DE3218443C2 - Hubkolben-Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer Ladeeinrichtung - Google Patents

Description

Das Hauptpatent 31 37 490.5 betrifft eine Hubkolben-Brenn­ kraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Schlagwortartig kann man die im Hauptpatent geschützte Erfindung als eine zyklische Selbstaufladung des betrachteten Zylinders bezeichnen, da das Laderohr Frischgas- und Abgaskanal desselben Zylinders verbindet. Ein be­ sonderer Vorteil der Erfindung nach dem Hauptpatent ist darin zu sehen, daß sie sowohl bei Zweitakt- als auch bei Viertaktmaschinen Einsatz fin­ den kann. Infolge der Tatsache, daß das Laderohr Abgas- und Frischgaska­ nal desselben Zylinders verbindet, liegen auch keinerlei Beschränkungen hinsichtlich der Zylinderzahl vor. Bei Anwendung bei einer Zweitakt-Brenn­ kraftmaschine ergibt sich nicht nur ein Aufladeeffekt, sondern dann dient die Erfindung nach dem Hauptpatent zugleich als Gaswechseleinrich­ tung bei niedriger Zylinderfüllung.

Gegenüber den mit zyklischer Selbstaufladung arbeitenden Maschinen nach der US-PS 21 34 920 und der GB-PS 592 995 bietet die Erfindung nach dem Hauptpatent den Vorteil, daß auch die Möglichkeit einer Spülung des Laderohres und des Abschlusses desselben gegen das Abgasauspuffrohr zur Frischgasverdichtung und während des Frischgastransports im Laderohr gegeben ist.

Bei den im Hauptpatent beschriebenen Ausführungsbeispielen, die unter ent­ sprechender Steuerung nur des ersten bis vierten Steuerorgans nur mit den genannten vier Betriebsphasen, die demgemäß unmittelbar aufeinanderfolgen, arbeiten, wird die gesamte dem jeweiligen Brennraum zuzuführende Frisch­ gasmenge durch das Abgas aus dem Laderohr ausgeschoben. Einerseits erfor­ dert dies eine relativ große Dimensionierung des Laderohrs, nämlich im Hinblick auf die gesamte Brennraumfüllung, und andererseits resultiert daraus eine Begrenzung der erreichbaren Verdichtung der Frischgasmenge im Laderohr entsprechend der dazu ausnutzbaren Abgasenergie.

Aufgabe der Erfindung ist daher, für Viertaktmaschinen solche Ausführungs­ formen und Weiterbildungen der im Hauptpatent geschützten Erfindung zu schaffen, die bei gegebener nutzbarer Abgasenergie eine höhere Brennraum­ füllung bei kleinerer Dimensionierung des Laderohrs gewährleisten.

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

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Lösung der Aufgabe mit einfachen Mitteln, nämlich einer weiteren Betriebsphase unter entsprechender Steuerung des fünften Steuerorgans, erfolgt. Die nutzbare Abgasenergie wird nur noch zum Vorverdichten einer Nachlade­ frischgasmenge benutzt, die der erforderlichen Brennraumfüllung abzüglich der direkt, beispielsweise durch Kolbenbewegung, angesaugten Frischgas­ menge entspricht; demgemäß ist der erzielbare Vorverdichtungsdruck höher und das erforderliche Laderohrvolumen kleiner als in den im Hauptpatent beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Im einzelnen erfolgt das Verdichten der Nachladefrischgasmenge im Lade­ rohr sowohl durch Druckausgleich nach dem Öffnen des Auslaßventils als auch durch Überschieben von Abgas aus dem Brennraum in das Laderohr bei Verkleinerung des Brennraums (Aufwärtsbewegung des Kolbens). Umgekehrt erfolgt das Ansaugen von Frischgas durch Vergrößerung des Brennraums (Ab­ wärtsbewegung des Kolbens), während das Nachladen durch teilweise Druck­ entspannung im Laderohr geschieht. Das Ausschieben von Abgas aus dem La­ derohr in das Abgasauspuffrohr erfolgt durch Restdruckentspannung im La­ derohr, das Spülen des Laderohrs mit Frischgas schließlich durch die ki­ netische Energie des Abgases im Abgasauspuffrohr infolge Nachsaugens von Frischgas.

Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung schützen die Unteran­ sprüche.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1-5 schematisch das Laderohr mit den fünf ihm zugeordneten Steuerorganen in den fünf ver­ schiedenen Betriebsphasen, d. h. bei ver­ schiedenen Stellungen der Steuerorgane,

Fig. 6 Betätigungsdiagramme für die fünf Steueror­ gane,

Fig. 7 in einem Horizontalschnitt sowie

Fig. 8, 9 u. 10 in den in Fig. 7 mit VIII, IX und X bezeich­ neten Schnittansichten ein Konstruktions­ beispiel.

Betrachtet man zunächst die Fig. 1 bis 5, so erstreckt sich das Lade­ rohr 1 zwischen dem Abgaskanal 2 und dem Frischgaskanal 3 desselben Zy­ linders der Brennkraftmaschine, deren Zylinderzahl beliebig groß sein kann. An das Laderohr 1 schließen ferner das Abgasauspuffrohr 4 und das Frischgaszufuhrrohr 5 an, von denen das erstgenannte Rohr einen Bestand­ teil der üblichen Auspuffanlage der Maschine bildet, während das Frisch­ gaszufuhrrohr 5 bei einer Vergaser-Brennkraftmaschine mit dem Vergaser in Verbindung steht, also mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch gespeist wird, dagegen bei einer Maschine mit Kraftstoffeinspritzung Frischluft zuführt.

Dem Laderohr 1 sind fünf Steuerorgane zugeordnet, die in diesem Ausfüh­ rungsbeispiel als Drosselklappen ausgebildet sind. Das erste Steueror­ gan 6 im Abgaskanal 2 und das zweite Steuerorgan 7 im Frischgaskanal 3 bilden zugleich ohnehin vorhandene Ventile dieser Brennkraftmaschine, nämlich das Auslaßventil bzw. das Einlaßventil. Dadurch wird der Aufwand an Steuerorganen für diese Ladeeinrichtung besonders klein. Das vierte Steuerorgan 8 dient dazu, in bestimmten Betriebsphasen das Laderohr 1 von dem Abgasauspuffrohr 4 zu trennen, während das dritte Steuerorgan 9 dieselbe Aufgabe bezüglich des Frischgaszufuhrrohrs 5 übernimmt. Im Lade­ rohr 1 ist ferner das fünfte Steuerorgan 10 vorgesehen.

An dieser Stelle sei ferner eingefügt, daß - statt wie in den Ausführungs­ beispielen verwendeter mechanisch, beispielsweise durch Nocken, betätig­ ter Steuerorgane - auch durch die Druckverhältnisse im Laderohr 1 betätigte Steuerorgane, also beispielsweise Rückschlagklappen, Einsatz finden kön­ nen. Dies gilt vor allem für das dritte Steuerorgan 9.

In den Fig. 1 bis 5 sind dieselben Teile mit denselben Bezugszeichen ver­ sehen und die Strömungen durch Pfeile angedeutet.

Man erkennt, daß in der in Fig. 1 dargestellten ersten Betriebsphase nur das erste Steuerorgan 6 geöffnet ist, während die übrigen Steuerorgane geschlossen sind. Durch das in das Laderohr 1 demgemäß einströmende Abgas erfolgt die Verdichtung des Nachladefrischgases im Laderohr 1.

In der zweiten Betriebsphase (siehe Fig. 2) sind nur das zweite Steueror­ gan, also das Einlaßventil 7, und das dritte Steuerorgan 9 geöffnet, und gemäß den Pfeilen wird Frischgas in den Zylinder gesaugt.

In der dritten Betriebsphase (siehe Fig. 3) sind nur das zweite Steueror­ gan 7 und das fünfte Steuerorgan 10 geöffnet, und durch die Abgasdruck­ energie im Laderohr 1 wird Nachladefrischgas aus dem Laderohr 1 ausge­ schoben, d. h. in den Brennraum des Zylinders eingeschoben.

In der vierten Betriebsphase (siehe Fig. 4) sind nur das vierte Steuer­ organ 8 und das fünfte Steuerorgan 10 zwecks Herstellung einer Verbindung zwischen Laderohr 1 und Abgasauspuffrohr 4 geöffnet, d. h. das Abgas kann aus dem Laderohr 1 ausströmen, wobei die Abgasdruckenergie in kinetische Abgasenergie umgewandelt wird.

Diese Umwandlung ist wichtig für die in Fig. 5 dargestellte fünfte Be­ triebsphase, bei der nun zusätzlich auch eine Verbindung des Laderohrs 1 mit dem Frischgaszufuhrrohr 5 über das jetzt geöffnete dritte Steueror­ gan 9 hergestellt ist: Durch Ausnutzung der kinetischen Abgasenergie er­ folgt jetzt ein Ansaugen von Frischgas in das Laderohr 1 und/oder ein Durchspülen des Laderohrs 1 mit Frischgas.

Insbesondere die Spülung des Laderohrs 1 gemäß Fig. 5 wird unterstützt, wenn sich an das vierte Steuerorgan 8 ein längeres Abgasauspuffrohr 4 an­ schließt.

In diesen und den weiteren Figuren nicht dargestellt sind die Füllung erhöhende, an sich bekannte Hilfsmittel, wie Kühlung des Laderohrs bzw. des Frischgases oder eine innere und/oder äußere Isolierung des Lade­ rohrs.

Wie auch im Hauptpatent ausgeführt, muß die Betätigung aller Steuerorgane in Synchronismus mit der Arbeitsweise des Zylinders erfolgen. Hinsichtlich der Anzahl der Betätigungen der einzelnen Steuerorgane ist zu beachten, daß die Betätigung der Steuerorgane bei Viertaktmaschinen mit halber Ma­ schinendrehzahl erfolgen muß. Die Betätigungsverläufe (Durchschaltzeiten) der einzelnen Steuerorgane über dem Kurbelwinkel KW sind in Fig. 6 wie­ dergegeben. UT bedeutet in üblicher Weise unterer Totpunkt, OT in eben­ falls üblicher Weise oberer Totpunkt des Kolbens in dem betrachteten Zy­ linder; ferner ist der Zünd-OT durch einen Blitz besonders hervor­ gehoben. Mit A bis E sind die fünf Betriebsphasen in der Reihenfolge der obigen Beschreibung bezeichnet. Aus Gründen des leichteren Verständnisses sind die Steuerzeiten in Fig. 6 durch diejenigen Bezugszeichen gekenn­ zeichnet, die in den Fig. 1 bis 5 für die zugehörigen Steuerorgane ver­ wendet sind. Insbesondere das vierte Steuerorgan 8 kann zur Regelung der Aufladung zwecks Verminderung des Abgasgegendrucks in einen Regelkreis einbezogen sein.

Die Fig. 7 bis 10 zeigen in verschiedenen Schnitten ein konstruktives Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dem Zylinder 20, in dem der Hubkolben 21 läuft, sind das Auslaßventil 22 und das Einlaßventil 23 zugeordnet. An den Abgaskanal 24 und den Frischgaskanal 25, die den Kanälen 2 und 3 in den Fig. 1 bis 5 entsprechen, schließt sich in der Darstellung der Fig. 7 bis 10 nach links das gekrümmte Laderohr 26 unter Zwischenschaltung des Drehschiebers 27 an. Dieser bildet das dritte, vierte und fünfte Steuer­ organ 29, 28 und 30 und enthält den gemeinsamen Schieberkörper 31 mit entsprechend den Steuerzeiten winkelmäßig gegeneinander versetzten Aus­ nehmungen 32 und 33, die in Abhängigkeit von der jeweiligen Drehstellung den Abgaskanal 24 mit dem Abgasauspuffrohr 34 bzw. den Frischgaskanal 25 mit dem Frischgaszufuhrrohr 35 verbinden bzw. das Laderohr 26 durchschal­ ten. Das Auslaßventil 22 bildet also zugleich das erste Steuerorgan und das Einlaßventil 23 das zweite Steuerorgan, während das dritte und fünfte Steuerorgan 29 und 30 zu einem Dreiwegesteuerorgan zusammengefaßt sind.

Claims (9)

1. Hubkolben-Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit zumindest einem Zylinder, dessen Brennraum zeitweilig mit einem Frischgaskanal (3) und einem Abgaskanal (2) verbunden ist, und mit einer sowohl mit dem Frischgas- als auch mit dem Abgas­ kanal (3, 2) in Verbindung stehenden Ladeeinrichtung, die die kinetische Energie des ausströmenden Abgases zur Aufladung des dem Brenn­ raum zuzuführenden Frischgases ausnutzt und ein feststehendes, sich zwischen dem Abgas- und dem Frischgaskanal (2, 3) des Zylinders erstreckendes Laderohr (1) sowie im Bereich der Enden desselben zwischen einer Öffnungs- und einer Absperrstellung verstellbare Steuerorgane (6, 7, 8, 9) für den jeweiligen Strö­ mungsquerschnitt enthält, von denen ein erstes (6) dem Abgaska­ nal (2) und ein zweites (7) dem Frischgaskanal (3) zugeordnet ist, während ein drittes Steuerorgan (9) zwischen einem Frisch­ gaszufuhrrohr (5) und dem Laderohr (1) sowie ein viertes Steuer­ organ (8) zwischen einem Abgasauspuffrohr (4) und dem Laderohr (1) angeordnet sind, wobei die Ladeeinrichtung weiterhin zur Steuerung der Füllung des Brennraums ein fünftes Steuerorgan (10) im Laderohr (1) enthält, ferner das erste und das zweite Steuerorgan (6, 7) in Synchronismus mit Aus- und Einlaßventilen bzw. -schlitzen des Zylinders arbeiten und die Betätigung des dritten und vierten Steuerorgans (9, 8) entsprechend einer zy­ klischen Folge erfolgt, die die Betriebsphasen Verdichten von Frischgas im Laderohr (1) - Ausschieben von Frischgas aus dem Laderohr (1) in den Brennraum - Ausströmen von Abgas aus dem La­ derohr (1) - Spülen des Laderohrs (1) mit Frischgas sicher­ stellt, nach Patent 31 37 490, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigung des dritten, vierten und fünften Steuerorgan (9, 8, 10) entsprechend der zyklischen Folge
nur erstes Steuerorgan (6) geöffnet: Verdichten von Nachladefrischgas im Laderohr (1)
nur zweites und drittes Steuerorgan (7, 9) geöffnet: Ansaugen von Frischgas in den Brennraum
nur zweites und fünftes Steuerorgan (7, 10) geöffnet: Ausschieben von Nachladefrischgas aus dem Laderohr (1) in den Brennraum
nur viertes und fünftes Steuerorgan (8, 10) geöffnet: Ausströmen von Abgas aus dem Laderohr (1)
nur drittes, viertes und fünftes Steuerorgan (9, 8, 10) geöffnet: Spülen des Laderohrs (1) mit Frischgas
erfolgt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und/oder zweite Steuerorgan (6, 7) zugleich die Aus- und/oder Einlaßventile bzw. -schlitze des Zylinders bilden.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß sich Öffnungszeiten von Steuerorganen (7, 8) zeitlich überschneiden.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zumindest einzelne der Steuerorgane (6, 7, 8, 9) zwangsläufig von einer Welle der Maschine her mit der Maschi­ nendrehzahl oder einem geradzahligen Teil (1/2, 1/4) derselben ange­ trieben werden.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß einzelne Steuerorgane (9) nach Art von Rück­ schlagventilen ausgebildet sind und durch den Druck im Laderohr (1) betätigt werden.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das dritte und fünfte Steuerorgan (29, 30) zu einem Dreiwegesteuerorgan zusammengefaßt sind.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte und fünfte Steuerorgan (9, 10) einen gemeinsamen Ven­ tilkörper mit versetzten Kanälen enthalten.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte, vierte und fünfte Steuerorgan (29, 28, 30) durch einen Drehschieber (31) gebildet sind.

9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich an das vierte Steuerorgan (8) abgasaus­ trittsseitig ein längeres Abgasauspuffrohr (4) anschließt.