DE10151530A1

DE10151530A1 - Abgasabführung für einen Hochleistungs-Mehrzylinder-Viertaktmotor

Info

Publication number: DE10151530A1
Application number: DE10151530A
Authority: DE
Inventors: Michael Breuer
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2001-10-18
Filing date: 2001-10-18
Publication date: 2003-04-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasabführung für einen Hochleistungs-Mehrzylinder-Viertaktmotor mit mindestens einem Zylinderpaar, wobei jeweils die beiden Zylinder (1, 2) eine jeden Zylinderpaares einen Zündabstand von 360 DEG aufweisen und je Zylinder (1, 2) mit jeweils mindestens zwei Auslaßventilen (AV11, AV12; AV21, AV22) versehen sind, mit einer ersten Abgasleitung (3) für die mit den ersten Ventiltrieben verbundenen Gasauslaßventile (AV11, AV21) eines jeden Zylinders (1, 2), mit einer Auslaßleitung (A12, A22) an jedem zweiten Gasauslaßventil (AV12; AV21), wobei jeweils die Auslaßleitungen (A12, A22) jeweils eines Zylinderpaares in ein Reflektionselement (4) einmünden, an das eine zweite Abgasleitung (5) anschließt, sowie mit einem Ventiltrieb für die jeweils zweiten Gasauslaßventile (AV12, AV22), der eine Betätigung mindestens mit kleinem Vorhub und größerem Haupthub bewirkt.

Description

Es ist bekannt, daß die Leistung eines konventionellen, schlitzgesteuerten Zweitaktmotors mit symmetrischem Steuerdiagramm durch eine angepaßte Abgasabführung maßgeblich gesteigert werden kann. Die Abgasabführung ist hierbei mit einem sogenannten Reflexionselement versehen, das, in Strömungsrichtung gesehen, aus einem Diffusor, einem zylindrischen Mittelteil und einem Gegenkonus besteht, der in die Abgasleitung ausmündet. Läuft die beim Öffnen des Auslasses an einem Zylinder erzeugte Überdruckwelle durch den Diffusor, so werden in Richtung des Zylinders zurücklaufende, d. h. reflektierte Unterdruckwellen ausgelöst, die nach dem Einlaßöffnen dieses Zylinders ein Nachströmen von Frischgemisch anfachen. Die am Gegenkonus schließlich reflektierte Überdruckwelle schiebt zum Ende des Auslaßschließens die durch die Unterdruckwelle zwischenzeitlich bereits bis in den Abgastrakt gesaugte Frischladung zurück in den Zylinder und bewirkt hierbei aufgrund des dann bereits geschlossenen Einlasses eine gasdynamische Nachladung.
Dieses Prinzip kann bei Viertaktmotoren herkömmlicher Bauart wegen der deutlichen Trennung von mehr als 360° Kurbelwinkel zwischen der Vorauslaßphase und der Nachladephase mit realistischen Rohrlänge nicht verwirklicht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasabführung für einen Hochleistungs-Mehrzylinder-Viertaktmotor zu schaffen, der eine vergleichbare gasdynamische Nachladung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Abgasabführung an einem Hochleistungs-Mehrzylinder-Viertaktmotor mit mindestens einem Zylinderpaar, das mit Ventiltrieben verbundene Gaswechselventile aufweist, wobei jeweils die beide Zylinder eines Zylinderpaares einen Zündabstand von 360° aufweisen und die Zylinder mit jeweils wenigstens einem Gaseinlaßventil sowie jeweils mindestens zwei Gasauslaßventilen, mit einer ersten Abgasleitung für das erste Gasauslaßventil eines jeden Zylinders, mit einer Gasauslaßleitung für das zweite Gasauslaßventil eines jeden Zylinders, wobei jeweils die Gasauslaßleitungen jeweils eines Zylinderpaares in ein Reflexionselement einmünden, an das eine zweite Abgasleitung anschließt, sowie mit einem Ventiltrieb für die jeweils zweiten Gasauslaßventile, der eine Betätigung mindestens mit kleinem Vorhub und kleinerem Nachhub bewirkt. Mit einer derartigen Anordnung ist es auch für Viertaktmotoren möglich, eine gasdynamische Nachladung über eine Reflexion von Druckwellen im Abgassystem zu bewirken.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand schematischer Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen
Fig. 1 die Abgasabführung für ein Zylinderpaar,
Fig. 2 einen Vierzylinder-Viertaktmotor mit zwei Zylinderpaaren,
Fig. 3 den Zylinderdruckverlauf für ein Zylinderpaar,
Fig. 4 den Ventilhubverlauf für den ersten Zylinder eines Zylinderpaares,
Fig. 5 den Ventilhubverlauf für den zweiten Zylinder eines Zylinderpaares,
Fig. 6 eine Überlagerung der Ventilhubverläufe gem.
Fig. 4 und 5 zusammen mit den Zylinderdruckverläufern für den Bereich 270° bis 490° in größerem Maßstab,
Fig. 7 die Druckwellenvorgänge zu den in Fig. 6 dargestellten Zeitpunkten.
In Fig. 1 ist ein Zylinderpaar eines Viertaktmotors M mit den Zylindern 1 und 2 dargestellt. Die Zylinder 1 und 2 sind jeweils mit Einlaßventilen EV1 und EV2 versehen.
Jeder Zylinder 1, 2 ist mit zwei Auslaßventilen AV11 und AV12 bzw. AV21 und AV22 versehen. Die Anordnung ist hierbei so getroffen, daß die Auslaßventile AV11 und AV21 an eine Abgasleitung 3 angeschlossen sind.
Wie die Darstellung in Fig. 1 weiter zeigt, münden die Auslaßventile AV12 und AV22 der beiden Zylinder 1, 2 über jeweils eine Auslaßleitung A12 bzw. A22 in ein Reflexionselement 4 ein. Das Reflexionselement besteht im wesentlichen aus einem Diffusorteil 4.1, einem Zylinderteil 4.2 sowie einem Konusteil 4.3, an den sich eine zweite Abgasleitung 5 anschließt.
Ein "Zylinderpaar" mit seinen beiden Zylindern 1, 2 ist in der Zuordnung seiner Zylinder durch eine Zündfolge mit einem Zündabstand von 360° definiert. Die Zylinder eines Zylinderpaares müssen geometrisch nicht notwendigerweise unmittelbar nebeneinander angeordnet sein.
Die Ventiltriebe für die jeweils ersten Auslaßventile AV11 bzw. AV21 des Zylinders 1 und des Zylinders 2 eines jeden Zylinderpaares werden über ihre zugeordneten Ventiltriebe ebenso wie die Einlaßventile EV1 und EV2 "normal" angesteuert. Die Ventiltriebe für die jeweils zweiten Gasauslaßventile AV12 bzw. AV22 der Zylinder 1 und 2 eines Zylinderpaares sind so ausgelegt, daß diese Auslaßventile zumindest mit einem kleinen Vorhub und einem kleineren Nachhub für den Gasauslaßtakt geöffnet werden. Eine Betätigung der zweiten Gasauslaßventile zwischen Vorhub und Nachhub mit einem größeren Haupthub kann vorteilhaft sein.
In Fig. 2 ist schematisch für einen Vierzylinder-Viertaktmotor mit der Zündfolge 1-3-4-2 die Zuordnung der Zylinder 1, 2, 3 und 4 zu Zylinderpaaren dargestellt. Hierbei bilden entsprechend Fig. 1 die Zylinder 1 und 4 ein Zylinderpaar I mit seinen Zylindern I1 und I2 sowie die Zylinder 3 und 2 ein Zylinderpaar I1 mit seinen Zylindern II1 und II2, so daß die Vorgabe von 360° Zündabstand jeweils für beide Zylinderpaare I und II eingehalten wird.
Die Anordnung ist in vorteilhafter Weise so angelegt, daß jeweils die Auslaßventile A12 und A22 zu den zugehörigen Reflexionselementen 4I und 4II gleichlang sind und im wesentlichen den gleichen Strömungswiderstand aufweisen.
Nachfolgend wird die Funktionsweise für das in Fig. 1 schematisch dargestellte Zylinderpaar anhand der Fig. 3, 4, 5 und 6 näher erläutert.
Fig. 3 zeigt hierbei den Verlauf des Zylinderinnendruckes für den Zylinder 21 und den Zylinder 22 über einen Bereich von 810° Kurbelwinkel.
In Fig. 4 und Fig. 5 ist der Ventilhubverlauf für den Zylinder 1 bzw. den Zylinder 2 dargestellt, wobei die jeweiligen Hubverlaufskurven durch die Bezugszeichen der zugehörigen Zylinder gekennzeichnet sind. Hierbei ist eine Ausführungsform mit Vorhub, Haupthub und Nachhub für die Auslaßventile A12 und A22 beschrieben. Der nachgesetzte Index V bedeutet "Vorhub", der nachgesetzte Index H bedeutet "Haupthub" und der nachgesetzte Index N bedeutet "Nachhub".
In Fig. 6 ist in größerem Maßstab die Überlagerung der beiden Kurven gem. Fig. 4 und 5 für den Bereich von 270° bis 495° Kurbelwinkel dargestellt. Wie aus Fig. 6 ersichtlich, öffnet zum Zeitpunkt t1 zum Ende der Expansionsphase von Zylinder Z1 und damit zum Ende der Ansaugphase von Zylinder 22 das Auslaßventil AV12 mit einem Vorhub AV12V, so daß der gesamte Impuls des Vorauslaßstoßes aus dem Zylinder 1 in das Reflektionselement 4 geleitet wird. Das erste Auslaßventil AV11 des ersten Zylinders ist hierbei geschlossen. Erreicht die durch den Vorauslaßstoß im Reflexionselement ausgelöste, starke Überdruckwelle zum Zeitpunkt t2 den Diffusor 4.1, so werden unter Abschwächung der vorlaufenden Überdruckwelle rücklaufende Unterdruckwellen ausgelöst.
Bevor diese Unterdruckwellen zum Zeitpunkt t3 wieder die Zylinder 1 und 2 erreichen, ist der Vorhub AV12V, des zweiten Auslaßventils AV12 beendet, so daß die gesamte Saugwelle zum zwischenzeitlich in einem Nachhub AV22N geöffneten zweiten Auslaßventils AV22 des zweiten Zylinders umgeleitet wird. Im ersten Zylinder wird der weitere Ausschiebevorgang der Abgase durch das mittlerweile sich öffnende erste Auslaßventil AV11 gewährleistet.
Am Zylinder 2, der sich zum Zeitpunkt t2 am Ende seiner Ansaugphase befindet, das Einlaßventil EV2 bewegt sich in Schließrichtung, saugt die abgasseitige Unterdruckwelle über die noch geöffneten Einlaßventile EV2 und das im Nachhub AV22 N geöffnete Auslaßventil AV22 Frischladung durch den Zylinder 2 in den Abgaskanal A22.
Die ursprüngliche, jedoch abgeschwächte Überdruckwelle im Reflexionselement 4 hat inzwischen den. Gegenkonus 4.3 erreicht und ist als Überdruckwelle reflektiert worden. Dies erfolgt zum Zeitpunkt t4. Die Amplitude dieser Druckwelle wird im Diffusor 4.1 wieder erhöht. Bei dem inzwischen geschlossenen zweiten Auslaßventil AV12 schiebt diese Überdruckwelle das zwischenzeitlich über die Einlaßventile EV2 und den Zylinder 2 in die Auslaßleitung A22 gesaugte Frischladung zurück in den Zylinder 2 und erzeugt hier eine Nachladung, da das Einlaßventil EV2 zum Zeitpunkt t5 geschlossen ist.
In Fig. 7 sind in vier auseinanderfolgenden Schritten die Wellenbildungen zu den Zeitpunkten t1, t2, t4 und t5 verdeutlich. Kreuze kennzeichnen "Abgas", wobei die Dichte der Kreuze jeweils die rücklaufende Unterdruckwelle (t2) bzw. die Reflexion der Überdruckwelle zum Zeitpunkt t4 und den Nachladevorgang in Richtung des Zylinders 2 zum Zeitpunkt t5 zeigt. Die Kreise kennzeichnen das zum Zeitpunkt t4 angesaugte "Frischgas", das dann zum Zeitpunkt t5 von der reflektierten Welle wieder in den Zylinder 2 zurückgeschoben wird, dessen Einlaßventil bereits geschlossen ist.
Nach 360° Kurbelwinkel wiederholen sich die Vorgänge sinngemäß, wobei Zylinder 1 und Zylinder 2 ohne zusätzliche Schaltelemente ihre Rollen vertauschen.
In der vorbeschriebenen Form nutzt eine derart ausgebildete Abgasabführung die sonst im Vorauslaß dissipierte Energie zur Füllungssteigerung an Mehrzylinder-Viertaktmotoren. Es handelt sich um ein rein gasdynamisches System ohne bewegte Teile. Hieraus folgt auch, daß es praktisch verzögerungsfrei einem Wechsel des Motorbetriebspunktes folgt. Die Abmessungen der Auslaßleitungen A12 und A22 hinsichtlich ihrer Länge und Durchmesser sowie der Abmessungen des Reflexionselementes 4 hinsichtlich Länge und Durchmesser des Zylinderteils 4.2 sowie der Konuswinkel vom Diffusorteil 4.1 und Konusteil 4.3 müssen auf die jeweiligen Betriebsbedingungen so abgestimmt sein, daß die Laufzeit der Druckwellen "zeitrichtig" die Abgasführung durchlaufen.
Die Ventiltriebe für die Einlaßventile EV sowie für die ersten Auslaßventile AV11 und AV21 können als normale Nockentriebe, aber auch als vollvariable, über eine Steuereinrichtung ansteuerbare Ventiltriebe, beispielsweise elektromagnetische Ventiltriebe ausgebildet sein.
Die Ventiltriebe für die jeweils zweiten Auslaßventile AV12 bzw. AV22 eines jeden Zylinderpaares müssen bei der Verwendung eines Nockentriebes mit einer Ausbildung der Steuerkontur der Nockenanordnung für das jeweils zu betätigende zweiten Auslaßventil versehen sein, die mindestens den anhand von Fig. 5 bzw. Fig. 5 beschriebenen Vorhub AV12V und den Nachhub AV12N bewirken. Für Drehzahlbereiche, die außerhalb des Abstimmungsbereichs des Systems liegen, kann es jedoch zweckmäßig sein, nur mit dem Haupthub für das jeweils zweite Auslaßventil zu arbeiten. Die Steuerung des Ventiltriebs muß dann so ausgelegt sein, daß in diesen Drehzahlbereichen der Betrieb mit Vor- und/oder Nachhub abschaltbar ist.
Bei der Verwendung von vollvariabel steuerbaren Ventiltrieben müssen in der Steuereinrichtung zur Ansteuerung dieser Ventiltriebe entsprechende Steuerprogramme vorgesehen sein, wobei über Änderungen jeweils für Beginn und Ende des Vorhubs und/oder des Haupthubes und/oder des Nachhubes Anpassungsmöglichkeiten für die unterschiedlichen Drehzahlbereiche bestehen.
Die erfindungsgemäße Abgasführung setzt voraus, daß je zwei Zylinder auslaßseitig zu einem Zylinderpaar zusammengefaßt werden können, dessen Zylinder einen Zündabstand von 360° Kurbelwinkel aufweisen. Damit ist eine Anwendung möglich für alle Mehrzylinder-Viertaktmotoren mit einer geraden Zylinderzahl z und einem gleichmäßigen Zündabstand 720°/z. Die Zylinder sollten räumlich möglichst benachbart sein, um eine strömungsgünstige und kurze Zusammenführung der Auslaßventile A12 und A22 der Zylinder eines Zylinderpaares zu erreichen.
Neben einer Anwendung für den in Fig. 1 dargestellten 2-Zylinder-Twin-Motor und den in Fig. 2 dargestellten 4-Zlinder-Reihenmotor ist beispielsweise eine Anwendung auch für einen 6-Zylinder-Reihenmotor mit einem Zündabstand von 120° und der Zündfolge 1-2-5-6-4-3 gegeben. Hierbei werden jeweils die Zylinder 1/6, 2/5 und 3/4 zu Zylinderpaaren auslaßseitig zusammengefaßt.
Beispielsweise auch für einen 8-Zylinder-V90°-Motor mit einem Zündabstand von 90° und der Zündfolge 1-6-3-5-4-7-2-8 mit vier Zylindern pro Bank ist die erfindungsgemäße Abgasführung anwendbar. Hierbei werden jeweils die Zylinder 1/4, 6/7, 3/2 und 5/8 auslaßseitig zu Zylinderpaaren zusammengefaßt.

Claims

1. Abgasabführung für einen Hochleistungs-Mehrzylinder-Viertaktmotor, mit mindestens einem Zylinderpaar, wobei jeweils die beiden Zylinder (1, 2) eines jeden Zylinderpaares einen Zündabstand von 360° aufweisen und je Zylinder (1, 2) mit jeweils mindestens zwei Auslaßventilen (AV11, AV12; AV21, AV22) versehen sind, mit einer ersten Abgasleitung (3) für die mit den ersten Ventiltrieben verbundenen Gasauslaßventile (AV11, AV21) eines jeden Zylinders (1, 2), mit einer Auslaßleitung (A12, A22) an jedem zweiten Gasauslaßventil (AV12; AV21), wobei jeweils die Auslaßleitungen (A12, A22) jeweils eines Zylinderpaares in ein Reflexionselement (4) einmünden, an das eine zweite Abgasleitung (5) anschließt, sowie mit einem Ventiltrieb für die jeweils zweiten Gasauslaßventile (AV12, AV22), der eine Betätigung mindestens mit einem kleinem Vorhub und einem kleinen Nachhub bewirkt.

2. Abgasabführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventiltrieb für die jeweils zweiten Gasauslaßventile (AV12, AV22) so ausgebildet ist, daß er zusätzlich noch einen größeren Haupthub zwischen Vor- und Nachhub bewirkt.

3. Abgasabführung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventiltriebe für die zweiten Gasauslaßventile (AV12, AV22) als variabel ansteuerbare Ventiltriebe ausgebildet sind.

4. Abgasabführung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventiltriebe für die zweiten Gasauslaßventile (AV12, AV22) als Nockentriebe mit entsprechender Steuerkontur der Nocken ausgebildet sind.

5. Abgasabführung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der zweiten Gasauslaßventile (AV12, AV22) an einem Zylinder (1) des Zylinderpaares so ausgebildet ist, daß der maximale Vorhub des zweiten Gasauslaßventils (AV12, AV22) erreicht wird zum Öffnungszeitpunkt des ersten Gasauslaßventils (AV11, AV21) dieses Zylinders (1).

6. Abgasabführung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der zweiten Gasauslaßventile (AV12, AV22) an einem ersten Zylinder (1) eines Zylinderpaares so ausgebildet ist, daß der Haupthub zum Schließzeitpunkt des Gaseinlaßventils (EV2) des zweiten Zylinders (2) dieses Zylinderpaares beginnt.

7. Abgasabführung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Nachhub des zweiten Gasauslaßventils (AV12) des ersten Zylinders (1) erreicht wird zum Schließzeitpunkt des Gaseinlaßventils (EV1) des ersten Zylinders (1) dieses Zylinderpaares.

8. Abgasabführung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffzufuhr durch Direkteinspritzung erfolgt.

9. Abgasabführung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflexionselement (4) einlaßseitig einen Diffusorteil (4.1) mit anschließendem Zylinderteil (4.2) und zum Auslaß hin einen zulaufenden Konusteil (4.3) aufweist, an den sich die zweite Abgasleitung (5) anschließt.