DE3024812C2

DE3024812C2 - Viertakt-Brennkraftmaschine mit Ein- und Auslaßventilen

Info

Publication number: DE3024812C2
Application number: DE3024812A
Authority: DE
Inventors: Peter Wolfgang Dipl.-Ing. 3170 Gifhorn Manz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1980-07-01
Filing date: 1980-07-01
Publication date: 1985-03-07
Also published as: DE3024812A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Viertakt-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Unter Frischgas soll im Rahmen der Erfindung, da diese sowohl bei Vergasermaschinen als auch bei Einspritz-Brennkraftmaschinen mit Vorteil einsetzbar ist, entweder ein dem jeweiligen Brennraum, beispielsweise einem Zylinder, zuzuführendes Kraftstoff-Luft-Gemisch oder aber reine Verbrennungsluft verstanden sein.

Bei der aus der DE-OS 28 09 473 bekannten Maschine dieses Aufbaus ist zwecks Vermeidung einer Gegenspülung während der Ventilüberschneidung, also des Einschiebens von Abgas in das Saugrohr, das Einlaßventil über die Einlaßphase hinaus während eines Teiles des Verdichtungstaktes geöffnet, so daß unter Erhöhung der Verdichtungsarbeit der Maschine in der Vorkammer eine komprimierte Frischgasreserve gebildet wird; diese dient während der nächsten Ventilüberschneidung zum Spülen des Brennraumes.

Auch bei der ein in Rückströmrichtung sperrendes Rückschlagventil im Saugrohr aufweisenden Maschine nach der CH-PS 2 62 070 ist das Einlaßventil während des ersten Bereichs des Verdichtungstaktes geöffnet. Sinn dieser Maßnahme ist eine Verkürzung des wirksamen Verdichtungshubes gegenüber dem Expansionshub, um die Verbrennungsgase auf einen tieferen Druck als normalerweise expandieren zu lassen.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 so auszubilden, daß eine Absenkung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs der Maschine und eine Erweiterung ihres Vollastarbeitsbcreiehs zu niedrigeren Drehzahlen auftreten.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Patentanspruchs I; vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung geben die UntcransDrüche an.

In Abweichung von dem beschriebenen Stand der Technik nutzt die Erfindung also den während der Ventilüberschneidung vorhandenen und üblicherweise über das Auslaßventil nutzlos abgebauten Abgasdruck zur Erhöhung des Frischgasdrucks in der Vorkammer cus. so daß diese Erhöhung nicht durch eine Vergrößerung der von der Maschine aufzubringenden Verdichtungsarbeit erkauft wird.

Der Abstand zwischen Rückschlagventil und Einlaß-

ίο ventil darf nicht beliebig klein sein, da sonst in die Vorkammer, worunter im Rahmen der Erfindung stets das Saugrohrvolumen zwischen Einlaßventil und Rückschlagventil verstanden wird, während der Ventilüberschneidung praktisch nur Abgas gelangt, und der Abis staiid darf andererseits auch nicht beliebig groß werden. da andernfalls durch den während der Ventilüberschneidung vorliegenden Abgasdruck keine nennenswerte Erhöhung des Drucks des in der Vorkammer enthaltenen Frischgases auftreten würde. Es kann zweckmäßig sein.

das Saugrohr im Bereich der definierten Vorkammer unter den bekannten Gesichtspunkten der Saugrohrrcsonanz zu gestalten.

Wie sich überraschenderweise gezeigt hat, bewirken die konstruktiv sehr einfachen erfindungsgemäßen Maßnahmen eine erhebliche Verlagerung der Leerlaufdrehzahl und des Vollast-Drehzahlbereichs in Richtung niedrigere Drehzahlwerte, ohne daß im Bereich der praktisch interessierenden hohen Drehzahlen der Maschine ein sich nachteilig bemerkbar machender Leistungsverlust in Kauf genommen werden muß. Bei ersten Versuchen mit der Erfindung konnte eine im übrigen serienmäßige Viertakt-Brennkraftmaschine für einen Pkw mit einer Leerlaufdrehzahl von 500 U/min und bereits bei 650 U/min mit Vollast betrieben werden, und zwar im Rundlauf und mit vertretbaren Emissionswerten.

Gemäß Anspruch 2 kann das Rückschlagventil ein Membranventil sein. Derartige Rückschlagventile sind an sieb speziell für Zweitakt-Maschinen bekannt; siehe beispielsweise die DE-AS 20 34 956 und die DE-OS 19 14 859. Sie dienen dort jedoch der Lösung einer anderen Aufgabe als sie der Erfindung zugrunde liegt, und zwar einer Aufgabe, die infolge des Fehlens von zeitlich zwangsgesteuerten Ein- und Auslaßventilen der Viertakt-Brennkraftmaschinen spezifisch ist für die ohne derartige Ventile arbeitenden Zweitakt-Maschinen:

Wie in der letztgenannten Schrift angegeben, kann durch die Rückschlag-Membranventile nach Ende der Saugbewegung des Kolbens das Rückströmen bereits in den Brennraum gesaugten Frischgases in das Saugrohr verhindert werden. Letztlich stellen diese Rückschlagventile bei Zweitakt-Brennkraftmaschinen also eine Art Ersatz für Einlaßventile dar, wobei allerdings die bei echten Einlaßventilen vorhandene, für die Arbeitsweise von Viertakt-Brennkraftmaschinen entscheidende Zwangssteuerung der Ventile fehlt.

Einerseits tritt nun die durch die Erfindung speziell bei Viertakt-Brennkraftmaschinen erzielte Wirkung der Verringerung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs durch Drehzahlherabsetzung jedenfalls bei Zweitakt-Brennkraftmaschinen nicht auf, weil bei dieser Maschinenart Auslaßventile fehlen und demgemäß bei der Auf ■ wärtsbewegung des Kolbens ein Teil des angesaugten Frischgases unverbratint in das Abgassysiem gelangt.

Die Folge ist, daß bei Erniedrigung der Leerlaufdrehzahlen die Kohlenwasserstoffemissioncn und damit die Umweltbelastung stark ansteigen, weshalb der Trend bei Zweitakt-Brennkraftmaschinen auch in Richtung

höhere Drehzahlen geht Andererseits ist für Viertakt-Maschinen nur an die Anwendung von einen feststehenden Kern im Saugrohr enthaltenden Vorrichtungen gedacht worden (DE-OS 19 14 859), der nicht eine Druckerhöhung im Saugrohr bewirkt, sondern infolge spezieller Formgebung die sich vom Vergaser zum Arbeitsraum bewegende Frischgassäule vor dem frontalen Zusammenstoß mit zuvor angesaugtem, zurückdrängendem Firschgas schützen soll.

Wie bereits oben ausgeführt, hat sich als überraschender Vorteil der Erfindung eine praktisch kaum beeinträchtigte Leistungsabgabe der mit der Erfindung ausgerüsteten Viertakt-Brennkraftmaschine bei hohen Drehzahlen ergeben. Da mithin das Schwergewicht des durch die Erfindung erzielbaren Leistungsgewinns bei is niedrigeren Drehzahlen liegt, ist die im Patentanspruch 3 gekennzeichnete Verwendung des erfindungsgemäßen Saugrohres in einer mit einem Abgasturbolader ausgerüsteten Viertakt-Brennkraftmaschine besonders vorteilhaft. Bekanntlich läuft ein derartiger Abgasturbolader bei niedrigen Drehzahlen der ihm zugeordneten Brennkraftmaschine praktisch nur mit, ohne eine Aufladung zu erzeugen, während bei hohen Drehzahlen das Abgasangebot der Brennkraftmaschine so groß ist, daß nicht das gesamte anfallende Abgas zum Antrieb des Abgasturboladers verwendet werden kann. Bei Einsatz der Erfindung in einer mit einem Abgasturbolader ausgerüsteten Brennkraftmaschine ergänzen sich demgemäß die einen Aufladeeffekt in der Vorkammer bewirkenden erfindungsgemäßen Maßnahmen mit iter Wirkung des Abgasturboladers bei höheren Drehzahlen.

Zur Abrundung des Standes der Technik sei noch auf die DE-OS 24 42 074 hingewiesen, die das Vorsehen einer Vorkammer im Saugrohr bei beliebigen Maschinengattungen offenbart. Diese Vorkammer soll sich zwischen Ansaugzeiten des zugehörigen Brennraums wieder vollsaugen und gegebenenfalls Ansaugresonanz mit Gemischüberdruck erzeugen. Infolge der durch diese Maßnahmen angestrebten gleichmäßigen Druckverhältnisse am Vergaser soll eine gleichmäßige Gemischzusammensetzung sichergestellt werden. Diese bekannte Vorkammer wird nicht durch ein Rückschlagventil definiert und soll letztlich auf die Verhältnisse am Vergaser Einfluß nehmen, während ein wesentliches Merkmal der Erfindung, deren Einsatz nur bei Viertakt-Brennkraftmaschinen zur Lösung der oben definierten Aufgabe führt, in einem Rückschlagventil besteht, das letztlich die Ausnutzung des sonst wirkungslos abzubauenden Abgasdrucks während der Ventilüberschneidung zur Gewinnung eines Aufladeeffekts bewirkt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Zylinder und das zugehörige Saugrohr einer Viertakt-Brennkraftmaschine mit einem Vergaser und

F i g. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Erfindung.

Der Zylinder 1 enthält in üblicher Weise den Kolben 2. der über nicht dargestellte Pleuel mit einer Kurbelwelle in Verbindung steht, die ihrerseits in üblicher Weise auf Antriebsräder eines Kraftfahrzeugs wirkt. Dem Saugrohr 3 ist das Einlaßventil 4, dem Auslaßrohr 5 das Auslaßventil 6 zugeordnet; beide Ventile werden in üblicher und daher nicht dargestellter Weise über eine von der Brennkraftmaschine angetriebene Nockenwelle /wangsgesteuert. Dabei erfolgt diese Zwangssteuerung so. daß. wie noch anhand Fig. 2 erläutert wird, eine endliche Ventilsteuerzeitenüberschneidung zwischen öffnen des Einlaßventils 4 und Schließen des Auslaßventils 6 vorliegt

Betrachtet man weiter die Konstruktion des Saugrohres 3, so besteht dieses im wesentlichen aus den beiden Abschnitten 7 und 8, wobei der Abschnitt 7 sich zwischen dem Einlaßventil 4 und dem mit Membranzungen ausgeführten Rückschlagventil 9 erstreckt, während der Abschnitt 8 zwischen dem Rückschlagventil 9 und der Drosselklappe 10 des Vergasers liegt

Der Saugrohrabschnitt 7 bildet also zugleich eine Vorkammer, deren Länge so gewählt ist, daß während der erwähnten Ventilsteuerzeitenüberschneidung der dann noch in dem Brennraum 11 des Zylinders 1 herrschende, zeitlich veränderliche Abgasdruck das in der Vorkammer 7 befindliche Frischgas auf einen Druck komprimiert der zumindest ungefähr dem Abgasdruck am Ende der Ventilüberschneidung, also beim Schließen des Auslaßventils 6, entspricht.

Die Druckverhältnisse sind aus dem in F i g. 2 wiedergegebenen Diagramm entnehmbar, in dem die Kurve a den Verlauf des Drucks P im Brennraum 11 und die Kurve b den Verlauf des Drucks P des Frischgases in der Vorkammer 7 über dem Kurbelwinkel KWwiedergibt. Mit A₆ und A_s sind die Winkel bezeichnet, bei denen das Auslaßventil öffnet bzw. schließt; dementsprechend bezeichnen E₆ und E₅ die Winkelwerte, bei denen das Einlaßventil öffnet bzw. schließt.

Hinsichtlich der Betriebsweise sind vier durch römische Zahlen gakennzeichnete Bereiche in dem Diagramm zu unterscheiden:

Im Bereich 1 wird das Abgas durch das geöffnete Auslaßventil 6 bei noch geschlossenem Einlaßventil 4 ausgeschoben. Im Bereich II ist das Einlaßventil 4 bereits geöffnet (Ventilsteuerzeitenüberschneidung), und man erkennt aus dem Diagramm, daß gemäß Kurve b der Druck in der Vorkammer 7 ansteigt, während der Abgasdruck gemäß Kurve a abfällt, so daß beim Schließen des Auslaßventils 6 der Druck des Frischgases in der Vorkammer 7 sich etwa auf einen Wert erhöht hat, der dem Abgasdruck im Brennraum 11 in diesem Zeitpunkt entspricht.

An diese beiden Arbeitstaktbereiche schließen sich nun in üblicher Weise der Saugu kt 111 und der Verdichtungstakt IV an.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Viertakt-Brennkraftmaschine mit Ein- und Auslaßventilen, deren Steuerzeiten am Ende des Auslaßtaktes eine Oberschneidung aufweisen, und mit einem im Frischgas-Saugrohr zur Bildung einer Vorkammer im Abstand vor dem Einlaßventil angeordneten, nur in Rückströmrichtung sperrenden Rückschlagventil, das im unteren Drehzahlbereich in einer bestimmten Taktphase bei geöffnetem Einlaßventil eine Anhebung des Druckes von in der Vorkammer enthaltenem Frischgas etwa auf den im Arbeitsraum der Maschine herrschenden Druck erlaubt, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Rückschlagventils (9) vom Einlaßventil (4) derart bemessen ist, daD die Druckanhebung während der Überschneidung der Steuerzeiten von dem im Arbeitsraum noch herrschenden Abgasdruck ohne übermäßiges Füllen der Vorkammer mit Abgas bewirkt wird.

2. Viertakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (9) ein Membranventil ist

3. Viertakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Abgasturbolader ausgerüstet ist.