Gegenstand der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft eine Hochleistungsauspuffanlage für
eine Brennkraftmaschine und insbesondere eine Auspuffanlage,
die einen höheren spezifischen Auslaß ermöglicht und die den
Auslaß der Maschine im Mittelbereich und unter
Leerlaufbedingungen verbessert.
-
Es ist bekannt, daß die Leistungsabgabe einer
Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung unter irgendeiner bestimmten
Betriebsbedingung durch die Menge des
Kraftstoff/Luft-Gemisches bestimmt wird, die in die Verbrennungskammer
eingelassen werden kann und die vollständig während jedem Zyklus
des Motorbetriebs verbrannt werden kann. Demzufolge ist der
Wirkungsgrad der Maschine direkt von der Fülleffektivität
abhängig. Eine große Vielfalt an Vorrichtungen wurde
eingesetzt, um die Reladeeffektivität einer Brennkraftmaschine
mit interner Verbrennung zu verbessern. Solche Einrichtungen
umfassen eine Vielzahl von Einlaß- und Auslaßventilen,
Turboladern und/oder den Einsatz eines erheblichen Überlappens
zwischen der Öffnung des Einlaßventils und dem Schließen des
Auslaßventils. Hochleistungsmaschinen verwenden
üblicherweise entweder Ventil- oder Öffnungszeiten (abhängig, ob es
sich um Vier- oder Zweitakt-Typen handelt) , die erheblich
überlappen müssen, um eine höhere Leistungsabgabe zu
erzielen.
-
Obwohl eine solche Überlappung der Ventil- oder
Öffnungszeiten sehr effektiv ist, um die Leistung einer
Verbrennungsmaschine mit interner Verbrennung bei hoher Leistung zu
verbessern, verringert eine solche Anordnung zum Vergrößern der
Leistungsabgabe erheblich die Leistung im mittleren
Betriebsbereich.
Der Grund hierfür ist, daß an dem Abgasauslaß
der Maschine ein höherer Druck während eines Zustands des
Motorbetriebs besteht, bei dem das Einlaßventil ebenfalls
geöffnet ist. Daher tendieren die Abgase dazu, mehr als das
Ansaugen von frischem Kraftstoff/Luft-Gemisch in die
Verbrennungskammer über den Einlaßöffnung zurück in die
Verbrennungskammer über den Abgasauslaß zu fließen. Dies
beeinflußt nicht nur das frische Kraftstoff/Luft-Gemisch in
der Brennkammer, sondern es verhindert auch die Aufnahme
einer vollständigen Kraftstoff/Luft-Füllung. Demzufolge
besitzen viele Hochleistungsmaschinen, die einen hohen Grad
der Ventilüberlappung verwenden, eine extrem schlechte
Kennlinie im Mittelbereich oder unter niedrigen Drehzahlen. Dies
drückt sich in der Drehmomentkurve der Maschine aus, in der,
obwohl eine maximale Leistungsabgabe erhalten wird, die
Drehmomentabgabe der Maschine im Mittelbereich und unter
niedriger Geschwindigkeit erheblich schlechter ist als eine
mehr konventionelle Maschine, die eine geringe
Ventilüberlappung oder eine Überlappung in den Öffnungszeiten
aufweist.
-
Die JP-A-62 7924 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit
innerer Verbrennung, die eine Brennkammer, einen Abgasauslaß
zur Abgabe der Verbrennungsgase aus der Brennkammer, ein
Auspuffrohr, das sich an den Abgasausgang anschließend
erstreckt, um die Auspuffabgase daraus abzuführen, und eine
Expansionskammer, in die das Abgasrohr führt, aufweist. Ein
Abschirmteil, das durch ein Retätigungsglied verstellt wird,
ist an einem Endbereich vorgesehen, an dem sich das
Abgasrohr in die Expansionskammer öffnet. Das Abschirmteil wird
geöffnet, wenn die Maschine mit hoher Drehzahl läuft, und es
wird in einem mittleren Drehzahlbereich
(Geschwindigkeitsbereich) teilweise geschlossen.
-
Die US-A-2,717,583 beschreibt Einrichtungen zur Einstellung
des Strömungsbereichs eines Abgasdurchgangs einer
Verbrennungsmaschine
mit innerer Verbrennung mit den entsprechenden
Betriebsbedingungen für die Maschine. Es wird ein
Drosselventil in Form eines Flügelventils oder eines Verschlusses
angegeben, das eine einstellbare Mündung aufweist.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung anzugeben, die
eine Vielzahl von Brennkammern aufweist, bei der die
Leistungsabgabe unter sämtlichen Laufbedingungen verbessert
werden kann, was bedeutet, sowohl bei hocher Drehzahl
(Geschwindigkeit) , im mittleren Drehzahlbereich
(Geschwindigkeitsbereich) und bei geringer Drehzahl (Geschwindigkeit).
Zusammenfassung der Erfindung
-
Die Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit innerer
Verbrennung gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines Motorrads, teilweise
angedeutet, das eine Brennkraftmaschine mit innerer
Verbrennung aufweist, die gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
-
Figur 2 zeigt eine vergrößerte Draufsicht, die das
Abgassystem der Maschine darstellt.
-
Figur 3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang
der Schnittlinie 3-3 der Figur 2.
-
Figur 4 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der
Schnittlinie 4-4 in Figur 3.
-
Figur 5 zeigt ein Kennlinienpaar, das den Druck an dem
Abgasauslaß einer Maschine vom herkömmlichen Typ und
einer Maschine, die entsprechend einer
Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist, unter
Laufbedingungen darstellen.
-
Figur 6 zeigt eine Drehmomentkurve, die eine herkömmliche
Maschine und eine Maschine, die gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist,
darstellt.
-
Figur 7 zeigt eine graphische Darstellung, die erläutert,
wie positive Drücke an dem Abgasauslaß im
Zusammenhang mit herkömmlichen Maschinen auftreten.
-
Figur 8 zeigt eine graphische Darstellung, die erläutert,
wie das Reflektionsvertil einer Ausführungsform der
Erfindung betrieben werden kann, um die Erfindung
auszuführen.
-
Figur 9 zeigt eine Darstellung, die teilweise der
Darstellung nach Figur 8 ähnlich ist, die eine andere
Anordnung darstellt, unter der das Reflektionsventil
betrieben werden kann.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
-
Wie die Figuren, und insbesondere die Figuren 1 und 2, im
Detail zeigen, ist ein Motorrad, das durch eine
Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung angetrieben wird, gemäß
einer Ausführungsform der Erfindung teilweise angedeutet und
mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet. Das Motorrad 11 weist
eine Brennkraftmaschine 12 auf, die in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel als 4-Zylinder in Reihenanordnung
gezeigt
ist. Die Maschine 12, wie sie gezeigt ist, ist vom
Viertakt-Typ, allerdings ist anzumerken, daß die Erfindung
auch in Verbindung mit Maschinen angewandt werden kann, die
vom Zweitakt-Typ sind, und ebenso bei Maschinen, die eine
hierzu unterschiedliche Anzahl von Zylindern und
unterschiedliche Zylinderanordnungen aufweisen. Auch kann die
Erfindung in anderen Maschinen, als die, die ihre Bewegung
umkehren, angewandt werden. Allerdings bringt die Erfindung
einen Nutzen bei Maschinen von dem Typ mit sich, bei dem
eine wesentliche Überlappung zwischen dem Schließzeitpunkt
des Auslaßventils und dem Öffnen des Einlaßventils vorliegt,
oder im Fall eines Zweitakt-Motors zwischen dem Schließen
des Auslaßkanals und dem Öffnen des Einlaßkanals. Ebenso
kann die Erfindung in Ein-Zylinder-Maschinen verwirklicht
werden, sie bringt allerdings insbesondere einen Vorteil bei
Mehrzylinder-Maschinen mit sich.
-
Da sich die Erfindung mit dem Abgassystem für die Maschine
(Motor) befaßt, sind die Einzelheiten der Maschine nicht
dargestellt. Es ist allerdings anzumerken, daß die Maschine
einen Ansaugeinlaß und einen Abgasauslaß besitzt, die
entweder durch die Ventile, die Kolbenbewegung oder ähnliches
gesteuert werden können, was davon abhängt, ob die Maschine
vom Zwei- oder Viertakt-Typ ist und daß hierbei eine
wesentliche Überlappung zwischen dem Öffnen des Einlaßventils und
dem Schließen des Auslaßventils, wie dies nachfolgend noch
beschrieben wird, vorliegt.
-
Die Maschine (Motor) 12 ist mit einem Abgassystem, das
allgemein mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnet ist und das gemäß
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut
ist, ausgestattet. Das Abgassystem 13 weist eine Vielzahl
von einzelnen Abgasrohren 14 auf, die, mit 15 bezeichnet, an
ihrem einlaßseitigen Ende zum Zusammenwirken an dem
Zylinderkopf der Maschine 12 angeflanscht sind, um so die
Abgasrohre 14 mit ihren Einlaßenden mit den Abgasauslässen der
Maschine 12 strömungsmäßig zu verbinden. An ihren
auslaßseitigen Enden führen die Abgasrohre 14 in eine
Expansionskammer 16 über eine Ventilanordnung, die allgemein mit dem
Bezugszeichen 17 bezeichnet und gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung aufgebaut ist. Die Abgase werden von der
Expansionskammer 16 in die Atmosphäre über ein Paar von
kombinierten Schalldämpfern und Abschlußrohren 18 geführt, die
an gegenüberliegenden Seiten des Hinterrades des Motorrades
liegen.
-
Mit Ausnahme des Ventilmechanismus 17 und der Art und Weise,
wie dieser betrieben wird, wird die Maschine 12 und ihr
Abgassystem 13 unter der Annahme beschrieben, daß sie
herkömmlicher Art sind. Die Maschine 12 ist für einen Typ mit einer
hohen Ausgangsleistung ausgelegt und besitzt eine
wesentliche Überlappung in ihren Ventilsteuerzeiten. Demzufolge
wird die Maschine 12 mit ihrem Abgassystem 13 und ohne
Berücksichtigung der Arbeitsweise des Ventilmechanismus 17
eine Drehmomentkurve abgegeben, wie sie in der Figur 6
gezeigt ist. Die Drehmomentkurve einer herkömmlichen Maschine
dieses Typs ist durch die Kurve c dargestellt. Wie zu sehen
ist, ist die Drehmomentkurve bei höheren
Leistungsbedingungen A extrem gut und liefert eine höhere Leistung.
Allerdings fällt bei den mittleren Bereichen (C) die
Drehmomentkurve ziemlich schlecht ab, und hier sind gerade die
normalen Reisegeschwindigkeiten der Maschine. Auch ist das
Drehmoment unter Leerlaufbedingungen und unter geringer
Geschwindigkeit (B) nicht gut und hieraus ergeben sich
schlechte Laufeigenschaften.
-
Die Gründe hierfür werden am besten unter Bezugnahme auf die
Figur 5 verstanden, in der der Druck an dem Abgasauslaß in
Verbindung mit einer herkömmlichen Maschine durch die
Kurve c dargestellt ist. Hierbei handelt es sich um eine
Druckkurve des momentanen Drucks an dem Abgasausgang während
eines Betriebszyklus unter einer Laufbedingung, die in dem
mittleren Bereich liegt, und insbesondere an einem Punkt,
der in Figur 6 als Punkt X gekennzeichnet ist. Wie zu sehen
ist, liegen höhere Druckbedingungen vor, wenn sich der
Abgasauslaß anfänglich öffnet, und dann fällt dieser Druck ab,
wenn die Auspuffabgase in die Außenumgebung abgegeben
werden. Allerdings wird zu dem Zeitpunkt, wenn sich das
Einlaßventil öffnet und der Abgasausgang noch geöffnet ist, wie
dies durch den sich überlappenden Bereich L angedeutet ist,
der Druck an dem Abgasausgang in Verbindung mit dem
herkömmlichen Typ des Motors wieder positiv. Hierdurch werden die
Auspuffabgase dazu tendieren, zurück in die Brennkammer zu
strömen, und zwar mehr als das die Kammer mit frischem
Ansaug-Kraftstoff/Luft-Gemisch über den Ansaugeinlaß zu
füllen. Hierdurch wird eine Verdünnung der Ansaugmenge
vorliegen und die volumenmäßige Effektivität fällt ab. Dies ist
der Grund für die schlechte Drehmomentkurve im mittleren
Leistungsbereich und unter niedriger Drehzahl, wie dies in
Figur 6 gezeigt ist.
-
Es ist anzumerken, daß diese Bedingungen nur in den
niedrigen Geschwindigkeitsbereichen bestehen, und der Grund
hierfür wird unter Bezugnahme auf die Figur 7 verständlich.
In dieser Figur ist der Druck in Abhängigkeit der
Ventilzeitsteuerung sowohl unter hoher Drehzahl (Geschwindigkeit)
als auch unter den niedrigen, mittleren Bedingungen gezeigt.
Es ist zu sehen, daß unter hoher Geschwindigkeit die
Druckwelle so ist, daß während der überlappungsperiode ein
negativer Druck vorliegt, der sowohl die Entleerung der
Auspuffabgase aus der Brennkammer als auch das Ansaugen einer
frischen Luftmenge verbessert. Allerdings liegt bei den
niedrigen und mittleren Bereichen die entgegengesetzte
Bedingung vor und es besteht ein positiver Druck während der
Überlappungsperiode, der die schädlichen Effekte, wie
vorstehend aufgeführt, mit sich bringt.
-
Gemäß der Erfindung wird der Ventilmechanismus 17
eingesetzt,
um das Auftreten solcher positiven Drücke an dem
Abgasausgang während der Überlappungsperiode und unter
vorgegebenen Laufbedingungen zu verhindern.
-
Wie insbesondere die Figuren 2 bis 4 zeigen, weist die
Ventilanordnung 17 ein Ventilgehäuse 19 auf, das eine Vielzahl
von Durchgängen 21 besitzt die mit den Auslässen 14 des
Abgasrohres zusammenwirken, um Auspuffabgase zu einem
Sammelabschnitt 20 zuzuführen, der in die Expansionskammer 16
führt. In jedem der Durchgänge 21 ist ein Steuerventil 22
vorgesehen, das unter bestimmten Betriebsbedingungen als
Reflektionseinrichtung, wie noch beschrieben wird, dient, um
den Druck an den Abgasauslässen der Maschine zu steuern.
-
Die Steuerventile 22 sind sämtlich mit einer gemeinsamen
Steuerventilwelle 23 verbunden, die schwenkbar in einer
geeigneten Art und Weise in dem Ventilgehäuse 19 gelagert ist.
-
An einem Ende der Welle 23 ist eine Steuer-Riemenscheibe 24
vorgesehen, um die ein flexibles Übertragungselement 25
geführt ist. Das Übertragungselement 25 wird wechselweise über
einen Steuermotor 26 betrieben, bei dem es sich um einen
bekannten Motortyp, wie beispielsweise einen Vakuum- Motor,
einen elektrischen Motor, eine elektrische Spule oder
ähnliche handeln kann. Der Steuermotor 26 wird wechselweise
über die Einrichtung einer logischen Vorrichtung 27
betrieben, die die Stellung der Ventile 22 in Abhängigkeit von
vorgegebenen Betriebsbedingungen steuert. Diese vorgegebenen
Bedingungen können entweder die Maschinendrehzahl, die
Ventilstellung der Vergaserdrosselklappe, der Ladedruck (in dem
Fall, daß die Maschine aufgeladen ist) , die
Maschinenbelastung , oder irgendeine andere Einrichtung, die das
erforderliche Steuersignal in Abhängigkeit der Laufbedingung
liefert, sein.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die
Querschnittsfläche des Reflektions-Steuerventils 22 derart,
daß dann, wenn sie vollständig geschlossen ist, wie dies
durch die durchgezogenen Linien in der Figur 3 gezeigt ist,
ungefähr die Hälfte der wirksamen Querschnittsfläche der
Abgasrohre 14 verschlossen ist. Bei verschiedenen
Ausführungsformen wurde herausgefunden, daß dieses Verhältnis
eine gute Gesamtbetriebsbedingung mit sich bringt obwohl
andere Zusammenhänge in Verbindung mit anderen Maschinen
herangezogen werden können. Obwohl gerade in der
dargestellten Ausführungsform Ventile 22 vom Schmetterlingstyp
verwendet wurden, können andere Ventile oder
Reflektionseinrichtungen verwendet werden.
-
Es wurde vorstehend ausgeführt und es wird aus der Figur 6
ersichtlich, daß die Drehmomentkurve c eine gewisse
Steuerung während der Bereiche B und C erfordert, um die
Eigenschaften zu verbessern. In der einfachsten Ausführungsform
ist es möglich, die Steuerventile 22 gemäß einer Kurve, wie
sie in Figur 8 gezeigt ist, zu schließen. In diesem Fall
werden die Ventile 22 vollständig geschlossen gehalten, bis
die Maschinendrehzahl (-geschwindigkeit) eine vorgegebene
Geschwindigkeit erreicht, wie sie an dem Punkt X vorliegt,
und dann werden die Ventile schrittweise geöffnet, bis sie
ihre vollständig geöffnete Stellung an dem ungefähr oberen
Ende des mittleren Bereichs der Kurve erreicht ist.
-
Die Kurve a in Figur 6 zeigt den Effekt durch das Schließen
der Ventile 22. Die Kurve a wird durch das Belassen der
Ventile 22 in ihrer vollständig geschlossenen Stellung über die
gesamte Maschinendrehzahlen und Belastungsbereiche erzielt.
Es ist zu sehen, daß eine deutliche Verbesserung im
Drehmoment während der Bereiche B und C vorliegt und daß das
Drehmoment dann von der maximalen Drehmomentkurve während
dem Hochgeschwindigkeitsbereich A abfällt. Demzufolge ergibt
sich, falls die Ventile 22 in der vollständig geschlossenen
Stellung gehalten werden, bis der Übergang zwischen dem
Punkt C und E erreicht wird, eine Drehmomentkurve, bei der
es sich um die Drehmomentkurve a hinauf bis zu diesem Punkt
handelt, und dann geht die Drehmomentkurve zu der Kurve c
über. Daraus sollte unmittelbar ersichtlich werden1 daß
diese Vorrichtung für die deutliche Verbesserung des
Drehmoments im mittleren Betriebsbereich wirksam ist.
-
Dieser Effekt ist auch aus der Druckkurve nach der Figur 5
ersichtlich, in der die Kurve a den Druck an dem Abgasauslaß
unter der Bedingung am Punkt X der Geschwindigkeitskurve und
mit den Ventilen 22 in ihrer vollständig geschlossenen
Stellung (eine Hälfte des Bereichs der Abgasrohre 14 ist
geschlossen) darstellt. Durch Vergleich der Kurven a und c ist
ersichtlich, daß während der Überlappungsperiode L keine
positiven Drücke an dem Abgasauslaß vorliegen, und dies
folgt daraus, daß die Drehmomentkurve wesentlich verbessert
wird.
-
Dies ist auch aus der Figur 7 ersichtlich, wo die Kurve E
die Wirkung des Ventils und die Tatsache zeigt, daß das
Auftreten des positiven Drucks an dem Abgasauslaß während der
Überlappungsperiode verringert wird.
-
Es ist ersichtlich, daß die Drehmomentkurve c der
herkömmlichen Maschine bessere Eigenschaften unter gewissen
Geschwindigkeiten zwischen der Leerlaufgeschwindigkeit und der
halben Maschinendrehzahl (-geschwindigkeit) aufweist und
demzufolge können die Eigenschaften noch weiter durch
Steuerung der Ventile 22 verbessert werden, so daß sie
vollständig unter dieser Bedingung geöffnet sind und daß sie
dann wieder, wie in Figur 9 gezeigt ist, geschlossen werden.
Natürlich muß die momentane Einstellung der Betriebsweise
und der Schließstellung der Ventile 22 letztlich durch den
Fachmann bestimmt werden, um für eine bestimmte Maschine den
maximalen Wirkungsgrad zu erhalten.