DE4307707C2 - Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylin­ dern, die je wenigstens ein Einlaßventil und wenigstens ein Aus­ laßventil aufweisen, wobei die Ventile durch die Nocken wenigstens einer Nockenwelle geöffnet und geschlossen werden, mit einem Ansaugrohrsystem zum Versorgen der Zylinder, mit einem Abgas­ rohrsystem zum Abführen der Abgase aus den Zylindern und mit einer Einrichtung zum Eingeben von Brennstoff zum Bilden eines Verbrennungsgemisches für die Zylinder.

Die bekannten Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen haben immer noch einen relativ hohen Verbrauch an Kraftstoff. Des weiteren enthalten die Abgase der Maschinen bzw. Motoren noch einen hohen Anteil an Schadstoffen, die die Umwelt belasten und zu erheblichen Schäden an der Natur führen sowie auch für den Menschen eine nicht unbeträcht­ liche Gefahr für seine Gesundheit darstellen. Um die Schadstoffe in den Abgasen zu verringern, sind sogenannte Katalysatoren bekannt, die in dem Abgasrohrsystem eines Motors eingegliedert sind. Die Herstellung und der Einbau der Katalysatoren bedeuten jedoch einen erheblichen Kosten Mehraufwand bei der Herstellung eines Kraftfahr­ zeuges. Auch und gerade wegen des erheblichen Anteils der Schad­ stoffe in den Abgasen ist man bemüht, den Kraftstoffbedarf weiter zu verringern.

In der DE-25 44 766 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines mit Magergemisch arbeitenden Ottomotors beschrieben, gemäß dem das Einlaßventil des Motorzylinders sehr spät nach dem unteren Totpunkt des Kolbens geschlossen wird, z. B. maximal 90° nach UT. Dadurch wird ein Anteil der Gemischladung wieder aus dem Zylinder in den Einlaßkanal zurückgeschoben und dient dort im Bereich vor dem Einlaßventil des Zylinders zur Gemischanreicherung. Beim nächsten Ansaugtakt wird das so angereicherte Verbrennungsgemisch erneut in den Zylinder eingesaugt und zur Ausführung des Arbeitstaktes gezün­ det. Im Bereich des Schließens des Auslaßventils und des Öffnens des Einlaßventils ist eine Ventilwegüberschneidung gegeben, so daß bei hoher Motordrehzahl eine Einströmung von angesaugtem frischem und unverbranntem Gemisch in das Abgasrohrsystem möglich ist. Auf diese Weise wird zwar die Zündwilligkeit und die Verbrennung des in den Zylinder eingesaugten und komprimierten Gemisches verbes­ sert, so daß der insgesamt mit magerem Gemisch gefahrene Motor einen geringeren Kraftstoffverbrauch hat und die Schadstoffe im Abgas vermindert sind. Jedoch sind die Werte für die Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffe noch nicht zufrieden­ stellend, um Kraftstoffquellen zu schonen und Umweltbeeinträchti­ gungen durch Abgase weiter herabzusetzen.

In der DE-Auslegeschrift 20 37 705 wird zur Verringerung der Schadstoffbildung in den Abgasen von Brennkraftmaschinen eine Doppelnockenausbildung zur Betätigung jedes der Einlaß- und der Auslaßventile der Zylinder vorgeschlagen. Für den Bereich niedriger Drehzahlen oder bei Leichtlastbetrieb des Motors werden das Einlaß- und das Auslaßventil jedes Zylinders so gesteuert, daß eine Ventil­ wegüberschneidung im oberen Totpunkt, d. h. bei Schließung des Auslaßventils und Öffnung des Einlaßventils, vermieden ist. Hierzu erfolgt bei bestimmten Parametern, die den niedrigeren Drehzahlbe­ reich bzw. den Leichtlastbetrieb signalisieren, ein durch axiale Ver­ schiebung der Nockenwelle vorgenommener automatischer Nocken­ wechsel, so daß die betreffenden Ventile dann von dem zweiten Nocken des diesen Ventilen zugeordneten Nockenpaares der Nocken­ welle betätigt werden. Somit wird vermieden, daß bei den genannten Motorbetriebsbedingungen Abgase nicht in den jeweiligen Zylinder zurückgesaugt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Brenn­ kraftmaschine mit mehren Zylindern, die gegenüber bekannten Ma­ schinen einen erheblich reduzierten Brennstoffverbrauch aufweist und bei der die Schadstoffe im Abgas in einem außerordentlich hohen Umfang verringert sind.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in dem Patentanspruch 1 angeführt.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird der Kraftstoffverbrauch im Vergleich zum derzeit üblichen Verbrauch um wenigstens ein Drittel bis die Hälfte reduziert. Dies wird zurückgeführt auf eine erheblich verbesserte Ausnutzung bzw. Verbrennung des Kraftstoffes in den Zylindern aufgrund sehr guter Durchwirbelung des Verbrennungs­ gemisches. Ein erhöhter Anteil des beim Ansaugtakt in den jeweili­ gen Zylinder eingesaugten Verbrennungsgemisches wird wieder aus den betreffenden Zylindern herausgedrückt, da das Einlaßventil der Zylinder noch relativ lange geöffnet ist, weil sich der Kolben dieses Zylinders bereits auf dem Verdichtungsweg befindet, und zwar auf einer erheblichen Wegstrecke. Hierdurch wird ein erheblicher Anteil des Verbrennungsgemisches aus dem Zylinder wieder in das Ansaug­ rohrsystem zurückgedrängt. Dadurch wird nicht nur eine gute Ver­ wirbelung des im Zylinder zurückbleibenden Verbrennungsgemisches erzielt mit der Folge einer verbesserten Verbrennung, sondern es entsteht in dem Ansaugrohrsystem durch das Rückströmen von Kraft­ stoffgemisch auch ein gewisser Überdruck, der dafür sorgt, daß ein anderer Zylinder, der sich gerade im Ansaugtakt befindet, eine bessere und schnellere Füllung - vergleichbar etwa mit dem Turbo­ prinzip - erfährt, wodurch ebenfalls eine gute Verwirbelung des in diesen Zylinder eintretenden Verbrennungsgemisches zumindest unterstützt wird. Durch die somit gute Verwirbelung des im Zylinder verbrennenden Gemisches wird eine bessere Kraftstoffausnutzung desselben erzielt. Da ferner in das Ansaugrohrsystem, wie bereits angedeutet, zu einem gewissen Anteil aus den betreffenden Zylindern durch Rückgabe von Verbrennungsgemisch eine ausreichende Ge­ mischversorgung in diesem Rohrsystem gegeben ist, wird auch aus dem Vergaser weniger Kraftstoff entnommen, wodurch ebenfalls Kraftstoff eingespart wird. Aus letzterem ergibt sich der weitere Vorteil, daß die Öffnung des in das Ansaugrohrsystem einmündenden Speisekanals eines Vergasers beträchtlich kleiner ausgeführt sein kann, beispielsweise um 30 bis 50%. Vermutlich wegen des spar­ samen Verbrauchs von Kraftstoff und wegen dessen sehr stark ver­ besserter Verbrennung wird auch der Schadstoffanteil im Abgas außerordentlich reduziert und kann Werte weit über 50% erreichen.

Ein weiterer kraftstoffsparender Effekt ist dadurch gegeben, daß Benzin, welches sich am Ventilteller und am daran angrenzenden Abschnitt des Ventilschaftes während des Motorbetriebes abgesetzt hat, durch das Zurückströmen von Gemisch aus dem jeweiligen Zylinder wiederum mitgerissen und verflüchtigt wird, so daß es letztlich ebenfalls der Verbrennung in den Zylindern zugeführt wird. Dadurch wird auch einer Verkohlungserscheinung am Ventilteller der Einlaßventile vorgebeugt. Ferner hat sich herausgestellt, daß auch der Ölverbrauch im Motor erheblich verringert ist, so daß die Ölwechselintervalle beträchtlich verlängert werden, beispielsweise auf 30.000 Kilometer ausgedehnt werden können. Schließlich ist die Drehfreudig­ keit des Motors verbessert, weil die Kolben während ihres Verdich­ tungstaktes anfangs gegen einen geringeren Widerstand anarbeiten müssen. Letztlich wird insgesamt auch eine verlängerte Lebensdauer des Motors erzielt.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in den anliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 eine Aufsicht auf eine vereinfacht dargestellte Brenn­ kraftmaschine,

Fig. 2 eine Ansicht auf eine erfindungsgemäße Nockenkon­ struktion, wie sie bei der Maschine nach Fig. 1 ver­ wendet wird.

In Fig. 1 ist in vereinfachter Darstellung eine Brennkraftmaschine 1 mit vier Zylindern 2, 3, 4 und 5, einer teilweise gezeigten Kurbel­ welle 6, einem Ansaugrohrsystem 7 mit einer Vergasereinrichtung 8 und einer Luftfiltereinrichtung 9 sowie mit einem teilweise gezeigten Abgasrohrsystem 10 dargestellt. Im dargestellten Fall handelt es sich um einen Saugmotor, bei dem der Kraftstoff aus dem Vergaser 8 in das Ansaugrohrsystem 7 angesaugt wird, wobei das sich abströmwärts des Vergasers 8 in dem Ansaugrohrsystem bildende Verbrennungs­ gemisch in an sich bekannter Weise von den Zylindern 2 bis 5 wäh­ rend ihres Ansaugtaktes angesaugt wird. Nach dem jeweiligen Ver­ brennungsvorgang werden die entstandenen Abgase während des Ausstoßtaktes der Zylinder in das Abgasrohrsystem 10 eingegeben und über dieses System in bekannter Weise ins Freie abgeführt.

Jedem Zylinder ist wenigstens ein Einlaßventil und wenigstens ein Auslaßventil zugeordnet, wobei die Ventile in an sich bekannter Weise mittels einer von der Kurbelwelle 6 angetriebenen Nockenwelle 11 (Fig. 2) betätigt werden. Der grundsätzliche Aufbau eines Noc­ kens ist bekannt, so daß eine diesbezügliche Beschreibung entbehrlich ist. Es sei jedoch erwähnt, daß Form und Länge der Steuerkurve der Nocken durch den gewünschten Hubweg und die Steuerzeiten der Einlaßventile und der Auslaßventile bestimmt wird. Dabei kann man die Steuerkurve jedes Nockens in einen ersten Teil einteilen, der sich mit dem Öffnen z. B. des betreffenden Einlaßventiles befaßt, und in einen zweiten Teil, der sich an den ersten Teil anschließt und die jeweilige Ventilbewegung bis zum Schließen des Einlaßventils steuert.

Der erfindungsgemäße Vorschlag bezüglich der Steuerkurve des Nockens für die Einlaßventile ist am Beispiel eines einem Tangenten­ nocken ähnlichen Nocken 12 dargestellt, der auf der Nockenwelle 11 befestigt ist oder mit ihr ein Teil bildet.

Die Einlaßventile öffnen gemäß der angegebenen Nockendrehrichtung R an der Stelle VEö und schließen an der Stelle VEs, so daß zwi­ schen diesen beiden Stellen die aktive Steuerkurve SK bestimmt ist, wie es aus Fig. 2 zu entnehmen ist. Zwischen diesen beiden Stellen sind die Einlaßventile offen, um das Ansaugen des Verbrennungs­ gemisches zu erlauben.

Nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag wird der Öffnungswinkel des Nockens 12 und damit dessen Steuerkurve SK vergrößert, wie es in Fig. 2 angegeben ist. Die Steuerkurve umfaßt einen Drehwinkel des Nockens von 125° (90° + 35°), und während der Nocken diesen Drehwinkel durchläuft, ist das Einlaufventil des betreffenden Zylin­ ders geöffnet. Des weiteren ist es wichtig, daß das Auslaßventil und das Einlaßventil jedes Zylinders beim Zykluswechsel gleichzeitig geschlossen sind, so also keine Ventilwegüberschneidung gegeben ist. Vorteilhaft wird so vorgegangen, daß während der Kolbenbewegung im oberen Umkehrpunkt ein Kolbenweg von 10 mm zurückgelegt wird, so daß bei dieser Strecke beide vorgenannten Ventile geschlos­ sen sind. Damit wird bewirkt, daß keinerlei Abgas beim Ausströmen in den Zylinder zurückgesaugt werden und keine Vermischung mit frisch einströmendem Verbrennungsgemisch finden stattfinden kann. Hierbei ist ein vorteilhaftes Merkmal, der genannte Hubweg beginnt, wenn sich der Kolben vom oberen Umkehrpunkt abwärts bewegt.

Durch diese Ausbildung und drehwinkelmäßige Anordnung des Noc­ kens 12 an der Nockenwelle 11 wird sich das Einlaßventil der Zylin­ der des Motors sehr spät schließen, so daß ein Anteil des in die Zylinder eingesaugten Verbrennungsgemisches durch den sich nach oben bewegenden Kolben der Zylinder wieder aus den Zylindern herausgedrückt und wieder in das Ansaugrohrsystem 7 zurückgedrückt wird. Da sich gleichzeitig wenigstens ein weiterer Zylinder des Motors im Ansaugtakt befindet, dessen Einlaßventil bereits geöffnet ist, wird ein verbessertes Ansaugen von Verbren­ nungsgemisch in dem letztgenannten Zylinder bewirkt, weil eine füllende Druckkrafteinwirkung mit sehr gutem Verwirbelungseffekt für diesen Zylinder aus dem in das Ansaugrohrsystem zurückgeström­ ten Verbrennungsgemischanteil zur Verfügung steht. Der erstgenannte Zylinder unterliegt natürlich dem gleichen vorteilhaften Effekt.

Wenn jeder Einlaßnocken die Steuerkurve von 125° zurückgelegt hat, hat der Nocken die Schließstelle VEs erreicht, an welcher das betref­ fende Einlaßventil des sich im Verdichtungstakt befindenden Zylin­ ders nun schließt und die Kompression des Gemisches beginnt. Wenn die Kompression im oberen Umkehrpunkt des Kolbens ihren maxima­ len Wert erreicht hat, wird in üblicher Weise das Gemisch mittels einer Zündkerze gezündet, woran sich dann der Arbeitstakt anschließt. Daran wiederum schließt sich der übliche Ausschiebetakt an, währenddessen das verbrannte Gasgemisch in das Abgasrohrsy­ stem über das sich öffnende Auslaßventil ausgeschoben wird. Dieser Ausschiebetakt beginnt bei einer Nockenwellendrehstellung von 270° für den Nocken des Auslaßventils, der spätestens bei 360°-Nocken­ wellendrehwinkel wieder das Schließen des Auslaßventils bewirkt.

Damit wenigstens die herkömmlichen Kompressionswerte beim ver­ dichteten Verbrennungsgemisch erreicht werden, wird der Verbren­ nungsraum der Zylinder volumenmäßig dementsprechend kleiner dimensioniert. Hierdurch erbringt der neue Motor die gleiche Ar­ beitsleistung wie herkömmliche Motoren. Es ist jedoch auch möglich, den jeweiligen Verbrennungsraum noch kleiner zu dimensionieren, um höhere Kompressionswerte zu erzielen.

Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag, für die Steuerkurve SK des bzw. der Einlaßnocken einen Drehwinkel von 125° vorzusehen, ist die Möglichkeit gegeben, daß der Ventilkörper des jeweiligen Ein­ laßventils für eine längere Zeitdauer bei seinem maximalen oder etwa maximalen Hubweg gehalten werden kann. Die verlängerte Weg­ strecke des Nockens hierfür beträgt beispielsweise 20 Winkelgrade, bezogen auf die Nockenwelle. Hierzu wird die Steuerkurve SK in ihrem zweiten Teil auf einer längeren Strecke radial nach außen vorstehend ausgebildet, wie es strichpunktiert in Fig. 2 angedeutet und mit 13 bezeichnet ist. Diese Ausbildung des Nockens bewirkt ein erleichtertes Einsaugen von Verbrennungsgemisch in die Zylinder, weil über eine längere Strecke der maximale Ventilöffnungsquer­ schnitt zur Verfügung steht. Die Ermittlung der strichpunktierten Kurve 13 erfolgt in an sich bekannter Weise; hierzu braucht nur vorgegeben zu sein, über welche Zeitdauer der maximale Ventilhub gegeben sein soll.

Es hat sich weiter gezeigt, daß bei einer derartigen Ausbildung der Nocken für die Einlaßventile einer Brennkraftmaschine eine reduzier­ te Einführung von Benzin aus einem Vergaser in das Ansaugrohrsy­ stem der Maschine erfolgen kann, da aufgrund der neuen Nockenge­ staltung eine effektivere Verbrennung und Ausnutzung des Verbren­ nungsgemisches erzielt wird. Somit ist es auch möglich, daß die Zuführ- und Einlaßöffnungen des Vergasers erheblich verkleinert werden können, und zwar im Bereich von etwa 30% bis 50%. So kann wenigstens die Austrittsöffnung des in das Ansaugrohrsystem einmündenden Speisekanals des Vergasers dementsprechend verklei­ nert ausgebildet sein. Diese Maßnahme kann jedoch auch für die Eintrittsöffnung des in die Schwimmerkammer des Vergasers ein­ mündenden Benzin-Zuführkanales vorgenommen werden. In diesem Zusammenhang hat sich ferner herausgestellt, daß eine Benzinpumpe nicht mehr erforderlich ist und daher entfallen kann.

Die vorstehenden Ausführungen gelten bei direkter Ventilbetätigung. Wird eine Kipphebel- oder eine andere Hebelkonstruktion für die Betätigung der Einlaßventile verwendet, muß der angegebene Nocken­ drehwinkel von 125° entsprechend dem gewählten Hebelverhältnis verändert werden, wenn das Hebelverhältnis nicht gerade 1 : 1 ist. Die Einlaßzeiten der Einlaßventile bleiben dadurch erhalten. Derartige Ausführungen sollen daher vom Schutz miterfaßt sein.

Claims (5)

1. Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, die je wenigstens ein Einlaßventil und wenigstens ein Auslaßventil aufweisen, wobei die Ventile durch die Nocken wenigstens einer Nockenwelle geöffnet und geschlossen werden, mit einem Ansaugrohrsystem zum Versorgen der Zylinder, mit einem Abgasrohrsystem zum Abführen der Abgase aus den Zylindern und mit einer Einrichtung zum Eingeben von Brennstoff zum Bilden eines Verbrennungsgemisches für die Zylin­ der, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkurve (SK) jedes das zugehörige Einlaßventil der Zylinder betätigenden Nockens (12) der Nockenwelle (11) bei direkter Ventilbetätigung einen Drehwinkel von 125° umfaßt, daß der Endbereich dieser Steuerkurve durchlaufen wird, wenn der Ansaugtakt durch ein geöffnetes Einlaßventil eines anderen Zylinders begonnen hat, um den aus dem gerade gefüllten Zylinder in die Ansaugleitung (7) zurückgeschobenen Gemischanteil in den anderen Zylinder mit einzusaugen, und daß das Ende der Steuerkurve des Auslaßnockens und der Beginn der Steuerkurve des Einlaßnockens jedes Zylinders drehwinkelmäßig so aufeinander abge­ stimmt sind, daß das Auslaßventil und das Einlaßventil desselben Zylinders während eines Hubweges des Kolbens von 10 mm im Bereich des oberen Kolbenumkehrpunktes gleichzeitig geschlossen sind.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den oberen Totpunkt des Kolbens in jedem Zylinder volumenmäßig bestimmte Verbrennungsraum im Zylinderkopf der Maschine (1) im Verhältnis derart kleiner als üblich ausgebildet ist, daß wenigstens der übliche Kompressionswert für das verdichtete Verbrennungsgemisch in den Zylindern (2 bis 5) erzielt wird.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerkurve (SK) der Einlaßnocken (12) für die Einlaßventile einen um beispielsweise 20°, bezogen auf die Nocken­ welle, verlängerten maximalen Ventilhub-Wegabschnitt aufweist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Hubweg des Kolbens von 10 mm während des Geschlossenseins von Auslaßventil und Einlaßventil im oberen Kolbenumkehrpunkt beginnt.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Vergaser als Einrichtung zum Eingeben von Brennstoff in das Ansaugrohrsystem, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung des in die Schwimmerkammer des Vergasers (8) einmündenden Ben­ zin-Zuführkanals und die Austrittsöffnung des in das Ansaugrohrsy­ stem (7) einmündenden Speisekanals des Vergasers (8) um 30% bis 50% kleiner als herkömmlich sind.