DE4414849A1 - Fluidregelsystem für Kolbenmaschinen, insbesondere Verbrennungsmotoren nach dem Otto-Prozeß - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fluidregelsystem für Kolbenmaschinen, insbesondere Verbrennungsmotoren nach dem Otto- Prozeß.

Verbrennungsmotoren nach dem Otto-Prozeß, insbesondere mit geregeltem Katalysator benötigen ein fest vorgegebenes Luftverhältnis von ca. λ= 1. Bei gegebener Motordrehzahl geht daher eine Verminderung der Leistung und der Kraftstoffzufuhr mit einer Verminderung der Frischgaszufuhr einher, was die zu verdichtende Gasmenge und den Wirkungsgrad des Prozesses vermindert.

Bisher wird mit Hilfe einer über das Gaspedal gesteuerten Drossel im Saugkanal die Luftzufuhr geregelt. Dabei ist während des gesamten Saughubes im Teillastbereich ein gleichbleibender Unterdruck im Zylinder gegeben, wodurch eine vermeidbare Verlustleistung entsteht (auf einer Kolbenseite herrscht während des gesamten Saughubes Unterdruck, auf der anderen Seite Atmosphärendruck = Ansaug- und Drosselverlust).

In der deutschen Patentschrift 34 01 362 ist ein Verfahren beschrieben mit Hilfe von verstellbaren Ein- und Auslaßventilen von Otto-Motoren die Öffnungs- und Schließzeitpunkte und die Öffnungsdauer der Ventile optimal an den jeweiligen Betriebspunkt anzupassen, wodurch die Drosselverluste vermieden und im mittleren Teillastbereich die Schadstoffe im Abgas, speziell die Stickoxide durch Minderung der Spitzentemperaturen, mit Hilfe gezielter Abgasrückführung vermindert werden können. Im unteren Teillastbereich wird die bei heutigen Motoren durch den Saugrohrunterdruck zurückgesaugte, viel zu große Abgasmenge begrenzt, wodurch die Verbrennung beschleunigt und der Wirkungsgrad verbessert wird.

Die Ventilregelung erfolgt mit Hilfe nicht näher spezifizierter Einrichtungen (Hydraulik oder Elektrik) für jedes einzelne Ventil. Die bei heutigen Motoren verwendete Ventilsteuerung mit Hilfe von Nockenwellen ist sicherlich von den Herstellkosten her wesentlich einfacher und vor allem weniger störanfällig.

Daher zielen viele Lösungen (Patentklasse F 01 L 1/34) auf die Phasenverschiebung der Ventilöffnungen durch Verdrehung der Nockenwelle ab.

In verschiedenen Anmeldungen (z. B. 41 04 872 C1; 41 22 630 C1; 42 30 074 A1) werden die Phasen zweier Einlaß- oder Auslaßventile eines Zylinders gegeneinander verschoben und so die Öffnungsdauer eines Ventils verlängert. Eine Verkürzung der Öffnungsdauer ist aber mit Hilfe diese Maßnahme nicht möglich.

Aber selbst eine Phasenverschiebung der Öffnungszeitpunkte oder Öffnungsdauer eines Ventils scheint technisch so problematisch, daß in verschiedenen Anmeldungen noch immer eine Hilfsdrossel im Saugrohr vorgesehen wird.

Daher will hier die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie gekennzeichnet ist, ermöglicht mit Hilfe von einfachen Drehventilen und von herkömmlichen, nockenwellengesteuerten Sitzventilen, wobei weder die Drehventile noch die Nockenwellen in ihrer jeweiligen Relativstellung zur Kurbelwelle verstellt werden müssen, sondern nur durch Schieber im Gehäuse die Öffnungsdauer der Drehventile (Walzen- oder Flachschieber) verändert wird, eine optimale Frischgaszufuhr und Rückführung des Abgases entsprechend der Patentschrift 34 01 362 C2.

Dies wird dadurch erreicht, daß das von der Saugseite zugeführte Fluid mindestens durch zwei verschiedene Ventile zugeführt werden kann, von denen mindestens eines ein Drehventil ist, welches mit Hilfe eines Schiebers im Gehäuse so geregelt werden kann, daß seine Öffnungsdauer verändert wird.

Bei Verbrennungsmotoren sind die beiden Einlaßventile hintereinandergeschaltet, wobei ein herkömmliches Sitzventil den Zylinder verschließt und ein Drehschieber, dessen Öffnungsdauer mit einem Schieber verändert werden kann, im Saugkanal vor dem Sitzventil angeordnet ist.

In der deutschen Patentanmeldung DE 26 39 536 ist zwar ein Motor mit einem Ventil pro Zylinder gezeigt, das während Ausschub- und Ansaugphase offen bleibt und bei dem die Abgasabfuhr und Frischgaszufuhr über Drehschieber geregelt wird. Bei dieser Ventilanordnung ist aber keine Verstellung der Drehschieber in Abhängigkeit vom Motorbetriebspunkt vorgesehen. Daher kann mit einem derartigen System die Frischgaszufuhr nicht optimiert werden.

Anhand der Fig. 1-8 soll die erfindungsgemäße Regelung der Frischgaszufuhr erläutert werden.

Fig. 1 zeigt einen Zylinder 1 eines Verbrennungsmotors, in dem der Kolben 2 bewegt wird. Von der Einlaßnockenwelle 4 wird das Einlaßventil 5 gesteuert, von der Auslaßnockenwelle 6 das Auslaßventil 7. Im Saugkanal vor dem Einlaßventil 5 ist ein Drehschieber, ein Hohlrohr 8, welches mit Nockenwellendrehzahl dreht, und einer Öffnung 9 darinnen, die bei Öffnung des Einlaßventils den Durchfluß vom Hohlrohr zum Einlaßventil freigibt. Durch das Hohlrohr wird das Frischgas ungedrosselt mit etwa Atmosphärendruck zugeführt. Um das Hohlrohr 8 liegt ein verdrehbarer Schieber 11, durch dessen Stellung die Dauer der Öffnung von Hohlrohrinnerem zum Steuerraum 10 festgelegt wird.

Zwischen Drehschieber und Einlaßventil liegt der Steuerraum 10, dessen Volumen eine bestimmte Relation zum Zylindervolumen haben soll.

Fig. 2 zeigt das Frischgaszuführungssystem der Fig. 1 während dem Ende der Ausschubphase und der Saugphase. In der obersten Reihe ist Schubbetrieb gezeigt. Der Drehschieber ist geschlossen.

Die mittlere Reihe zeigt Teillastbetrieb. Über eine Kurbelwellendrehung von ca. 80° nach OT bleibt der Drehschieber offen und das Frischgas wird mit ungefähr Außendruck zugeführt. Auf beiden Kolbenseiten herrscht daher der Außendruck. Danach wird der Zylinderinhalt polytrop entspannt und wieder verdichtet, so daß auch hier (nur theoretisch) keine Arbeit verloren geht.

Die untere Reihe zeigt den Motor bei Vollast. Der Schieber ist ganz geöffnet und die Frischgaszufuhr erfolgt während des gesamten Saughubes.

Anhand der mittleren Reihe sollen die Möglichkeiten der geringen Abgaszufuhr im untersten Teillastbereich dargestellt werden. Nach Patentschrift DE 34 01 362 soll ja ab mittlerer Motorbelastung der Abgasgehalt im Zylinder wieder vermindert werden.

Im Steuerraum herrscht durch die polytrope Entspannung nach Schließen des Einlaßventils ein Unterdruck. Öffnet nun das Einlaßventil vor dem Drehschieber, wird Abgas in den Steuerraum zurückgesaugt. Da der Steuerraum aber klein ist im Vergleich zum Zylinder und ja auch noch etwas Frischgas im Steuerraum vorhanden ist, wird dieser mit maximal 80% mit Abgas gefüllt. Wenn das Volumen des Steuerraums 8% des Zylinderhubraums ist, ist bei Leerlauf (Überwindung der Reibverluste vgl. Fig. 8; e = 3) das Abgas im Zylinder ca. 50% (Inhalt Brennraum und 70% des Steuerraums) des Frischgases und bei e = 4.5 sogar nur ca. 30% des Frischgases. Daher wird im unteren Teillastbereich auch bei niedrigen Drehzahlen die Verbrennung schneller ablaufen als bei heutigen Motoren, wo erheblich mehr Abgas in den Saugkanal zurückgesaugt wird und es muß auch im Leerlauf keine Erhöhung der Frischgaszufuhr mit Verlagerung des Zündzeitpunktes nach spät erfolgen. Dies spart vor allem im unteren Teillastbereich und bei Leerlaufbetrieb Treibstoff.

Bei höherer Teillast aber soll aber durchaus Abgas zurückgeführt werden um die Temperaturspitzen zu senken (Verminderung Stickoxide) und den Wirkungsgrad zu verbessern (Vergrößerung Verdichtungsmenge).

Möglichkeiten dazu sind in Fig. 3 und 4 gezeigt.

In Fig. 3 ist zwischen Abgaskanal 12 und Steuerraum 10 des Frischgaskanals 13 ein Verbindungskanal 14, der mit einem ver­ stellbaren Drehventil verschlossen ist. Dies arbeitet analog dem ersten Drehventil 8, 11. Auch hier dreht ein Körper 15 mit Nockenwellendrehzahl der periodisch den Verbindungskanal 14 öffnet und schließt. Mit Hilfe eines zweiten Schiebers wird die Öffnungsdauer des Verbindungskanals 14 festgelegt.

Bei unterer Teillast bleibt der Verbindungskanal geschlossen, ebenso bei Vollast.

Nur bei mittlerer und oberer Teillast wird der Verbindungskanal geöffnet und so eine gezielte Abgasmenge zurückgesaugt.

Im Schleppbetrieb wird der Verbindungskanal 14 so geöffnet, daß beim Ansaugen nur Abgas in den Zylinder gelangt, verdichtet und entspannt und dann wieder ausgeschoben wird. Damit entfallen die Saugverluste und das Bremsmoment des Motors wird verringert.

Fig. 4 zeigt eine andere Lösung. Anstelle des Verbindungskanals zwischen Abgas- und Frischgaskanal ist sind hier verschieden große Pufferräume 19, 20 mit einem Schieber 21 in Abhängigkeit von der Motorbelastung zu öffnen. Bei unterer Teillast sind die Pufferräume zu, bei mittlerer nur der kleinere offen und bei oberer Teillast beide offen.

Fig. 5 zeigt für einen Ottomotor mit Verdichtung 9 die Frischgasverdichtung im Teillastbereich nach der Formel Teillast/Vollast = e* (1-e-.4)/(9*(1-9-.4)).

Fig. 6 zeigt den davon abhängigen Saugdruck im Zylinder während des gesamten Saughubes.

Fig. 7 zeigt dann die entsprechenden Verluste des Motors. Im Leerlauf müssen bei heutigen Motoren die Reibverluste und die Gaswechselverluste überwunden werden.

Bei der erfindungsgemäßen Regelung entfallen die Gaswechselverluste, wobei durch eine beschleunigte Verbrennung eine weitere Verbrauchsverringerung erwartet wird.

Wegen e=1 wird durch Vermeidung der Gaswechselverluste der Verbrauch im unteren Teillastbereich um über 10% verringert.

Fig. 8 zeigt die Möglichkeiten der Regelung der Abgasrückführung mit dem erfindungsgemäßen System. Man erkennt, daß mit diesem einfachen System die in DE 34 01 362 C2 angestrebte Steuerkurve realisiert werden kann.

Analog der Fig. 3 kann auch eine Kolbenpumpe mit verstellbarem Fördervolumen pro Umdrehung realisiert werden.

Wenn man auf das Einlaßventil 5 verzichtet und die beiden Drehventile 8,11 und 15, 16 aufeinander abstimmt, daß während des Saughubes entweder das eine oder das andere offen ist, dann wird während eines Teilhubes wieder Fluid aus dem Druckraum in den Saugraum zurückgelassen, wobei dann die Pumpe wie ein Motor arbeitet.

Das Fluidregelsystem scheint auch besonders für WANKEL-Motoren geeignet. Beim Wankelmotor ist ein großer Nachteil, daß im unteren Teillastbereich zuviel Abgas in den Saugkanal gelangt. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Regelung kann dies hervorragend vermieden werden, da speziell beim Wankel-Motor der Steuerraum klein gehalten werden kann.

Claims (6)

1. Fluidregelsystem für Kolbenmaschinen, insbesondere periodisch arbeitende Verbrennungsmotoren, bei denen die zur Zuführung und Abführung von Fluid in und aus dem Arbeitsraum vorgesehenen Öffnungen des Arbeitsraums periodisch durch ein Ventil (5, 7) oder den Kolben geöffnet und verschlossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuführungskanal vor dem den Arbeitsraum verschließenden Ventil (5) oder der durch den Kolben verschließbaren und zu öffnenden Einlaßöffnung des Fluids in den Arbeitsraum oder im Abführungskanal nach dem den Arbeitsraum verschließenden Ventil (7) oder der durch den Kolben verschließbaren und zu öffnenden Auslaßöffnung ein Drehventil (8, 9, 10, 11; 15, 16; Walzen oder Flachventil) angeordnet ist, dessen Öffnungs- und/oder Schließzeitpunkt und dessen Öffnungsdauer durch Verstellung von Schiebern (11; 16); verändert werden kann, und die Verstellung des Schiebers 11; 16; so erfolgt, daß durch Veränderung der Öffnungsdauer oder des Öffnungs- oder Schließzeitpunktes des Drehventils die Fluidzusammensetzung oder der Druck oder die Temperatur oder die Masse oder die Fluidbewegung im Saug- oder Steuerraum (10), im Arbeitsraum oder im Ausschubraum oder -kanal in einer gewünschten Weise verändert werden.

2. Fluidregelsystem nach Patentanspruch 1 für einen Verbrennungsmotor, bei dem das Drehventil (8, 9, 10, 11); im Saugkanal vor dem Einlaßventil (5) oder der durch den Kolben verschließbaren Einlaßöffnung in den Arbeitsraum angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßventil (5) eine unverstellbare (maximale) Öffnungsphase mit dem frühest notwendigen Öffnungszeitpunkt aller Motorbetriebspunkte hat und dem spätest notwendigen Schließzeitpunkt aller Motorbetriebspunkte aufweist und mit Hilfe des Drehventils (8, 9, 10, 11); die Öffnungs- oder Schließzeitpunkte oder die Öffnungsdauer des Arbeitsraums zum Saugkanal an den jeweiligen Motorbetriebspunkt angepaßt wird.

3. Fluidregelsystem nach Patentanspruch 1, 2 für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß verschieden große Pufferräume (19, 20) zwischen Drehventil und Ein- oder Auslaßöffnung aus dem Arbeitsraum vorhanden sind, die in Abstimmung mit der Einstellung des Drehventils mit einer verstellbaren Vorrichtung (21) geöffnet oder geschlossen werden.

4. Fluidregelsystem nach Patentanspruch 1-3 für einen Verbrennungsmotor, bei dem das Drehventil (8, 9, 10, 11); im Saugkanal vor dem Einlaßventil (5) oder der durch den Kolben verschließbaren Einlaßöffnung in den Arbeitsraum angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen Abgaskanal und Steuerraum (10) ein Verbindungskanal (14) vorhanden ist, der durch ein Ventil (15, 16) verschlossen oder geöffnet werden kann, dessen Öffnungsdauer oder Zeitpunkte veränderbar sind.

5. Fluidregelsystem nach Patentanspruch 1-3 für einen Verbrennungsmotor, bei dem das Drehventil (8, 9, 10, 11); im Saugkanal vor dem Einlaßventil 5 oder der durch den Kolben verschließbaren Einlaßöffnung in den Arbeitsraum angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß es so geregelt wird, daß das Drehventil (8, 9, 10, 11) im Saugkanal durch das Gaspedal und/oder eine zusätzliche Regeleinrichtung in Abhängigkeit vom jeweiligen Motorbetriebspunkt so verstellt wird, daß es bei Vollast früh öffnet und spät schließt und im Teillastbereich die Öffnungsdauer des Drehventils verkürzt wird.

6. Fluidregelsystem für eine Kolbenpumpe, bei der ein Drehventil (15, 16); in der Rückführungsleitung (14) vom Förderkanal zum Saugkanal der Kolbenpumpe und ein Drehventil (8, 9, 10, 11); im Saugkanal der Kolbenpumpe angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß während des Saughubes genau eines der beiden Ventile offen ist.