DE3137471C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Viertakt-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Bei der aus der US-PS 38 00 763,F02B 33/00, bekannten Maschine dieser Art soll über zwei Laderohre infolge des durch den Vorauslaßstoß im jeweili­ gen Abgassystem erzeugten momentanen Unterdrucks gleichsam durch einen Saugeffekt die Frischgassäule vor dem Einlaßventil des jeweils anderen Zylinders beschleunigt werden. Da aber diese bekannte Brennkraftmaschine im Bereich der Laderohre nur Rückschlagdüsen, nicht aber irgendwelche Ventile aufweist, sind unerwünschte Strömungen nicht auszuschließen. So muß auch davon ausgegangen werden, daß beim Auftreten des Unterdrucks im Abgassystem über das jeweilige Laderohr ein Ansaugen von Frischgas aus dem Einlaßrohr des anderen Zylinders erfolgt.

Die DE-AS 10 03 986 beschreibt eine Viertakt-Brennkraftmaschine, die zusätzlich zum Ein- und Auslaßventil zur Erzeugung eines Nach­ ladeeffekts je Zylinder einen kolbengesteuerten Schlitz aufweist; die Schlitze sind paarweise mit einem Nachladerohr verbunden, das seinerseits vier beispielsweise durch einen Rohrschieber gebildete Steuerorgane besitzt. Während der Auslaßphase eines der beiden ver­ bundenen Zylinder drückt das Abgas desselben die im Nachladerohr befindliche Frischgassäule über den dem anderen Zylinder zugeordne­ ten Schlitz in diesen, während die Hauptmenge des Abgases aus dem ersterwähnten Zylinder im abgesperrten Zustand der Schlitze beider Zylinder durch das Abgasventil entfernt wird. Zum Spülen und Laden des Nachladerohres mit Frischgas werden zwei der Steuerorgane des­ selben geöffnet, und es wird unter Einsatz von Fremdenergie Frisch­ gas in das Nachladerohr geliefert.

Andere Ladeeinrichtungen, wie fremdangetriebene Lader, Abgasturbolader oder Druckwellenmaschinen, weisen diesen Nachteil zwar nicht auf, arbei­ ten jedoch mit zusätzlicher Energiezufuhr bzw. mit Umsetzung der Abgas­ energie in kinetische Energie rotierender Teile und sind dadurch, abge­ sehen vom Leistungsverlust, relativ träge.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zu Grunde, eine Viertakt-Brenn­ kraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß ohne Fremdenergiezufuhr bzw. ohne Umsetzung von Abgasenergie in kine­ tische Energie rotierender Teile ein eindeutiger Nachladeeffekt ohne die Gefahr des Absaugens von Frischgas sichergestellt ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, das sie mit ein­ fach aufgebauten, strömungsgünstige Kanäle bzw. Räume bildenden, im Prin­ zip bereits erprobten Einrichtungen, wie Drehschiebern und glattwandigen Laderohren, auskommt. Da ferner in Abhängigkeit vom Ventilsteuerdiagramm der Zweizylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine nur ein Teil der Zylinder­ füllung durch Nachladung erfolgt, ist der Raumbedarf der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung gering. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Nachladung ist darin zu sehen, daß die Abgasenergie nur während des Nachladens genutzt wird und demgemäß die in den betrachteten Zylindern laufenden Kolben während der restlichen Auslaßzeiten, also dann, wenn nur das jeweilige Auslaßventil, nicht aber das Einlaßventil des jeweils ande­ ren Zylinders geöffnet ist, nicht gegen einen erhöhten Abgasgegendruck arbeiten müssen.

Schließlich ist als grundsätzlicher Vorteil noch anzuführen, daß weit­ gehend gleichzeitig mit dem Nachladevorgang, also dem Ausschieben von Frischgas aus dem jeweiligen Laderohr durch das jeweils geöffnete Einlaß­ ventil in den Brennraum, ebenfalls durch die Abgasenergie das Verdichten von Frischgas erfolgt und daß auch mit einfachen Mitteln - siehe die Pa­ tentansprüche 4 und 6 - ein Spülen der Laderohre mit Frischgas, unter Ausnutzung der beim Auspuffen des Abgases erzeugten Strömungsenergie, möglich ist. Damit ist sichergestellt, daß beim Nachladen dem jeweiligen Brennraum tatsächlich nur Frischgas, nicht aber ein Frischgas-Abgas-Ge­ misch zugeführt wird.

An dieser Stelle sei eingefügt, daß unter "Frischgas" im Sinne der Erfin­ dung sowohl ein Kraftstoff-Luft-Gemisch (z. B. bei Vergasermaschinen) als auch reine Luft (bei Dieselmaschinen oder Maschinen mit Kraftstoffein­ spritzung) zu verstehen ist.

Die weiteren Unteransprüche schützen zweckmäßige Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Im folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen senkrechten Mittelschnitt und

Fig. 2 die mit II-II bezeichnete Horizontalschnittansicht bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit zwei Laderoh­ ren und vier zu einem Drehschieber zusammengefaßten Steuerorganen,

Fig. 3 das Ventilsteuerdiagramm sowie das Betätigungsdiagramm für die Steuerorgane,

Fig. 4 einen senkrechten Schnitt durch eine Brennkraftmaschi­ ne mit zwei Laderohren, wobei wiederum die Steuerorga­ ne zu einem einzigen Drehschieber zusammengefaßt sind,

Fig. 5 einen der Erläuterung der Konstruktion nach Fig. 4 dienenden Horizontalschnitt,

Fig. 6 die zugehörigen Ventilsteuer- und Betätigungsdiagramme,

Fig. 7 und 8 in einem senkrechten Schnitt sowie in der mit VIII- VIII bezeichneten Schnittansicht eine Brennkraftma­ schine mit einem Laderohr und in zwei Drehschiebern zusammengefaßten Steuerorganen,

Fig. 9 das zugehörige Ventilsteuerdiagramm mit Betätigungs­ diagramm für die verschiedenen Steuerorgane,

Fig. 10 und 11 in einem senkrechten Schnitt und in der mit XI-XI be­ zeichneten Schnittansicht eine Brennkraftmaschine mit zwei Laderohren und in zwei Drehschiebern zusammenge­ faßten Steuerorganen und

Fig. 12 die zugehörigen Steuer- und Betätigungsdiagramme.

Der Beschreibung der einzelnen Ausführungsbeispiele und ihrer Diagramme sei vorausgeschickt, daß der Verlauf der die einzelnen Steuerorgane dar­ stellenden Strömungsbohrungen in den verschiedenen Drehschiebern in den Konstruktionsfiguren nur schematisch angegeben ist, daß also die relative Winkellage dieser Strömungsbohrungen zueinander, ihre Durchmesser und ihre Form aus diesen Figuren nicht entnommen werden können. In den Dia­ grammen sind die Öffnungsphasen der Auslaßventile mit A, der Einlaßven­ tile mit E bezeichnet; die Öffnungsphasen der einzelnen Steuerorgane sind durch leere Rechtecke, die Schließphasen der Steuerorgane durch schraf­ fierte Rechtecke gekennzeichnet.

Betrachtet man nun zunächst die Fig. 1 und 2, so ist dort eine Zweizylin­ der-Viertakt-Brennkraftmaschine mit zwei Laderohren und vier Steuerorga­ nen, die zu einem einzigen Drehschieber zusammengefaßt sind, dargestellt. Wie bereits eingangs bemerkt, kann man diese Zweizylinder-Brennkraftma­ schine auch als einen Bestandteil einer Brennkraftmaschine mit einer größeren, aber geradzahligen Zylinderzahl betrachten. Für die Erfindung entscheidend ist die Zusammenfassung von zwei um einen halben Zyklus versetzt arbeitenden Zylindern zu einem Zylinderpaar, wobei die Ein- und Auslaßventile verschiedener Zylinder dieses Zylinderpaares mit Überschneidung arbeiten.

Die beiden Zylinder sind bei I und II angedeutet; in ihnen laufen in üb­ licher Weise Kolben, die auf eine Kurbelwelle arbeiten. Über Steueror­ gane, die durch Strömungsbohrungen 1, 2, 3 und 4 in einem gemeinsamen, bei­ spielsweise von der Nockenwelle der Brennkraftmaschine angetriebenen Drehschieber 5 sowohl in axialer Richtung als auch in Drehrichtung gegen­ einander versetzt angeordnet sind, können die individuellen Einlaßrohre 6 und 7 sowie die individuellen Auspuffrohre 8 und 9 der beiden Zylinder I und II selektiv mit den individuellen Einlaßventilen 10 und 11 bzw. den individuellen Auslaßventilen 12 und 13 verbunden bzw. von diesen getrennt werden. Über im Zylinderblock vorgesehene, mit den besagten Ventilen in Verbindung stehende individuelle Kanäle 14, 15 und 16, 17 können ferner die genannten Rohre selektiv mit den beiden Laderohren 18 und 19 verbunden werden, die bezüglich des Drehschiebers 5 auf der anderen Seite des Zy­ linderblocks angeordnet sind. Diese Laderohre 18 und 19 weisen zwar zwei bzw. einen Krümmer auf, sind aber so gestaltet, daß ihr Verlauf strö­ mungsgünstig ist.

Das Diagramm nach Fig. 3, auf dessen Abzisse der Kurbelwellenwinkel KW bzw. die Zeit aufgetragen ist, zeigt in seinem oberen Teil das Steuerdia­ gramm der Ein- und Auslaßventile der beiden Zylinder I und II, wobei die entsprechenden Öffnungsperioden E bzw. A gezeichnet sind. Eingezeichnet in das Diagramm sind ferner die oberen und unteren Totpunkte OT bzw. UT, und die Zündzeitpunkte sind jeweils durch einen Blitz gekennzeichnet.

Die Erfindung nutzt die Überlappung der Öffnungsperioden der Ein- und Auslaßventile jeweils verschiedener Zylinder zum Nachladen aus, also die in dem Diagramm nach Fig. 3 mit L ("Ladephase") bezeich­ neten Bereiche. Betrachtet man die in dem Diagramm erste Ladephase, so sind in ihr also das Auslaßventil 12 des Zylinders I und das Einlaßventil 11 des Zylinders II geöffnet. Die Steuerorgane 1 und 4 sind in Sperrstellung, d. h. die in Fig. 2 dort gezeichneten Strö­ mungsbohrungen weisen senkrecht zur Zeichenebene, dagegen sind die übrigen Steuerorgane in Öffnungsstellung. Das das Auslaßventil 12 verlassende Abgas drückt daher die im Laderohr 18 befindliche Frischgassäule zum Einlaßventil 11 des anderen Zylinders II. Damit verbunden ist auch eine Verdichtung der Frischgassäule, ebenfalls unter Ausnutzung der Energie des Abgases des Zylinders I.

Sobald das Einlaßventil 11 des Zylinders II schließt - vergleiche Fig. 3 -, öffnet das Steuerorgan 1, und die aus dem Brennraum des Zylinders I aus­ strömenden Abgase gelangen über das Auspuffrohr 8 ins Freie. Da das Steu­ erorgan 1 in dieser geöffneten Stellung verbleibt, sorgen die Druckver­ hältnisse in den Kanälen 14 und 15 sowie im Laderohr 18 nach erneutem Öffnen des Steuerorgans 4 dafür, daß eine Spülung dieses Systems mit durch das Einlaßrohr 7 zugeführtem Frischgas erfolgt. Man hat also be­ reits bei dieser sehr einfachen Ausführungsform der Erfindung folgendes zyklische Betriebsverhalten, von denen zumindest die beiden ersten Vor­ gänge weitgehend gleichzeitig erfolgen:

• 1. Verdichten von Frischgas durch Ausströmen des Abgases,
• 2. Ausschieben von Frischgas durch das Abgas,
• 3. Auspuffen von Abgas,
• 4. Füllen bzw. Spülen des jeweiligen Laderohrs mit Frischgas unter Ausnutzung der beim Auspuffen des Abgases erzeugten Strömungsener­ gie.

Wie der untere Teil des Diagramms nach Fig. 3, in dem die Betätigungen der Steuerorgane 1, 2, 3 und 4 über dem Kurbelwinkel aufgetragen sind, ohne weiteres zeigt, wiederholt sich der Nachladevorgang für den Zylinder II in sinngemäßer Anwendung der bisherigen Betrachtung auf die Steuerorgane 2 und 3 und das zweite Laderohr 19. Alle Vorgänge in der Ladeeinrichtung sind synchronisiert mit dem Steuerdiagramm der Ein- und Auslaßventile und damit letztlich mit der Drehzahl der Brennkraftmaschine.

Verständlicherweise kann der Drehschieber 5 auch im Zylinderblock oder auf der Laderohrseite liegen. Dann ergeben sich in vorteilhafter Weise kürzere Abstände zwischen benachbarten Steuerorganen bzw. ist eine Nach­ rüstung mit der Ladeeinrichtung von nur einer Maschinenseite her möglich.

Auch dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 liegt eine Brennkraftmaschine mit zu einem einzigen Drehschieber zusammengefaßten Steuerorganen und zwei Laderohren zugrunde, jedoch sind sowohl der Drehschieber 40 als auch die beiden Laderohre 41 und 42 auf einer Seite des Zylinderblocks 43 an­ geordnet. Wie die Figur unmittelbar zeigt, sind die Steuerorgane, bei­ spielsweise also das mit 44 bezeichnete, hier durch kompliziertere Strö­ mungskanäle gebildet, da auch die Verbindungen mit den Einlaßrohren 45 und den Auspuffrohren 46 über den Drehschieber 40 verlaufen müssen. Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch das Einlaßventil bei im UT befindlichen Kol­ ben.

Der dargestellte Strömungskanal ist im Querschnitt in gewisser Annäherung T-förmig. Zur Verwirklichung der in Fig. 6 dargestellten Diagramme münden die verschiedenen Rohre unter vorgegebenen Winkeln in den Drehschieber 40 ein.

Da bei dieser Konstruktion eine Schnittansicht analog zu Fig. 2 nur wenig informativ ist, zumal die Anordnung der hier insgesamt sechs Steuerorgane daraus nicht hervorgehen würde, wurde Fig. 5 in Anlehnung an Fig. 2 so angelegt, als ob die Steuerorgane 47 bis 50 zwischen den Einlaßventilen 51 und 52 bzw. den Auslaßventilen 53 und 54 einerseits und den Einlaßroh­ ren 55 und 45 bzw. den Auspuffrohren 56 und 46 andererseits auf der be­ züglich der Laderohre 41 und 42 anderen Seite des Zylinderblocks lägen. Die Verbindungen zwischen den Auslaßventilen 52 und 53 einerseits und den Laderohren 41 und 42 andererseits enthalten hier keine Steuerorgane, sind also stets durchgezeichnet, während zwischen den Einlaßventilen 51 und 52 einerseits und den Laderohren 41 und 42 andererseits die Steuerorgane 57 und 44 liegen.

Aus den Diagrammen der Fig. 6, in dessen unterster Zeile die Vorgänge im Laderohr 42 aufgetragen sind, folgt, daß im Laderohr eine "Totzeit" T zwischen der Spülphase S (Steuerorgane 48, 57 und 49 offen) und der Nach­ ladephase L (Steuerorgane 48 und 49 geschlossen bei geöffnetem Steueror­ gan 57) auftritt. Vor der Spülphase S und nach einer der Nachladephase L folgenden Abgasdruckaufbauphase D liegen Auspuffbereiche A, in denen das Steuerorgan 57 das Laderohr 42 einlaßseitig abschaltet, während das Steu­ erorgan 49 zum Auspuffrohr 46 geöffnet ist.

Um auch bei einer Konstruktion mit nur einem Laderohr hinsichtlich der Spülung desselben eindeutige Verhältnisse zu schaffen, sind in der Kon­ struktion nach den Fig. 7 und 8 insgesamt acht Steuerorgane 71 bis 78 vorgesehen, die zu zwei auf verschiedenen Seiten des Zylinderblocks mit den Zylindern I und II angeordneten Drehschiebern 79 und 80 zusammenge­ faßt sind. Auch hier werden also die Steuerorgane durch entsprechend ge­ legte Strömungsbohrungen in Drehschiebern gebildet. Man erkennt, daß die im ersten Drehschieber 79 zusammengefaßten Steuerorgane 71, 73, 75 und 77 zwischen den Ein- und Auslaßventilen 81 bis 84 der Zylinder I und II ei­ nerseits und den Einlaß- und Auspuffrohren 85 bis 88 andererseits ange­ ordnet sind, während die jeweils einem der Zylinder I und II zugeordneten Steuerorgane 72, 74 und 76, 78 paarweise im Bereich jeweils eines der En­ den des einzigen Laderohres 90 liegen.

Die Arbeitsweise der Ventile und der Steuerorgane geht im einzelnen aus Fig. 9 hervor. Man erkennt wiederum die Nachladephasen L sowie diesen vorangehende Auspuff- und Spülphasen S, die durch den geöffneten Zustand des Steuerorgans 74 bzw. 76 bei geöffnetem Steuerorgan 73 bzw. 75 gekenn­ zeichnet sind.

Optimale Verhältnisse ergeben sich bei Verwendung von acht Steuerorganen in zwei Drehschieberanordnungen mit zwei Laderohren, wie dies die Fig. 10, 11 und 12 zeigen und erläutern. Auch dort handelt es sich - siehe das oberste Diagramm in Fig. 12 - um eine Zweizylinder-Viertakt-Brennkraft­ maschine in schnellaufender Bauart mit Öffnungsbeginn der Auslaßventile vor UT und Schließen der Einlaßventile nach UT mit gleichmäßiger Zündfol­ ge.

Die Zylinder sind wiederum mit I und II bezeichnet. Zur Steuerung dienen die Steuerorgane 101 bis 108, die in gleicher Anzahl in den beiden Dreh­ schiebern als Strömungsbohrungen vorgesehen sind; die Drehschieber liegen wiederum auf unterschiedlichen Seiten des Zylinderblocks. Die sich je­ weils gegenüberliegenden Steuerorgane, also beispielsweise 101 und 102, fluchten mit jeweils einem Querkanal 111 bis 114 im Zylinderblock, in den jeweils eines der Ein- und Auslaßventile 115 bis 118 der beiden Zylinder I und II einmündet. Auf der in den Fig. 10 und 11 rechten Seite des Zylinderblocks erkennt man die beiden Laderohre 119 und 120, während die Einlaß- und Auspuffrohre 121 bis 124 auf der in den Fig. 10 und 11 linken Seite des Zylinderblocks liegen.

Auch hier folgt die Arbeitsweise im einzelnen aus Fig. 12. Diese Kon­ struktion gestattet, bei noch geöffnetem Auslaßventil, beispielsweise 116, und geschlossenem Steuerorgan 102 (im Anschluß an die erste Lade­ phase L) eine Abgasströmung zu erzeugen, die nach Schließen des Aus­ laßventils 116 bei offenen Steuerorganen 101, 102, 105 und 106 zu einer einwandfreien Spülung führt.

Claims (10)

1. Viertakt-Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit zu­ mindest einem Zylinderpaar, dessen Zylinder um einen halben Zyklus versetzt arbeiten, sowie mit getrennten Ein- und Auslaßventilen im Zuge von Ein­ laß- und Auspuffrohren, wobei die Ein- und Auslaßventile verschiedener Zylinder des Zylinderpaares mit Überschneidung arbeiten und zumindest ein Laderohr zwischen ihnen zur Ausnutzung des Drucks im Abgassystem jeweils eines der Zylinder zur Nachladung des jeweils anderen Zylin­ ders vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Einlaß- und den Auspuffrohren (6, 7, 8, 9) einerseits sowie den Einlaß- und den Auslaßventilen (10, 11, 12, 13) andererseits zyklisch betätigte, den je­ weiligen Strömungsquerschnitt bestimmende Steuerorgane (1, 2, 3, 4) lie­ gen, die nur während der Überschneidungen der Ein- und Auslaßventile (10, 11, 12, 13) verschiedener Zylinder (I, II) bei mit diesen Ventilen verbundenem Laderohr (18, 19) diese Ventile (10, 11, 12, 13) von den Ein­ laß- bzw. Auspuffrohren (6, 7, 8, 9) trennen.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerorgane (1, 2, 3, 4) zu einem Drehschieber (5) mit gegeneinander versetzten Strömungsdurchlässen zusammengefaßt sind, der mit der hal­ ben Drehzahl der Brennkraftmaschine angetrieben wird.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Einlaßventil (51, 52) einerseits sowie dem Laderohr (41, 42) andererseits ein weiteres zyklisch betätigtes, den jeweiligen Strö­ mungsquerschnitt bestimmendes Steuerorgan (57, 44) liegt, das bei ge­ öffnetem Einlaßventil (51, 52) nur während der Überschneidung geöffnet ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Einlaß- und den Auslaßventilen (81, 82, 83, 84) einerseits sowie dem Laderohr (90) andererseits weitere zyklisch betätigte, den jeweiligen Strömungsquerschnitt bestimmende Steuerorgane (72, 74, 76, 78) liegen, die nach Schließen des jeweiligen Auslaßventils (82, 84) zur Spülung eine das Laderohr (90) einschließende Verbindung zwischen dem jeweiligen Einlaß- und Auspuffrohr (85, 86, 87, 88) schaffen.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Steuerorgane (72, 74, 76, 78) zu einem weiteren Drehschieber (80) mit gegeneinander versetzten Strömungsdurchlässen zusammengefaßt sind, der mit der halben Drehzahl der Brennkraftmaschine angetrieben wird.

6. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 2 und 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die beiden Drehschieber (79, 80) auf verschiedenen Seiten des Zylinderblocks der Brennkraftmaschine angeordnet sind.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach Ende der jeweiligen Überschneidung bis zum Schließen des jeweiligen Auslaßventils (82) das entsprechende weitere Steuer­ organ (72) das Laderohr (90) vom Auslaßventil (82) trennt, während das Auslaßventil (82) mit dem jeweiligen Auspuffrohr (86) verbunden ist.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Drehschieber zu einem Drehschieber (59) zusammengefaßt sind.

9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nur ein Laderohr (90) vorhanden ist, dessen Enden über die Steuerorgane (72, 74, 76, 78) mit den Ein- und Auslaßventilen (81, 82, 83,84) jeweils eines Zylinders (I, II) abwechselnd verbunden sind.

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei Laderohre (18, 19) vorhanden sind.