernocke 17 in zwei Grenzstellungen für Teillast (mittleres Kompressionsvolumen V_C, mittleres Verdichtungsver­ hältnis ε) in einer Ansicht normal zur axialen Verstellrichtung des Steuernockens 17.

Die Grenzstellung für den teilweise geöffneten Einlaßkanal 8 ist durchgezogen und jene für den geschlossenen Einlaßkanal 8 strichliert dargestellt.

In Fig. 5 ist in einem zweiten Ausführungsbeispiel eine Prinzip­ zeichnung einer Betätigungseinrichtung 23 für einen Kolbenschie­ ber 24 in zwei Grenzstellungen für Vollast (großes Kompressions­ volumen V_C) dargestellt. Die Betätigungseinrichtung 23 umfaßt einen in Hubrichtung des Kolbenschiebers 24 bewegbaren und dreh­ baren Kipphebel 25, an dem ein Steuernocken 26 und der Kolben­ schieber 24 an Auflageflächen 27 und 28 kraftschlüssig anliegen.

Die Grenzstellung für einen geöffneten Einlaßkanal 8 ist strichliert und die Grenzstellung für den geschlossenen Einlaß­ kanal 8 durchgezogen dargestellt.

Der Kipphebel 25 ist an seinem Ende 29 in einem Lager 30 drehbar gelagert. Dieses ist an einem hydraulisch betätigten Kolben 31 befestigt, der seinerseits in einem Zylinder 32 radial geführt und vertikal verschieblich ist. Durch die vertikale Beweglich­ keit des Kolbens 31 ist das Ende 29 nebst Lager 30 des Kipphe­ bels 25 in Richtung der Hubbewegung des Kolbenschiebers 24 ver­ tikal verschiebbar.

Eine als Schenkelfeder ausgeführte Ventilfeder 33 drückt den Kolbenschieber 24 permanent gegen die Auflagefläche 28 des Kipp­ hebels 25 (Rückstellkraft), wodurch während des gesamten Ar­ beitszyklusses des Ventiltriebes eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Steuernocken 26 und Kipphebel 25 (Auflagefläche 27) si­ chergestellt ist.

Durch die Lage des Kolbens 31 und einen Hebel l₁ zwischen Lager 30 und der Auflagefläche 27 sowie einen Hebel l₂ zwischen den beiden Auflagefläche 27 und 28 ist die Lage des Endes 29 des Kipphebels 25 und damit die Lage des Kolbenschiebers 24 vor Be­ ginn seines Hubes H festgelegt. Durch die Drehung der Nocke 26 wird der Kolbenschieber 24 um den Hub H bewegt.

Je nach Stellung des Kolbens 31 zu Beginn des Einlaßtaktes öff­ net der Kolbenschieber 24 den Einlaßkanal 8 ganz (Vollast) oder teilweise (Teillast, Leerlauf) oder verschließt ihn permanent (Nullast).

Der Steuernocken 26 ist in dieser Anordnung zylinderförmig, da die relative Lage des Kolbenschiebers 24 zum Einlaßkanal 8 durch die Lage des Kipphebels 25 festgelegt wird und die Hubhöhe H des Kolbenschiebers 24 nicht verändert zu werden braucht. Erfin­ dungsgemäß erfolgt die Veränderung des geometrischen Verdich­ tungsverhältnisses ε und die Lastregelung (Zylinderfüllung) syn­ chron. So ist bei Vollast der Kolben 31 ganz in dem Zylinder 32 eingefahren, so daß der Einlaßkanal 8 im Einlaßtakt durch den Kolbenschieber 24 ganz geöffnet wird und die Füllung des Zylin­ ders 4 (siehe Fig. 1) entsprechend groß ist. Das Kompressionsvo­ lumen Vc ist verhältnismäßig groß und damit das geometrische Verdichtungsverhältnis (ε) relativ klein.

Umgekehrt wird im niederen Teillastbereich der Kolben 31 angeho­ ben, wodurch der Kipphebel 25 derart gedreht wird, daß der Kol­ benschieber 24 den Einlaßkanal 8 nur teilweise öffnet und somit der Zylinder eine geringere Füllung erhält. Während des Verdich­ tungstaktes taucht der Kolbenschieber 24 (Kolbenschieberhub H) tiefer in den Brennraum 10 ein als bei Vollast, wodurch das Kom­ pressionsvolumen V_C entsprechend verringert und damit das geome­ trische Verdichtungsverhältnis ε erhöht wird. Das maximale Ver­ dichtungsverhältnis ε wird bei Nullast (siehe Fig. 6) erreicht.

In Fig. 6 ist eine Prinzipzeichnung analog Fig. 5 in zwei Grenz­ stellungen des Kolbenschiebers 24 für Nullast (maximales geome­ trisches Verdichtungsverhältnis ε) bei geschlossenem Gaswech­ selkanal in und zwischen beiden Grenzstellungen des Kolbenschie­ bers 24 dargestellt. Für gleiche Bauteile aus Fig. 5 werden gleiche Bezugszeichen verwendet.

Die bei der Abdichtung der Kolbenschieber verwendeten Kolben­ ringe streichen bei der Hubbewegung der Kolbenschieber an den Kanten der Gaswechselkanäle vorbei, weshalb die umfangsmäßige Erstreckung der Gaskanalmündungen bezüglich der Kolbenschieber möglichst gering zu halten ist oder in die Gaskanalmündungen ein Steg zur Kolbenringführung vorgesehen werden muß.

Zur Vergrößerung des wirksamen Querschnittes für den Gaswechsel kann der Kolbenschieber nebst zugehörigem Zylinder oval ausge­ bildet sein.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann selbstver­ ständlich auch im zweiten Ausführungsbeispiel der Steuernocken konisch ausgebildet und axial verschieblich sein.

Claims (3)

1. Verfahren zur Gaswechselsteuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Brennraum und mit in diesen mündenden Ein- und Auslaß­ kanälen, wobei die Steuerung des Gasstromes in dem Einlaßkanal durch einen über eine Steuernocke zwangsgesteuerten Kolbenschie­ ber erfolgt, wobei ein Teil des Kolbenschiebers den Brennraum teilweise begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Leistungsregelung mindestens ein Kolbenschieber (11, 12, 24) als Steuerorgan im Einlaßkanal (8) verwendet wird und der Hub (H) des Kolbenschiebers (11, 12, 24) durch Veränderung der Nockensteuerkurve des Steuernockens (17, 18, 26) und/oder durch Veränderung der Ausgangslage des Kolbenschiebers (11, 12, 24) be­ zogen auf den Beginn seines Hubes (H) bei Vollast in Abhängig­ keit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine (1) derart veränderbar ist, daß bei Vollast das geometrische Verdichtungs­ verhältnis (ε) kleiner ist als bei Teillast.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuernocken (17, 18, 26) konisch ausgebildet und axial verschieblich ist.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Steuernocken (26) und Kolbenschieber (24) ein über eine Betätigungseinrichtung (23) in Hubrichtung des Kolbenschie­ bers (24) bewegbarer Kipphebel (25) angeordnet ist, an dem der Steuernocken (26) und der Kolbenschieber (24) in einem Hebelab­ stand (l₂) kraftschlüssig anliegen.