DE69104267T2

DE69104267T2 - Verbrennungskraftmaschine mit verzögerter Ladung.

Info

Publication number: DE69104267T2
Application number: DE69104267T
Authority: DE
Inventors: Jan Dahlgren; Jan Karlsson
Original assignee: Volvo AB
Current assignee: Volvo AB
Priority date: 1990-05-30
Filing date: 1991-05-22
Publication date: 1995-02-23
Anticipated expiration: 2011-05-23
Also published as: EP0459964A1; EP0459964B1; KR0184523B1; JP3054224B2; DE69104267D1; SE9001941L; SE467268B; JPH04231621A; ATE112361T1; US5143038A; SE9001941D0; KR910020310A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.
Die JP-A-582 146 offenbart eine Brennkraftmaschine dieser Art. Das Ventil hat ein Ventilelement verbunden mit einer Ventilstange, welche mit einer Spule zusammenarbeitet. Das Ventil wird benutzt zum Reduzieren eines Pumpverlustes.
Moderne Automobilmotoren, welche Ansaugluftsysteme mit abgestimmten Ansaugverteilern haben, haben einen relativ schmalen Optimalbereich für einen Optimalbetrieb, und dieser muß innerhalb des Drehzahlbereiches des häufigsten Motorenbetriebs bei normaler Fahrgeschwindigkeit angesiedelt sein. Bei niedrigeren Motorengeschwindigkeiten und sogar in einem gewissen Ausmaß bei höheren Motorengeschwindigkeiten kann der optimale Füllgrad nicht erhalten werden aufgrund der Tatsache, daß eine hinreichende Menge der Kraftstoff- Luft-Mischung nicht den Motorenzylindern zugeführt wird. Bei niedriger Motorengeschwindigkeit werden sowohl die Motoreneffizienz als auch der Fahrkomfort armseliger sein als innerhalb des Motorengeschwindigkeitsbereichs, für den der Ansaugverteiler abgestimmt ist.
Seit einiger Zeit ist es bekannt, sogenanntes verzögertes Laden zu benutzen, um den Füllgrad des Motors und das Drehmoment, vorzugsweise bei niedriger Motorengeschwindigkeit, d.h. bei Drehzahlen unter der, auf die der Ansaugverteiler abgestimmt ist, zu erhöhen. Verzögertes oder impulsförmiges Laden kann erzielt werden mit Hilfe von Ventilen in den Ansaugverteilern, wobei die Ventile geschlossen gehalten werden während der anfänglichen Phase des Ansaugtaktes, um somit einen negativen Druck in der Zylinderkammer zu erzeugen. Zu einem bestimmten Zeitpunkt - gemäß dem Prinzip: je niedriger die Drehzahl, desto später im Ansaugtakt - wird das Ventil geöffnet, und die Kraftstoff-Luft-Mischung wird in den Zylinder fließen gelassen. Dieser Impulseffekt schafft somit ein "Überladen", welches das Motorendrehmoment erhöht.
Bei einer bekannten Brennkraftmaschine mit verzögertem Laden (DE 33 870) ist eine Ventilvorrichtung in der Form eines Paares rotierbar angetriebener plattenförmiger Ventilelemente angeordnet in dem Motorenansaugverteiler. Die Platten haben sich umfangsmäßig erstreckende Schlitze, welche den Querschnitt des Ansaugverteilers einmal per Umdrehung freilegen. Dieses Design bewirkt somit ein schrittweises Freilegen des Flußquerschnittes des Ansaugverteilers, wenn der Vorderrand des Schlitzes sich über den Querschnitt bewegt, und ein schrittweises Schließen, wenn sich der Hinterrand über den Querschnitt bewegt.
Im allgemeinen wird, je schneller sich das Ventil im Ansaugverteiler öffnen kann, desto größer der Impulseffekt und somit das Laden werden. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine des mittels der Einführung beschriebenen Typs mit einer Ventilvorrichtung zu schaffen, welche sich schneller öffnen kann als die oben beschriebenen bekannten Ventilvorrichtungen sich öffnen können, welche einfach in ihrer Konstruktion ist und gsteuert werden kann, in präziser Weise ihre Ventilseiten anzupassen an die momentane Motorengeschwindigkeit und -last.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Ventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1.
Solch eine Ventilklappe, plaziert in einem magnetischen Feld, welches erzeugt wird durch einen permanent im Ansaugverteiler angebrachten Elektromagneten, kann mit niedrigem Gewicht hergestellt werden. Da sie nicht mit irgendeiner speziellen Betriebseinrichtung verbunden zu werden braucht, wird das Design im ganzen nicht nur leicht, sondern ebenfalls einfach und billig sein. Das niedrige Gewicht schafft sehr geringe Trägheit und somit wird die Reaktionszeit des Ventils kurz sein. Die elektromagnetische Steuerung des Ventils ermöglicht es, dieselben Steuerprinzipien zu benutzen, welche benutzt werden beim Steuern einer Motorenzündung, und dies macht es möglich, in einer sehr einfachen Art und Weise eine sehr präzise Steuerung der Ventilzeiten in Bezug auf Motorengeschwindigkeit und -last zu erzielen.
Die Erfindung wird detaillierter beschrieben werden mit Bezug auf ein Beispiel, das in der begleitenden Zeichnung gezeigt ist.
Die Figuren zeigen im einzelnen:
Figur 1 ein Querschnitt durch einen Abschnitt eines Zylinderkopfes mit einem Ansaugverteiler;
Figur 2 ein Diagramm zum Illustrieren der Klappventilzeiten in Bezug auf die gewöhnlichen Motorenventilzeiten;
Figur 3 ein Indikatordiagramm; und
Figur 4 ein Diagramm zum Illustrieren der Änderung in dem Füllgrad innerhalb eines niedrigen Drehzahlbereichs mit verzögertem Laden.
In Figur 1 bezeichnet 1 im allgemeinen ein Abschnitt eines Zylinderkopfes einer Brenkraftmaschine mit doppeltem Überkopfnockenwellen, von denen eine gezeigt ist und mit 2 bezeichnet ist. Der jeweilige Nocken 3 steuert über Ventilheber 4 die Ansaugventile 5 in den Ansaugführungen 6, welche zu der jeweilgien Zylinderkammer 7 führen. Eine Ansaugleitung 8 ist mit der gezeigten Führung 6 verbunden, und diese Leitung kann eine von 4 Ästen eines Ansaugverteilers zu einem Vierzylindermotor sein, wobei die anderen Äste (nicht gezeigt) in einer entsprechenden Art und Weise eine Verbindung zu jeweiligen Ansaugführungen zu anderen Zylinderkammern des Motors schaffen.
Die Ansaugleitungen 8 sind geteilt durch Teilungswände 9 in zwei Passagen 10 und 11. Am Ende der Wand 9 nahe dem Zylinderkopf gibt es einen Stift 12, welcher in einer Art und Weise angebracht ist, die hier nicht detailierter beschrieben werden wird. Der Stift 12 haltert ein Paar von Ventilenklappen 13, 14 und kann beispielsweise befestigt sein in der Ansaugleitung 8, und die Klappen 13, 14 können angebracht sein an dem Stift 12 nach demselben Prinzip, wie ein "Pianoscharnier". Die Klappen 13, 14 haben solch eine gestalt (halbkreisförmig, halbelliptisch oder dergleichen), daß sie in der in Figur 1 gezeigten Position, in der sie eien spitzen Winkel zueinander bilden, eine Versiegelung gegen einen Flansch in der Ansaugleitung 8 bilden, welcher als ein Ventilsitz dient. In der in Figur 1 gezeigten Position der Ventilklappen 13, 14 ist die Kommunikation zwischen der Ansaugleitung 8 stromaufwärts der Klappen 13, 14 und der Ansaugführung 6 somit unterbrochen. Der Stift 12 haltert eine schwache Helixfeder 16, welche eine kleine Kraft ausübt, die bemüht ist, die Klappen in der gezeigten Position zu halten. Elektromagnete sind befestigt außerhalb der Ansaugleitung 8, mittels derer magnetische Felder in der Ansaugleitung nahe dem Ventilsitzflansch 15 erzeugt werden.
Figur 1 zeigt schematisch und nur zur Illustration zwei diametral gegenüberliegende Elektromagnete 17, 18, deren Magnetbalken 19, 20 sich erstrecken durch die Wand der Ansaugleitung 8 und die ihre inneren Enden mit dem Ventilsitzflansch 15 bündig haben. Abhängig vom Design der Elektromagnete 17, 18 und des Flansches 15 kann ein magnetisches Feld erzeugt werden, im Bereich des gesamten Flansches 15 oder Teilen davon, wenn Strom dem Elektromagneten zugeführt wird. Die Klappen 13, 14 sind vollständig oder teilweise hergestellt aus einem magnetischen Material, und dies bedeutet, daß unter dem Einfluß der elektromagnetischen Anziehungskraft sie gehalten werden gegen den Flansch 15, wenn der Strom eingeschaltet ist.
Wenn die Klappen 13, 14 geschlossen sind in der anfänglichen Phase des Ansaugtaktes des Zylinders, wird der negative Druck in der Zylinderkammer erzeugt, und somit gibt es eine Druckdifferenz über die Klappen mit einer resultierenden Kraft auf die Klappen in der Öffnungsrichtung. Diese können jetzt zu öffnen gesteuert werden in Übereinstimmung mit zwei Modellen, welche prinzipiell verschieden sind.
Gemäß dem ersten Modell wird zu einem bestimmten Zeitpunkt bestimmt durch Signale von einer Steuereinheit (hierin nicht detaillierter gezeigt), an die Signale darstellend unter anderem Motorengeschwindigkeit und -last eingespeist werden, der Strom unterbrochen für einen oder beiden Elektromagnete, woraufhin eine oder beide der Klappen geschwungen wird in eine Position parallel zur Flußrichtung. Eine momentane Polumkehr des Stromes, wenn das Ventil geöffnet ist, "demagnetisiert" die Ventilklappen zum Vermeiden residuellen Magnetismus. Die Polumkehr schafft ebenfalls eine zurückstoßende Kraft, welche zu einem gewissen Ausmaß beitragen kann zur sehr schnellen Öffnungsreaktion des Ventils. Gemäß dem zweiten Modell wird die anziehende Kraft der Magneten gesteuert mittels eines Spannungsreglers, und die Ventilklappen werden sich öffnen, wenn die durch die Druckdifferenz über die Klappen erzeugte Kraft größer als die magnetische Kraft wird. Die durch den Spannungsregler zugeführte Spannung wird unter anderem durch die Motorengeschwindigkeit und -last bestimmt.
Das Diagramm in Figur 2 illustriert, wenn die Spannung für die Elektromagneten eingeschaltet wird bezüglich der Öffnungszeiten des Abgas- und Ansaugventils in einer Anordnung, welche gemäß dem ersten oben beschriebenen Modell gesteuert wird. Wenn der Strom unterbrochen wird, lösen die Elektromagnete die Klappen, welche sich dann öffnen. Abhängig von der Motorengeschwindigkeit wird die Lösezeit variieren zwischen der Zeit, wenn das Abgasventil vollständig geschlossen ist (gestrichelte Linie) und der Zeit, wenn das Ansaugventil sich etwa um zwei drittel geöffnet hat. Wenn das Ansaugventil sich komplett geschlossen hat, wird der Strom wieder zugeführt. Die Kraft der schwachen Feder 15 bringt dei Ventilklappen 13, 14 in ihre geschlossene Position zurück, da es nicht länger einen negativen Druck auf der Ansaugseite gibt.
Figur 3 zeigt ein Indikatordiagramm, bei dem die durchgezogene Kurve die angezeigte Arbeit eines Motors mit der oben beschriebenen Ventilanordnung für verzögertes Laden zeigt. Die gestrichelte Linie zeigt die angezeigte Arbeit für denselben Motor ohne verzögertes Laden. Das Diagramm zeigt, daß die Erfindung etwa 15% zusätzliches Drehmoment schafft. Die Änderung im Füllgrad ist im Diagramm in Figur 4 gezeigt.
Der oben beschriebene Motor hat eine Ansaugleitung 8 geteilt durch eine mittlere Wand 9 in zwei Passagen 10 und 11, mit zwei Ventilklappen 13, 14, welche ihre geschlossene Position eine V-förmige Konfiguration haben, so daß sie als Rücksperrventile funktionieren und einen Rückfluß während des Überlapps zwischen den Öffnungsphasen des Abgas- und Ansaug-Ventils verhindern. Diese Klappventile können sich individuell oder zusammen öffnen, um eine oder beide Passagen zu öffnen.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht begrenzt auf solch eine Anordnung. Die meisten Motoren haben diese Teilung der Anasaugleitung in zwei Passagen nicht, und haben nur eine Passage oder Führung pro Zylinder. Aber selbst in diesem Fall können zwei Ventilklappen des beschriebenen Designs d.h. scharniergelagert auf einem Stift, der zentral angebracht ist in der Führung, benutzt werden. In diesem Fall sind beide Klappen stets synchronisiert. Innerhalb des Umfangs der Erfindung kann ebenfalls eine einzelne scharniergelagerte Klappe selbstverständlich auch benutzt werden, und zwar angebracht in solch einer Art und Weise, die Rücksperrventilfunktion vorgesehen ist.
Anstatt scharniermäßiger Klappen können fest angebrachte Klappen flexiblen Materials benutzt werden, welche sich durch Biegen der Klappe selber öffnen.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird ein Klappventil pro Zylinder benutzt, aber es ist ebenfalls möglich, ein Ventil mit verschiedenen Zylindern zu koordinieren.
Falls das Ventil später geöffnet wird als oben beschrieben für den maximalen Füllgrad, kann eine Turbulenz in der Verbrennungskammer ansteigen. In Kombination mit der beschriebenen Flappventilanordnung können die gewöhnlichen Ansaugventile des Motors sich früher öffnen und später schließen gelassen werden.

Claims

1. Brennkraftmaschine mit einem Ventil, angeordnet in der Ansaugführung für die jeweilige Zylinderkammer, wobei das Ventil stromaufwärts der Zylinderansaugventileinrichtung angesiedelt ist und in seiner geschlossenen Position die Ansaugführung versiegelt, um zu verhindern, daß die Kraftstoff-Luft-Mischung in die Zylinderkammer fließt, wobei das Ventil zu einem bestimmten Zeitpunkt gesteuert wird, die Führung zu öffnen, so daß die Kraftstoff-Mischung frei in die Zylinderkammer fließen kann, wobei das Ventil ein Ventilelement hat, welches angeordnet ist in der Ansaugführung (10, 11), wobei das Ventilelement kooperiert mit einer elektromagnetischen Betriebseinrichtung (17 - 20), welche in dem aktivierten Zustand das Ventilelement in seiner geschlossenen Position hält, dadurch gekennzeichnet, daß

das Ventilelement zumindest eine Ventilklappe (13, 14) umfaßt, von der zumindest ein Abschnitt aus einem magnetischen Material besteht, und

die elektromagnetische Betriebseinrichtung (17 -20) befestigt ist relativ zur Ansaugführung (10, 11) und so angeorndet ist, daß sie in ihrem aktivierten Zustand ein magnetisches Feld erzeugt, das im Bereich der Klappe agiert und bestrebt ist, die Klappe in ihrer geschlossenen Position während der anfänglichen Phase des Ansaugtaktes zu halten.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilklappe (13, 14) so angeordnet ist, daß ein höherer Druck auf ihrer Seite gegenüber der Zylinderkammer als auf ihrer gegenüberliegenden Seite in der Schließrichtung agiert, während eine umgekehrte Druckdifferenz in der Öffnungsrichtung agiert.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilklappe (13, 14) federvorgespannt ist in Richtung ihrer geschlossenen Position.

4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil zwei Ventilklappen (13, 14) hat, welche in entgegengesetzte Richtungen in ihren geschlossenen Positionen agieren, und welche zentral scharniermäßig in der Ansaugführung (10, 11) gelagert sind.

5. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansaugführung zwei Passagen (10, 11) hat, welche unterteilt sind durch eine zentrale Teilungwand (9), und daß die Ventilklappen (13, 14) scharniermäßig gelagert sind an einem gemeinsamen Stift (12) an einem inneren Ende der Trennungswand.