DE4012474A1 - Gemischverdichtende brennkraftmschine, insbesondere zweitaktmaschine, mit brennraumspuelung durch frischgaszufuhr - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gemischverdichtende Brennkraftma­ schine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bekanntlich wird beim Ladungswechsel von fremdgezündeten Zwei­ takt-Brennkraftmaschinen und gegebenenfalls auch von Viertakt­ maschinen so verfahren, daß durch Frischgaszufuhr während einer Überschneidung der Öffnungszeiten von Ein- und Auslaßventil bzw. -ventilen das im vorhergehenden Arbeitsspiel im Brennraum entstandene Abgas durch das geöffnete Auslaßventil in eine Abgasleitung verdrängt wird. Ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß mit fallender Last der Brenn­ kraftmaschine auch die in den jeweiligen Brennraum transpor­ tierte Frischgasmenge (Luft bei direkter Kraftstoffeinspritzung, Kraftstoff-Luft-Gemisch bei Saugrohreinspritzung oder Vergaser­ maschinen) kleiner wird, so daß mit abnehmender Last der Maschi­ ne der Abgasgehalt des Gemischs im Brennraum (Restgasanteil) größer wird, was Geschwindigkeit und Vollständigkeit der Ver­ brennung sowie die Zündwilligkeit nachteilig beeinflußt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine zu schaffen, bei der einerseits eine er­ wünschte Teillastfüllung (Teilfrischfüllung), andererseits aber auch eine weitgehende Restgasausspülung erreicht werden.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbil­ dungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Durch die mit abnehmender Last des Motors erfolgende Verlegung zumindest des Schließzeitpunkts (Schließwinkels) des Einlaßven­ tils bzw. bei mehreren Einlaßventilen des Schließzeitpunkts des letztschließenden Einlaßventils ist sichergestellt, daß in Anbetracht des dann infolge der Bewegung des Kolbens in Richtung OT kleineren restlichen Brennraumvolumens im Brenn­ raum weniger Frischgas "gefangen" ist als im Vollastbetrieb. Würde man nur diese Maßnahme treffen, also lediglich in der beschriebenen Weise die Frischgasmenge mit abnehmender Last verringern, so würde man den Nachteil einhandeln, daß infolge der mit abnehmender Last dann auftretenden Verringerung des Verdichtungshubs eine Verringerung des Kompressionsverhältnis­ ses auftreten würde. Um dies zu vermeiden, sieht die Erfindung eine Verdichtungsregelung durch mit abnehmender Last der Ma­ schine erfolgende Verkleinerung des Brennraumvolumens vor.

Entsprechende Einrichtungen zur Verdichtungsregelung sind be­ kannt - siehe beispielsweise die DE-OS 35 03 365, F02D 15/04 -, so daß auf entsprechende Konstruktionen hier nicht im einzelnen eingegangen werden muß. Im Prinzip enthält eine derartige Ver­ dichtungsregelung einen in einem Ansatz am eigentlichen Brenn­ raum angeordneten Verstellkolben, der je nach seiner Lage einen mehr oder weniger großen Zusatzbrennraum definiert. Die Lage dieses Kolbens wird dann ebenfalls lastabhängig gesteuert.

Auch für die lastabhängige Änderung der Ventilsteuerzeiten sind Konstruktionen bekannt, so daß auf sie lediglich hinge­ wiesen zu werden braucht. Sieht man gemäß Patentanspruch 2 eine lastabhängige betragsgleiche Verlegung der Öffnungs- und Schließzeitpunkte aller Ventile vor, so kann eine Einrichtung zur Winkelverstellung von Nocken bzw. Nockenwellen entspre­ chend der US-PS 34 96 918 Einsatz finden. Hier werden die Längen des ziehenden und des gezogenen Trums eines Zahnriemens, der Zahnräder auf der Kurbelwelle der Maschine und auf der Nocken­ welle der Ventilsteuerung umschlingt, in Abhängigkeit von Last­ signalen verändert. Sieht man demgegenüber gemäß Anspruch 4 lediglich eine lastabhängige Verlegung des Schließzeitpunkts des Einlaßventils (bzw. des letztschließenden Einlaßventils bei Vorhandensein mehrerer Einlaßventile) vor, so kann eine Konstruktion entsprechend der DE-PS 29 30 266 Einsatz finden. Sie beschreibt eine aus einer Innenwelle und einer diese auf­ nehmenden Hohlwelle bestehende Nockenwelle, wobei die beiden Wellen drehfest zumindest Teilnocken tragen, von denen die von der Innenwelle getragenen mit Spiel Ausnehmungen in der Hohlwelle durchsetzen; bei Relativverdrehung dieser beiden Wellen ergibt sich eine Änderung der Nockenbreite bzw. eine Änderung der Lage der Nockenflanken relativ zueinander. Diese Relativverdrehung kann gemäß der genannten Patentschrift durch elektrische Lastsignale hervorgerufen werden. Da also derartige Konstruktionen zum Stand der Technik gehören, werden sie im folgenden nicht im einzelnen beschrieben.

Entsprechendes gilt auch für die Ausführungsform der Erfindung gemäß Anspruch 6. Während der Spülphase, also bei gleichzeitig geöffneten Ein- und Auslaßventilen, ist man daran interessiert, zu vermeiden, daß Kraftstoff- bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch durch das geöffnete Auslaßventil in die Abgasleitung gelangt. Daher sind gemäß Anspruch 6 Mittel vorgesehen, die die Zufuhr eines Kraftstoff-Luft-Gemischs auf einen Zeitraum bzw. Kurbel­ winkelbereich beschränken, der nach Schließen des Auslaßven­ tils beginnt. Während der Spülphase dagegen wird reine Luft dem Brennraum zugeführt. Hier kann auf Einrichtungen zurückge­ griffen werden, wie sie die DE-OS 38 16 331, F02B 25/20, be­ schreibt: Für die Spülluft und die Gemischzufuhr sind getrennte, mit individuellen Einlaßventilen ausgerüstete Einlaßkanäle vorhanden, und die beiden Einlaßventile werden so betätigt, daß während der Spülphase nur der reine Luft führende Einlaß­ kanal, dagegen nach Beendigung der Spülphase nur der gemisch­ führende Einlaßkanal in den Brennraum liefern.

Als Vorteil der Erfindung ist also festzuhalten, daß bei ihrer Realisierung auf bereits vorhandene und bewährte Einrichtungen zurückgegriffen werden kann.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch teilweise im Längsschnitt die hier interessierenden Teile einer Zweitakt-Maschine,

Fig. 2 das Ventilbetätigungsdiagramm bei Vollast und

Fig. 3 das Ventilbetätigungsdiagramm bei Teillast.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, so erkennt man den durch den Zylinder 1 und den Hubkolben 2, der in üblicher Weise über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle der Maschine verbunden ist, begrenzten volumenveränderlichen Brennraum 3. Verständlicher­ weise enthält die Maschine in der Regel mehrere, in der Zeich­ nung hintereinanderliegende Brennräume. Dem Brennraum 3 wird über das einen üblichen Aufbau besitzende Einlaß-Hubventil 4 in entsprechenden Betriebsphasen der Maschine Frischgas zuge­ führt, das mittels der Pumpe 5, die beispielsweise als mechani­ scher Lader ausgebildet ist, durch den Einlaßkanal 6 zugeführt wird. Entsprechend sorgt das Abgas-Hubventil 7 während der Spülphasen der Maschine bzw. des betrachteten Brennraums 3 für den Austritt von Abgas in den Auslaßkanal 8. Mittels der den Ein- und Auslaßventilen 4, 7 gemeinsamen Nockenwelle 9 mit Ein- und Auslaßnocken 10 und 11, die in Antriebsverbindung mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine steht, werden die Ventile 4 und 7 so betätigt, daß eine Überschneidungsphase zur Spülung des Brennraums 3 durch zugeführtes Frischgas vor­ liegt. Diese Überschneidungsphase ist in Fig. 1 dargestellt. Durch Strömungsschikanen 4′ und 7′ wird eine direkte Kurzschluß­ strömung zwischen den beiden Ventilen 4 und 7 unterbunden, so daß das zugeführte Frischgas in dieser Spülphase entsprechend den Pfeilen Abgas aus dem gesamten Brennraum 3 einschließlich seiner kolbennahen Bereiche in den Auslaßkanal 8 transportiert.

Zur Erzielung der erforderlichen Frischgasströmung dient die Pumpe 5. Zur Begrenzung der Strömung auf Werte, die zur Rest­ gasspülung ausreichen, ist in dem Bypass 12 zur Pumpe 5 die Druckregelklappe 13 angeordnet, die in mehr oder weniger großem Maße Aus- und Einlaß der Pumpe 5 verbindet.

Der Nockenwelle 9 ist eine bereits oben beschriebene, im einzel­ nen aus dem zitierten Stand der Technik bekannte Einrichtung zur in diesem Fall gemeinsamen Verstellung der Ventilsteuerzeiten aller Ventile 4 und 7 zugeordnet.

Das Ergebnis dieser lastabhängigen Verstellung der Ventilsteuer­ zeiten wird nun anhand der Fig. 2 und 3 erläutert, die die Ventilsteuerzeiten bei Vollast und Teillast, bezogen auf die obere Totpunktstellung OT des Kolbens 2, wiedergeben.

Betrachtet man zunächst Fig. 2, so folgt in dem durch den Pfeil gekennzeichneten Arbeitszyklus des betrachteten Brennraums auf das Öffnen A _ö des Auslaßventils 7 das Öffnen E _ö des Einlaß­ ventils 4, und die durch den Winkel a gekennzeichnete Spül­ oder Überlappungsphase beider Ventile wird beendet durch das Schließen A _s des Auslaßventils. Daran schließt sich eine reine Ladephase an, die durch das Schließen E _s des Einlaßventils 4 beendet wird. Zwischen diesem Zeitpunkt bzw. Kurbelwinkel­ wert E _s und dem oberen Totpunkt OT erstreckt sich der Vollast­ verdichtungshub V _v . Das Brennraumvolumen bei E _s ist im Vergleich zu den Verhältnissen bei Teillast (Fig. 3) relativ groß: In Fig. 3 sind alle Ventilsteuerzeiten bzw. Winkelwerte gegenüber den entsprechenden Werten in Fig. 2 bezüglich des Arbeitszyklus dieses Brennraums in Richtung später verlegt, und zwar unter Beibehalt des Spülwinkels a. Das bedeutet, daß im Teillastfall der Verdichtungshub V _t kleiner ist als der Vollast-Verdichtungs­ hub V _v . Das Entgegengesetzte gilt bezüglich des Arbeitshubs A _v bzw. A _t . Bei Teillast liegt beim Schließen E _s des Einlaßventils ein kleineres Brennraumvolumen, bedingt durch die höhere Lage des Kolbens 2, vor als im Vollastfall, so daß ein kleineres Frischgasvolumen im Brennraum gefangen ist.

Verständlicherweise kann man die Ventilsteuerung auch so aus­ legen, daß die gesamte Öffnungsphase nur des Einlaßventils (konstante Breite des Einlaßnockens) verlegt wird.

Um den Nachteil eines geringeren Kompressionsverhältnisses bei Teillast auszuschließen, ist dem Brennraum 3 eine Verdich­ tungsregelung zugeordnet. Sie enthält in dem Ansatz 14 zum Brennraum 3 den lastabhängig verschiebbaren Kolben 15; die Lastabhängigkeit ist durch die zum Gaspedal 16 eines mit der Maschine ausgerüsteten Kraftfahrzeugs führende unterbrochene Linie angedeutet. Bei Teillast wird durch Bewegen des Kolbens 15 in Fig. 1 nach links das durch den Ansatz 14 und den Kol­ ben 15 begrenzte Zusatz-Brennraumvolumen verkleinert, so daß dadurch der Kompressionsdruck im Brennraum 3 vergrößert wird.

Mit der Erfindung ist demgemäß eine auf bewährte Konstruktionen zurückgreifende Brennkraftmaschine geschaffen, bei der einerseits eine einwandfreie Restgasspülung und andererseits eine im Hin­ blick auf die jeweilige Last bemessene Frischgaszufuhr sicherge­ stellt sind.

Claims (9)

1. Gemischverdichtende Brennkraftmaschine, insbesondere Zweitakt­ maschine, mit zumindest je einem Ein- und Auslaßventil je Brennraum zum Ladungswechsel und Brennraumspülung durch Frischgaszufuhr bei Überschneidung der Öffnungszeiten von Ein- und Auslaßventil, wobei der Schließzeitpunkt des Ein­ laßventils bzw. des letztschließenden Einlaßventils den Beginn eines Verdichtungshubs, dagegen der Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils bzw. des zuerst öffnenden Auslaßventils das Ende eines Arbeitshubs im Brennraum definieren, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Verringerung des Verdichtungs­ hubs (V _v , V _t ) mit abnehmender Last der Maschine durch last­ abhängiges Verlegen des Schließzeitpunkts (E _s ) des Einlaß­ ventils (4) bzw. zumindest des letztschließenden Einlaßven­ tils in solchem Maße in Richtung später, daß nur die jeweils erforderliche Frischgasmenge in den Brennraum (2) gelangt, sowie eine Verdichtungsregelung (14, 15) durch Verkleinerung des Brennraumvolumens mit abnehmender Last vorgesehen sind.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (9, 10, 11) zum lastabhängigen, betragsgleichen Verlegen der Öffnungs- und Schließzeitpunkte (E _ö, E _s ; A_ö, A _s ) aller Ventile (4, 7) vorgesehen sind.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß allen Ventilen (4, 7) eine in sich starre Nockenwelle (9) als Betätigungswelle zugeordnet ist, die außer mit einem Drehantrieb mit einem Winkelverstellantrieb versehen ist, dem Lastsignale zugeführt werden.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum lastabhängigen Verlegen nur des Schließzeit­ punkts (E _s ) des Einlaßventils (4) bzw. des letztschließenden Einlaßventils vorgesehen sind.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Einlaßventil bzw. dem letztschließenden Einlaßventil eine Nockenwelle als Betätigungswelle mit einem Öffnungsnok­ ken zugeordnet ist, dessen in Drehrichtung hintere Flanke mittels eines Winkelverstellantriebs, dem Lastsignale zuge­ führt werden, relativ zu der vorderen Nockenflanke verstell­ bar ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Zufuhr reiner Luft während der Überschneidung der Öffnungszeiten von Ein- und Auslaß­ ventil (4, 7), dagegen von Kraftstoff-Luft-Gemisch nach Schließen des Auslaßventils (7) vorgesehen sind.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließzeitpunkte (E _s , A _s ) des Ein­ und des Auslaßventils (4, 7) bzw. der letztschließenden Ein- und Auslaßventile derart nah beieinander liegen, daß ein Rückschieben von Frischgas durch das Einlaßventil (4) vermieden ist.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekenn­ zeichnet durch eine Einrichtung (12, 13) zur Regelung des Frischgasdruckes auf Werte, die den Frischgasdurchsatz auf zur Restgasspülung erforderliche Werte begrenzen.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Bypass (12) zu einer Frischgaspumpe (5) ein Drosselorgan (13) liegt.