EP0182826A1 - Viertakt-verbrennungsmotor mit einer einrichtung zum zurückführen von gasen aus einer abgasleitung in den verbrennungsraum - Google Patents

Viertakt-verbrennungsmotor mit einer einrichtung zum zurückführen von gasen aus einer abgasleitung in den verbrennungsraum

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Publication number
EP0182826A1
EP0182826A1 EP85902472A EP85902472A EP0182826A1 EP 0182826 A1 EP0182826 A1 EP 0182826A1 EP 85902472 A EP85902472 A EP 85902472A EP 85902472 A EP85902472 A EP 85902472A EP 0182826 A1 EP0182826 A1 EP 0182826A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
exhaust
control member
combustion chamber
opening
valve
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP85902472A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter SCHÜLE
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Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP0182826A1 publication Critical patent/EP0182826A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D21/00—Controlling engines characterised by their being supplied with non-airborne oxygen or other non-fuel gas
    • F02D21/06—Controlling engines characterised by their being supplied with non-airborne oxygen or other non-fuel gas peculiar to engines having other non-fuel gas added to combustion air
    • F02D21/08—Controlling engines characterised by their being supplied with non-airborne oxygen or other non-fuel gas peculiar to engines having other non-fuel gas added to combustion air the other gas being the exhaust gas of engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/02—Valve drive
    • F01L1/04—Valve drive by means of cams, camshafts, cam discs, eccentrics or the like
    • F01L1/08—Shape of cams
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/14—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories in relation to the exhaust system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/17—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories in relation to the intake system
    • F02M26/20—Feeding recirculated exhaust gases directly into the combustion chambers or into the intake runners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B2075/022—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/027—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle four
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B2275/00—Other engines, components or details, not provided for in other groups of this subclass
    • F02B2275/18—DOHC [Double overhead camshaft]

Definitions

  • the invention relates to a four-stroke internal combustion engine with at least one combustion chamber, control organs for the inlet and outlet of grass, such as valves or slides, and with a device for returning gases from an exhaust pipe into the combustion chamber.
  • control organs for the inlet and outlet of grass such as valves or slides
  • a device for returning gases from an exhaust pipe into the combustion chamber
  • Such a mode of operation appears to function at best in a narrow speed range, and in addition, such a mode of operation would presuppose that a higher harmonic of the exhaust system, which generally works on the fundamental frequency for optimum sound absorption, is exploited. With a higher harmonic, however, the amplitude of the vibrations is small and the effect is therefore limited. Such a return of fresh gas into the combustion chamber prevents unburned fuel from escaping through the exhaust, but the degree of filling of the combustion chamber cannot be increased.
  • This object is achieved according to the invention in that a device for briefly opening the exhaust control member is provided, which opens an exhaust control member in the period after the opening of the intake control member and before the ignition.
  • the invention thus provides that the exhaust control element, hereinafter simply called the exhaust valve, after it has been closed at a later point in time after the completion of the exhaust process, in the end section of which the intake valve (more precisely the intake control element may have already been opened) is opened again before igniting the combustible gas mixture. If there are several exhaust control members, they do not have to be opened and / or closed at the same time. In particular, the exhaust control element used for gas recirculation can already be closed before the end of the exhaust process.
  • the advantage of the invention is that the period of reopening can be selected so that during this period there is a relatively high pressure in the exhaust pipe of the combustion chamber, which returns the gases in the exhaust pipe in the immediate vicinity of the combustion chamber back into the combustion chamber.
  • the fundamental or a low harmonic for example the second or third harmonic
  • the fundamental or a low harmonic can be used when using vibrations of the exhaust system if there is a longer period of time between the end of the exhaust process and the reopening of the exhaust control member.
  • the amplitudes of the vibrations are relatively large and the gas recirculation is therefore particularly effective. This makes it possible to bring about a pressure increase in the combustion chamber through the gas recirculation.
  • a high pressure in the exhaust pipe enables the exhaust valve to be opened again at a point in time when the fresh gases drawn in are already compressed after the intake process has been completed.
  • Another advantage of the invention is that the length of time that the outlet valve is opened again, and thereby the amount of the returned gases, can be precisely determined in a simple manner.
  • the period in which the exhaust valve is opened again can be controlled as a function of the speed, so that optimum gas return is achieved in each case.
  • the invention can be applied to such engines that are designed for high performance, particularly those that work with an overlap between the opening times of the intake valve and exhaust valve in the transition area between the exhaust process and the intake process.
  • the overlap in the opening times of the intake and exhaust control members is known to be used in high-performance engines to accelerate the fresh gas column in front of the intake control member so that the combustion chamber can be filled quickly. Due to the high flow velocity in the intake pipe, after the exhaust control element is closed, overloading in the combustion chamber can also be achieved. Accordingly, in one embodiment of the invention, the exhaust control member is opened again with the intake control member still open.
  • the maximum opening of the exhaust control member is also while the intake control member is still open; in another embodiment, however, the intake control member is already closed again at the maximum opening of the exhaust control member.
  • the beginning of the reopening of the exhaust control member can be set so that the intake control member is already closed at this time.
  • fresh gas generally a gasoline vapor-air mixture or fresh air in combustion chamber injection
  • exhaust gas can also be returned.
  • the combustion temperature can also be reduced by the recycled proportions of exhaust gas.
  • the pressure wave passing the exhaust valve from the exhaust pipe can cause an overload in the combustion chamber, thereby increasing the performance of the engine can be increased.
  • the invention can also be used in those engines in which there is no overlap between the opening times of the intake and exhaust control members, that is to say in conventional commercial engines. In such a case, no fresh gas can get into the exhaust pipe, and therefore at opening the exhaust control element again only delivers exhaust gas back into the combustion chamber, so that the generation of excessive amounts of nitrogen oxides is prevented. It is particularly advantageous here in the invention that the amount of exhaust gas recirculated can be determined very precisely by suitable control of the exhaust valve.
  • the exhaust control member in the event that it is a valve controlled by a camshaft, can be controlled in a simple manner in the manner according to the invention in that the camshaft has a further nooke for the exhaust valve which, in addition to the nooke controlling the exhaust process, has the desired Has angular distance.
  • the invention is also applicable to engines in which no valves are provided, but in which slides are provided.
  • the piston of the engine can also act as such a slide.
  • valve valve, slide
  • a further control element which is provided in addition to the intake valve and exhaust valve and which is connected to the exhaust pipe. It also appears possible, in those cases in which four valves are provided per cylinder of the four-stroke engine, namely two intake valves and two exhaust valves, to open only one of the two exhaust valves during the reopening process according to the invention, or to close the two exhaust valves again in a different time sequence to open.
  • the invention applies to existing engine systems, in particular also to motor vehicles with a four-stroke engine, To be realized, it may be appropriate to provide changes to the exhaust system for optimal tuning, especially with regard to the resonance frequencies of the exhaust systems.
  • the period at which the exhaust valve opens again can be in a relatively wide range, it seems possible that changes to the exhaust system can be made redundant, at least in some cases, by this period of reopening of the exhaust valve is placed appropriately.
  • Fig. 1 a longitudinal section through a cylinder
  • FIG. 2 shows a longitudinal section, partially broken off, through the cylinder of a second embodiment of a four-stroke engine, in which two valves and a slide are provided,
  • Fig. 3 schematically shows a timing diagram for the actuation of the intake and exhaust control members.
  • a piston 4 is slidably guided in a cylinder 2, which drives a crankshaft, also not shown, in a known manner via a connecting rod, not shown.
  • An intake valve 10 actuated by a first camshaft 8 is arranged in a cylinder head 6, and an exhaust valve 14 actuated by a second camshaft 1 is also provided.
  • the valves 10 and 14 control the connection between an inlet duct 16 and an outlet duct 18 and the combustion chamber 20 of the engine.
  • the first camshaft 8 has a cam 22 associated with the intake valve 10
  • the second camshaft 12 has a cam 24 associated with the exhaust valve 14.
  • the camshafts are coupled to the crankshaft.
  • the ends of the valves facing away from the valve plates 26 are held in contact with the cams controlling them by springs 28.
  • the engine shown in Fig. 1 thus operates with an overlap of the opening times of the intake and exhaust valves. As far as the motor according to FIG. 1 has been described so far, it belongs to the prior art.
  • the engine 1 differs from known engines in that the camshaft 12 has a further cam 30 assigned to the exhaust valve 14. Through the further cam 30, the outlet valve 14, after it has initially been completely closed starting from the position shown in FIG. 1, and after the inlet valve 10 has been completely opened, whereby the piston 4 has also moved downward, opened again.
  • fresh gas that is to say a combustible fuel-air mixture which has entered the outlet channel 18 directly from the inlet channel 16
  • the maximum opening of the outlet valve 14 caused by the further cam 30 occurs at a time when the inlet valve 10 has almost closed again.
  • the pressure wave originating from the exhaust system therefore causes the fuel that has not yet burned to be returned to the combustion chamber 20, as well as a pressure increase and thus an overload. This means that the fuel is used well and the performance is increased.
  • the engine 1 can be modified such that the opening does not overlap when the charge is changed. In such a case, fuel-free exhaust gas is returned to the combustion chamber 20 when the exhaust valve 14 is opened by the further cam 30.
  • the further cam 30 is lower than the cam 24 and more pointed than this. Therefore, the maximum opening of the exhaust valve caused by the further cam 30 is smaller than the opening caused by the cam 24, and also the exhaust valve 14 remains open for a shorter time when opened by the further cam 30 than when it is opened by the cam 24 is opened.
  • the timing of the opening of the exhaust valve 14 again and the duration of the opening can be adapted to the respective requirements.
  • the engine 31 according to FIG. 2 differs from known engines in that the exhaust port 18 of the cylinder head 6, which leads into an exhaust pipe 38, is connected to a bore 42 in the cylinder 44 by a branch 40 of the exhaust pipe 38.
  • the bore 42 is fully open in its bottom dead center in the position of the piston 4 shown, but is covered when the piston 4 moves upward.
  • the piston 4 thus forms a slide which closes or releases the bore 42.
  • the outlet valve 14 is closed and the inlet valve 10 is in the process of being closed; the suction process is therefore nearing its end.
  • a pressure wave delivered by the exhaust system enters the combustion chamber 20 and introduces exhaust gases and thus carbon dioxide into the combustion chamber 20.
  • unburned fuel contained in the exhaust pipe 38 can also be returned to the combustion chamber 20 through the branch 40.
  • Fig. 3 shows in a diagram, which contains the crankshaft position in degrees in the horizontal axis, the time course of the opening of the intake valve and the exhaust valve of the engine 1 according to Fig. 1 when changing the gas, i.e. during the exhaust process and the subsequent intake process.
  • Curve a shows the opening of the exhaust valve 14 during the normal exhaust process.
  • the outlet valve 14 opens quickly (rising edge of curve a), then remains open for some time (horizontal section of curve a) and then closes again quickly (falling edge of curve a).
  • the intake valve 10 opens (curve b). There is therefore an overlap of tax times.

Description

Viertakt-Verhrennungsmotor mit einer Einrichtung zum Zurückführen von Gasen aus einer Abgasleitung in den Verbrennungsraum
Die Erfindung betrifft einen Viertakt-Verbrennungsmotor mit mindestens einem Verbrennungsraum, Steuerorgahen für den Einlaß- und Auslaß von Grasen, wie Ventilen oder Schiebern, und mit einer Einrichtung zum Zurückführen von Gasen aus einer Abgasleitung in den Verbrennungsraum. In dem Buch "Wege zum Hochleistungs-Viertaktmotor" von Ludwig Apfelbeσk, Motorbuch-Verlag Stuttgart 1983, wird auf Seite 28 angegeben, daß eine infolge einer Überschneidung der Öffnungszeiten zwischen dem Einlaßventil und dem Auspuffventil beim Übergang zwischen dem Auspuffvorgang und dem Ansaugvorgang Frischgas, das in das Auspuffrohr gelangt ist, durch Schwingungsvorgänge wieder in den Zylinder zurückgestoßen werden kann. Eine derartige Betriebsweise erscheint allenfalls in einem engen Drehzahlbereich funktionsfähig, und außerdem würde eine derartige Betriebsweise voraussetzen, daß eine höhere Oberschwingung des Auspuffsystems, das für eine optimale Schalldämpfung im allgemeinen auf der Grundfrequenz arbeitet, ausgenutzt wird. Bei einer höheren Oberschwingung jedoch ist die Amplitude der Schwingungen klein und die Wirkung daher begrenzt. Durch eine derartige Rückförderung von Frischgas in den Verbrennungsraum wird verhindert, daß unverbrannter Brennstoff durch den Auspuff nach außen gelangt, es kann jedoch der Füllungsgrad des Verbrennungsraums nicht vergrößert werden.
Es ist außerdem bekannt, von der Auspuffanläge eine Rohrleitung zur Ansaugleitung des Motors zu verlegen, durch die ein gewisser Anteil von Auspuffgasen beim Ansaugvorgang durch das Einlaßsteuerorgan in den Verbrennungsraum gelangt. Hierdurch wird bezweckt, daß die Spitzentemperatur im Verbrennungsraum gesenkt wird, um dadurch die Menge der entstehenden Stickoxide zu verringern. Es weist nämlich das in Auspuffgasen enthaltene Kohlendioxid eine relativ hohe spezifische Wärmekapazität auf und bewirkt daher eine Absenkung der Verbrennungstemperaturen. Eine derartige Abgasrückführung ist konstruktiv aufwendig. Die Anordnung eignet sich zwar zur Verringerung der Stickoxide, ist jedoch dann nicht geeignet, wenn eine Überladung erzielt werden soll. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem eingangs geschilderten Viertaktmotor eine Möglichkeit zu schaffen, die sich konstruktiv einfach verwirklichen läßt und die es ermöglicht, wahlweise in die Abgasleitung gelangtes Frischgas oder Auspuffgase in den Verbrennungsraum zurückzubringen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Vorrichtung zum kurzzeitigen Öffnen des Auslaßsteuerorgans vorgesehen ist, die ein Auslaßsteuerorgan im Zeitraum nach dem Öffnen des Einlaßsteuerorgans und vor dem Zünden erneut öffnet.
Durch die Erfindung wird somit vorgesehen, daß das Auslaßsteuerorgan, nachfolgend vereinfachend nur kurz Auslaßventil genannt, nachdem es nach Abschluß des AuspuffVorgangs, in dessen Endabschnitt das Einlaßventil (genauer das Einlaßsteuerorgan) möglicherweise bereits geöffnet war, geschlossen worden war, zu einem späteren Zeitpunkt, jedoch noch vor dem Zünden der brennfähigen Gasmischung erneut geöffnet wird. Wenn mehrere Auslaßsteuerorgane vorhanden sind, so müssen diese nicht gleichzeitig geöffnet und/oder geschlossen werden. Insbesondere kann das zur Gasrückführung verwendete Auslaßsteuerorgan vor dem Ende des Auspuffvorgangs bereits geschlossen sein. Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der Zeitraum des erneuten Öffnens so gewählt werden kann, daß während dieses Zeitraums in der Auspuffleitung des Verbrennungsraumes ein relativ hoher Druck herrscht, der die in der Auspuffleitung in nächster Nähe des Verbrennungsraums befindlichen Gase in den Verbrennungsraum zurückfördert. Dabei kann durch geeignete Wahl des Zeit raums, in dem das Auslaßventil abermals geöffnet ist, möglicherweise innerhalb eines großen Drehzahlbereichs diese geschilderte Gasrückführung wirkungsvoll vorgenommen werden. Weiter ist von Vorteil, daß bei der Ausnutzung von Schwingungen des Abgassystems die Grundschwingung oder eine niedrige Oberschwingung, beispielsweise die zweite oder dritte Oberschwingung verwendet werden kann, wenn zwischen dem Ende des Auspuffvorgangs und dem abermaligen Öffnen des Auslaßsteuerorgans eine größere Zeitspanne liegt. Bei derartigen Grund- oder Oberschwingungen sind die Amplituden der Schwingungen relativ groß und daher die Gasrückführung besonders wirkungsvoll. Dies ermöglicht es, durch die Gasrückführung auch eine Drucküberhöhung im Verbrennungsraum zu bewirken. Außerdem ermöglicht es ein hoher Druck in der Abgasleitung, daß das Auslaßventil zu einem Zeitpunkt abermals geöffnet werden kann, wo nach Abschluß des Ansaugvorgangs die angesaugten Frischgase bereits verdichtet werden.
Weiter ist bei der Erfindung von Vorteil, daß die Zeitdauer der abermaligen Öffnung des Auslaßventils und dadurch die Menge der rückgeführten Gase auf einfache Weise genau bestimmt werden kann.
Bei Motoren mit sehr großem Drehzahlbereich kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung der Zeitraum, in dem das Auslaßventil abermals geöffnet wird, drehzahlabhängig gesteuert werden, damit jeweils ein Optimum der Gasrückführung erzielt wird.
In dem eingangs zitierten Buch ist zwar angegeben, daß bei Zweitakt-Rennmotoren eine beträchtliche Überladung dadurch erreicht wird, daß während des Spülvorganges eine gewisse Frischgasmenge zunächst in die besonders gestaltete Auspuffanlage gelangt und dann durch eine Druckwelle wieder in den Zylinder zurückgeführt wird. Diese Angabe bietet jedoch dem Fachmann, der sich mit der Verbesserung von Viertakt-Motoren befaßt, keine Hilfe, und führt ihn nicht zur Erfindung, weil der Gaswechselvorgang am Zweitaktmotor prinzipiell anders abläuft als beim Viertaktmotor. Der Ansaugvorgang findet beim Zweitaktrennmotor nicht direkt statt, sondern das Ansaugen erfolgt über das Kurbelhaus während des Überströmtaktes in den Brennraum. Der Überströmvorgang findet bei geöffnetem Auspuffschlitz statt. Das heißt der Auspuffvorgang beginnt vor dem Überströmen und endet nach dem Überströmen, dadurch ist ein Rückführen von Frischgas möglich. Beim Viertaktmotor laufen jedoch Auspuff- und Ansaugvorgang zeitlich getrennt ab, das heißt der gesamte Ansaugvorgang kann nicht während des Ausstoßens stattfinden.
Die Erfindung läßt sich bei solchen Motoren anwenden, die für eine hohe Leistung konstruiert sind, somit insbesondere bei solchen, bei denen mit einer Überschneidung zwischen den Öffnungszeiten des Einlaßventils und Auslaßventils im Übergangsbereich zwischen dem Auspuffvorgang und dem Ansaugvorgang gearbeitet wird. Die Überschneidung in den Qffnungszeiten der Einlaß- und Auslaßsteuerorgane wird bei Hochleistungsmotoren bekanntlich dazu verwendet, die Frischgassäule vor dem Einlaßsteuerorgan zu beschleunigen, so daß der Verbrennungsraum rasch gefüllt werden kann. Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit im Ansaugrohr kann dabei, nachdem das Auslaßsteuerorgan geschlossen ist, auch eine Überladung im Verbrennungsraum erzielt werden. Demgemäß wird bei einer Ausführungsform der Erfindung das Auslaßsteuerorgan bei noch offenem Einlaßsteuerorgan erneut geöffnet. Dabei kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung das Maximum der Öffnung des Auslaßsteuerorgans ebenfalls bei noch offenem Einlaßsteuerorgan liegen, bei einer anderen Ausführungsform dagegen ist beim Maximum der Öffnung des Auslaßsteuerorgans das Einlaßsteuerorgan bereits wieder geschlossen. Schließlich kann der Beginn der erneuten Öffnung des Auslaßsteuerorgans so gelegt werden, daß zu diesem Zeitpunkt das Einlaßsteuerorgan bereits geschlossen ist. Bei den geschilderten Ausführungsformen ist im allgemeinen damit zu rechnen, daß bei Beginn des Ansaugvoτgangs Frischgas, im allgemeinen also ein Benzindampf-Luftgemisch oder Frischluft bei Brennraumeinspritzung, auch in die Auspuffleitung gelangt. Beim abermaligen Öffnen des Auslaßsteuerorgans wird dieses Frischgas ganz oder teilweise in den Verbrennungsraum zurückgefördert. Je nach Dauer der Öffnung des Auslaßsteuerorgans kann auch Auspuffgas zurückgefördert werden. Es kann somit verhindert werden, daß unverbrannter Treibstoff durch den Auspuff nach außen gelangt und falls .gewünscht, kann auch die Verbrennungstemperatur durch die zurückgeführten Anteile an Auspuffgas abgesenkt werden. Bei derjenigen Ausführungsform, bei der das Auslaßventil dann abermals geöffnet wird, wenn das Einlaßventil bereits geschlossen ist oder sich unmittelbar vor dem Schließen befindet, kann durch die das Auslaßventil von der Auspuffleitung her passierende Druckwelle eine Überladung im Verbrennungsraum erzielt werden, wodurch die Leistung des Motors erhöht werden kann.
Die Erfindung ist auch bei solchen Motoren verwendbar, bei denen keine Überschneidung zwischen den Öffnungszeiten der Einlaß- und Auslaßsteuerorgane vorliegt, also bei üblichen Gebrauchsmotoren. In einem derartigen Fall kann kein Frischgas in die Auspuffleitung gelangen, und daher wird beim abermaligen Öffnen des Auslaßsteuerorgans lediglich Auspuffgas in den Verbrennungsraum zurückgefördert, so daß die Erzeugung von zu großen Mengen an Stickoxiden verhindert wird. Hier ist bei der Erfindung besonders von Vorteil, daß die Menge der zurückgeführten Auspuffgase durch geeignete Steuerung des Auslaßventils sehr genau bestimmt werden kann.
Das Auslaßsteuerorgan kann in dem Fall, daß es sich um ein von einer Nockenwelle gesteuertes Ventil handelt, in einfacher Weise dadurch in der erfindungsgemäßen Weise gesteuert werden, daß die Nockenwelle eine weitere Nooke für das Auslaßventil aufweist, die zu der den Auspuffvorgang steuernden Nooke den gewünschten Winkelabstand hat.
Die Erfindung ist auch bei Motoren anwendbar, bei denen keine Ventile vorgesehen sind, sondern bei denen Schieber vorgesehen sind. Dabei kann auch der Kolben des Motors als ein solcher Schieber wirksam sein.
Anstatt eines abermaligen Öffnens des Auslaßventils ist es auch möglich, ein weiteres Steuerorgan (Ventil, Schieber) das zusätzlich zum Einlaßventil und Auslaßventil vorgesehen ist und das mit der Abgasleitung in Verbindung steht, zu öffnen. Auch erscheint es möglich, in solchen Fällen, in denen pro Zylinder des Viertakt-Motors vier Ventile vorgesehen sind, nämlich zwei Einlaßventile und zwei Auslaßventile, beim erfindungsgemäßen abermaligen Öffnungsvorgang nur eines der beiden Auslaßventile zu öffnen, oder die zwei Auslaßventile in unterschiedlicher Zeitfolge erneut zu öffnen.
Wenn die Erfindung bei bereits existierenden Motoranlagen, insbesondere auch bei Kraftfahrzeugen mit Viertakt-Motor, verwirklicht werden soll, so kann es zweckmäßig sein, zur optimalen Abstimmung auch Änderungen an der Auspuffanlage vorzusehen, insbesondere hinsichtlich der Resonanzfrequenzen der Auspuffanläge. Dadurch, daß jedoch bei der Erfindung der Zeitraum, zu dem das Auslaßventil abermals öffnet, in einem relativ weiten Bereich liegen kann, erscheint es möglich, daß Änderungen an der Auspuffanlage zumindest in einigen Fällen dadurch überflüssig gemacht werden können, daß dieser Zeitraum der abermaligen Öffnung des Auslaßventils geeignet gelegt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein. Es zeigen:
Fig. 1: einen Längsschnitt durch einen Zylinder eines
Viertakt-Verbrennungsmotors eines ersten Ausführungsbeispiels, teilweise abgebrochen, wobei eine das Auslaßventil steuernde Nockenwelle zwei Nocken aufweist,
Fig. 2: einen Längsschnitt, teilweise abgebrochen, durch den Zylinder eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Viertakt-Motors, bei dem zwei Ventile und ein Schieber vorgesehen sind,
Fig. 3: schematisch ein Zeitdiagramm für die Betätigung der Einlaß- und Auslaßsteuerorgane. In Fig. 1 ist in einem Zylinder 2 ein Kolben 4 verschiebbar geführt, der in bekannter Weise über eine nicht gezeigte Pleuelstange eine ebenfalls nicht gezeigte Kurbelwelle antreibt. In einem Zylinderkopf 6 ist ein durch eine erste Nockenwelle 8 betätigtes Einlaßventil 10 angeordnet und außerdem ist ein durch eine zweite Nockenwelle 1 betätigtes Auslaßventil 14 vorgesehen. Die Ventile 10 und 14 steuern die Verbindung zwischen einem Einlaßkanal 16 bzw. einem Auslaßkanal 18 und dem Brennraum 20 des Motors. Die erste Nockenwelle 8 weist eine dem Einlaßventil 10 zugeordnete Nocke 22 auf, und die zweite Nockenwelle 12 weist eine dem Auslaßventil 14 zugeordnete Nocke 24 auf. Die Nockenwellen sind mit der Kurbelwelle gekoppelt. Die den Ventiltellern 26 abgewandten Enden der Ventile werden durch Federn 28 in Anlage an den sie steuernden Nocken gehalten. Aus der bei der Nockenwelle 8 und 12 eingezeichneten Drehrichtung im Gegenuhrzeigersinn und der Lage der Nocken 22 und 24 und daraus, daß sich der Kolben 4 in seiner obersten Position befindet, erkennt man, daß der AuspuffVorgang gerade beendet worden ist und daß das Auslaßventil 14 gerade noch offen ist, während das Einlaßventil 10 bereits etwas geöffnet hat. Der in Fig. 1 gezeigte Motor arbeitet somit mit einer Überschneidung der Öffnungszeiten der Einlaß- und Auslaßventile. Soweit der Motor gemäß Fig. 1 bisher beschrieben worden ist, gehört er zum Stand der Technik. Von bekannten Motoren unterscheidet sich der Motor 1 dadurch, daß die Nockenwelle 12 eine weitere, dem Auslaßventil 14 zugeordnete Nocke 30 aufweist. Durch die weitere Nocke 30 wird das Auslaßventil 14, nachdem es ausgehend von der in Fig. 1 gezeigten Lage zunächst noch vollständig geschlossen worden ist, und nachdem das Einlaßventil 10 vollständig geöffnet worden ist, wobei sich auch der Kolben 4 nach unten bewegt hat, abermals geöffnet. Dadurch besteht die Möglichkeit, daß Frischgas, also brennfähiges Kraftstoff-Luftgemisch, das vom Einlaßkanal 16 direkt in den Auslaßkanal 18 gelangt ist, durch eine von der Auspuffanlage erzeugte Druckwelle wieder in den Brennraum 20 zurückgefördert wird. Die durch die weitere Nocke 30 bewirkte maximale Öffnung des Auslaßventils 14 tritt dabei zu einem Zeitpunkt ein, wo sich das Einlaßventil 10 schon wieder nahezu geschlossen hat. Es findet daher durch die von der Auspuffanlage stammende Druckwelle sowohl eine Rückführung des noch nicht verbrannten Kraftstoffes in den Brennraum 20 statt, als auch eine Druckerhöhüng und somit eine Überladung. Dadurch wird sowohl der Kraftstoff gut ausgenutzt als auch die Leistung erhöht.
Dadurch, daß die Drehstellung der ersten Nockenwelle 8 relativ zur zweiten Nockenwelle 12 geändert wird, läßt sich der Motor 1 so abwandeln, daß beim Ladungswechsel eine Überschneidung der Öffnung nicht eintritt. In einem derartigen Fall wird kraftstoffreies Auspuffgas in den Brennraum 20 zurückgefördert, wenn das Auslaßventil 14 durch die weitere Nocke 30 geöffnet wird.
Die weitere Nocke 30 ist niedriger als die Nocke 24 und spitzer als diese. Daher ist die durch die weitere Nocke 30 bewirkte maximale Öffnung des Auslaßventils kleiner als die durch die Nocke 24 bewirkte Öffnung, und außerdem bleibt das Auslaßventil 14 dann, wenn es durch die weitere Nocke 30 geöffnet wird, kürzere Zeit offen als wenn es durch die Nocke 24 geöffnet wird. Durch geeignete Anordnung und Gestaltung der weiteren Nocke 30 kann die zeitliche Lage der abermaligen Öffnung des Auslaßventils 14 und die Dauer der Öffnung den jeweiligen Erforderungen angepaßt werden.
Der in Fig. 2 im Schnitt durch einen Zylinder gezeigte Motor 31 weist wie der Motor nach Fig. 1 eine herkömmliche, das Einlaßventil steuernde Nockenwelle 8 auf, und weist im Gegensatz zur Fig. 1 und in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik eine herkömmliche Nockenwelle 34 mit nur einer einzigen Nocke 35 zur Steuerung des Auslaßventils 14 auf. Von bekannten Motoren unterscheidet sich der Motor 31 nach Fig. 2 dadurch, daß der Auslaßkanal 18 des Zylinderkopfs 6, der in ein Auspuffrohr 38 führt, durch eine Abzweigung 40 des Auspuffrohrs 38 mit einer Bohrung 42 im Zylinder 44 verbunden ist. Die Bohrung 42 ist in der gezeigten Stellung des Kolbens 4 in seinem unteren Totpunkt voll geöffnet, wird jedoch dann, wenn sich der Kolben 4 nach oben bewegt, abgedeckt. Der Kolben 4 bildet somit einen die Bohrung 42 verschließenden oder freigebenden Schieber. Im Ausführungsbeispiel ist das Auslaßventil 14 geschlossen und das Einlaßventil 10 ist gerade im Schließen begriffen; der Ansaugvorgang steht somit kurz vor seinem Ende. Durch die freigegebene Bohrung 42 tritt eine von der Auspuffanlage gelieferte Druckwelle in den Brennraum 20 ein und führt Auspuffgase und somit Kohlendioxid in den Brennraum 20 ein. Je nach Ausführungsform und Lage der Steuerzeiten der Ventile kann auch im Auspuffrohr 38 enthaltener unverbrannter Treibbstoff durch die Abzweigung 40 in den Brennraum 20 zurückgeführt werden.
Bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 4 während des nun folgenden Verdichtungshubs wird die Bohrung 42 durch den Kolben 4 verschlossen. Anschließend erfolgt die Zündung durch eine Zündkerze und der Kolben 4 wird durch die infolge ihrer Erwärmung expandierenden Gase im Inneren des Brennraums 20 wieder nach unten bewegt und gibt dabei mechanische Arbeit ab. Sobald der Kolben 4 die Bohrung 42 freigibt, treten hier bereits Auspuffgase durch die Abzweigung 40 in das Auspuffrohr 38 aus. Nach dem Durchlaufen des unteren Totpunkts bewegt sich der Kolben 4 wieder nach oben, und es öffnet dann zu einem geeigneten Zeitpunkt das Auslaßventil 14, damit die Verbrennungsgase soweit wie möglich aus dem Brennraum 20 entfernt werden können .
Fig. 3 zeigt in einem Diagramm, das in der waagrechten Achse die Kurbelwellenstellung in Grad enthält, den zeitlichen Verlauf der Öffnung des Einlaßventils und des Auslaßventils des Motors 1 nach Fig. 1 beim Gaswechsel, also während des AuspuffVorgangs und des nachfolgenden Ansaugvorgangs. Die Kurve a zeigt die Öffnung des Auslaßventils 14 während des normalen AuspuffVorgangs. Das Auslaßventil 14 öffnet rasch (ansteigende Flanke der Kurve a), bleibt dann einige Zeit offen (waagrechter Abschnitt der Kurve a) und schließt dann wieder rasch (abfallende Flanke der Kurve a). Während des Schließvorgangs des Auslaßventils 14 öffnet bereits das Einlaßventil 10 (Kurve b). Es liegt somit eine Überschneidung der Steuerzeiten vor. Während des Schließvorgangs des Einlaßventils 10 (fallende Flanke der Kurve b öffnet das Auslaßventil 14, durch die weitere Nocke 30 gesteuert, noch einmal kurzzeitig (Kurve c). Das Maximum der Öffnung gemäß Kurve c liegt dabei niedriger als bei der Kurve a, und die Maximalöffnung wird nur während eines sehr kurzen Zeitraums erreicht, daher weist die Kurve c keinen waagrecht verlaufenden Abschnitt auf. Die Kurvenverläufe in Fig. 3 sind vereinfacht. In der Realität treten keine Geschwindigkeitsund Beschleunigungssprünge der Ventilhubkurven auf und diese verlaufen daher mit abgerundeten Übergängen zwischen den verschiedenen Kurventeilen.
Im Beispiel des Motors 1 nach Fig. 1 ist folgender Zeitablauf vorgesehen:
Öffnen des Auslaßventils: 60° der Kurbelwelle vor unterem
Totpunkt (UT),
Schließen des Auslaßventils 14: 40° nach oberem Totpunkt
(OT),
Öffnen des Einlaßventils 10:40º vor OT,
Schließen des Einlaßventils 10:50° nach UT, abermaliges Öffnen des Auslaßventils 14 (Kurve c):30º nach
UT,
Schließen des Auslaßventils 14:80° nach UT.

Claims

Patentansprüche
1. Viertakt-Verbrennungsmotor mit mindestens einem Verbrennungsraum, Steuerorganen für den Einlaß und Auslaß und mit einer Einrichtung zum Zurückführen von Gasen aus einer Abgasleitung in den Verbrennungsraum, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zum kurzzeitigen Öffnen eines Auslaß-Steuerorgans (14, 42) vorgesehen ist, die das Auslaß-Steuerorgan im Zeitraum nach dem Öffnen des Einlaß-Steuerorgans (10) und vor dem Zünden öffnet.
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaß-Steuerorgan (14) bei noch offenem Einlaß- Steuerorgan (10) geöffnet wird.
3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Maximum der Öffnung des Auslaß-Steuerorgans (14) bei noch offenem Einlaß-Steuerorgan (10) vorliegt.
4. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Maximum der Öffnung des Auslaß-Steuerorgans (14, 42) bei bereits geschlossenen Einlaß-Steuerorgan (10) vorliegt.
5. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer das Auslaß-Steuerorgan steuernden Nockenwelle (12) eine weitere dem Auslaß- Steuerorgan (14) zugeordnete Nocke (30) angeordnet ist.
6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit einem Abgaskanal (18) des Motors in Verbindung stehende Abgasleitung (38) mit einer durch einen Schieber verschließbaren, in den Verbrennungsraum (20) führenden Öffnung (42) in Verbindung ist.
7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (4) den Schieber bildet.
8. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitraum, in dem das Auslaßsteuerorgan wiederum geöffnet wird, drehzahlabhängig gesteuert ist.
EP85902472A 1984-05-29 1985-05-25 Viertakt-verbrennungsmotor mit einer einrichtung zum zurückführen von gasen aus einer abgasleitung in den verbrennungsraum Withdrawn EP0182826A1 (de)

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