DE10118888A1 - Zusatzeinlaßsteuerung durch einen Zusatzeinlaßkanal, Zwischenventil, Auslaßkanal und das Auslaßventil - Google Patents

Abstract

Durch Strömungsverluste und kürzere Zeitintervalle für den Ladungswechsel sinkt das vom Verbrennungsmotor erzeugte Drehmoment und die Leistung ab. DOLLAR A In modernen KFZ werden häufig großvolumige Motoren eingebaut, um eine hohe Leistung zu erzielen, Nachteile sind höhere Verbrauchs- und Emissionsbelastungen. DOLLAR A Bei der Zusatzeinlaßsteuerung wird über einen Zusatzeinlaßkanal und ein Zwischenventil im Auspuffkrümmer ein Teil der Frischladung über das Auslaßventil in den Zylinder geleitet, um den Liefergrad und damit das erzeugte Drehmoment und die Leistung bei höheren Drehzahlen zu steigern. Da ein Teil der Strömungsverluste durch eine größere Ventilöffnungsfläche kompensiert werden kann. Abb. 1. DOLLAR A Diese Technik sollte bei kleinvolumigen Motoren verwendet werden, da diese bedingt durch ihren geringeren Hubraum, eher im Bereich des höchsten Wirkungsgrades betrieben werden und damit verbrauchs- und schadstoffärmer sind. Durch die Zusatzeinlaßsteuerung bei hohen Drehzahlen aber auch genügend Leistung produzieren.

Description

Gebiet

Steuerung des Ladungswechsels bei nicht aufgeladenen Viertakt Otto- und Dieselverbrennungskraftmaschinen.

Stand der Technik

Bei den heute in Verwendung befindlichen Verbrennungskraftmaschinen erfolgt der Ladungswechsel über eine oder zwei, mechanisch angetriebene Nockenwelle(n) die wiederum über Hilfselemente (Tassenstößel, Kipphebel, usw.) die Aus- und Einlaßventile betätigen. Bei neueren Verbrennungsmotoren findet überwiegen die Mehrventiltechnik, mit Phasenverstellung Anwendung, wobei mehrere Ein- und Auslaßventile den Ladungswechsel bewirken.

Hierbei beginnt nach dem Öffnen des/der Einlaßventile(s) die Frischladung über den Einlaßkanal in den Zylinder zu strömen, nach der Verbrennung werden die verbrannten Gas über das/die Auslaßventil(e) und den Auslaßkanal in den Abgaskrümmer und die angeschlossene Abgasanlage ausgestoßen.

Quelle: Westermann KFZ-Technik, 2. Auflage, 1994, Viertakt-Prinzip.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde.

Bei einem Idealprozeß (theoretisch berechenbarer Kreisprozeß) würde eine vollkommene (ideale) Maschine unter folgenden Bedingungen arbeiten. Vollständige Verbrennung des Kraftstoffes.

Keine Wärmeübergänge des Arbeitsgases auf die umgebenden Motorbauteile.

Keine Strömungsverluste beim Ladungswechsel.

Keine Gasverluste durch Undichtigkeiten.

Reine Ladung (keine Restgase).

Keine Reibverluste.

Da ausgeführte Motoren keine dieser oben genannten Kriterien zur genüge erfüllen, ist deren Leistungsvermögen nicht beliebig zu steigern.

Um der heutigen Ansprüchen, der Verbraucher, nach immer höherer Leistung gerecht zu werden, werden immer mehr großvolumige Motoren gebaut um genügend Leistung zur Verfügung zu stellen.

Da aber ca. 80% des Motorbetriebs im gedrosselten Zustand erfolgt, ergeben sich daraus einige Nachteile die wiederum zu einer höheren Schadstoffemission und höherem Kraftstoffverbrauch führen. Was sich letztlich in einer höheren Umweltbelastung niederschlägt.

Bedingt durch ihr höheres Hubvolumen werden diese Motoren, besonders im Stadtverkehr, eher im relativ ungünstigen unteren Teillastbetrieb gefahren. In diesem Betriebszustand ergeben sich eine Reihe von Nachteilen, die bei hubraumstärkeren Motoren im Vergleich zu kleineren Aggregaten stärker ausgeprägt sind.

Zum einen ist die Negativarbeit (p-V-Diagramm) bei Motoren mit größeren Hubvolumen höher, durch die Konstruktion bedingt ergibt sich eine höhere Reibung und durch die relativ geringe Zylindertemperatur verdampft der Kraftstoff nur unvollständig, was zu einem höheren Verbrauch und Emissionsbelastung beiträgt.

Des weiteren erfolgt, bedingt durch die geringe Strömungsgeschwindigkeit; eine nur unzureichende Spülung von Vc (Verbrennungsraum), wodurch Restgase in der Frischladung verbleiben.

Ebenso erlischt die Flamme im relativ kalten wandnahem Bereich eher, da durch die geometrischen Abmessungen der Verbrennungsraum weniger kompakt ist. Folge: geringerer Verbrennungsdruck, höherer Verbrauch und höhere Emissionsbelastung.

Fazit

Motoren mit relativ großen Hubräumen arbeiten im unteren Teillastbetrieb mit einem schlechteren Wirkungsgrad, da sie, bedingt durch die geringe Leistung die sie erzeugen müssen, nicht im Bereich des Maximaldrehmoments betrieben werden. Da beim Maximaldrehmoment eines Motors auch der höchste Wirkungsgrad erreicht wird, ist umgekehrt proportional be (spezifischer Kraftstoff­ verbrauch) in diesem Punkt am geringsten.

Als Folge daraus, müßten überwiegend kleinvolumige Motoren zum Einsatz gelangen, da sie, obwohl ihr Drehzahlniveau etwas höher läge, näher um den Bereich von be-best betrieben würden und somit zur Verbrauchsminderung und Reduzierung von Abgasen beitragen würden.

Als hauptsächlichen Nachteil kleinvolumiger Motoren ist, bei dieser Betrachtung, deren geringere Leistung bei hohen Drehzahlen/Vollast zu sehen. Bedingt durch die immer größer werdenden Strömungswiderstände und kürzeren Zeitintervalle für das Ansaugen der Frischladung, nimmt der Liefergrad immer weiter ab. (be-best = geringster spezifischer Kraftstoffverbrauch in einem definierten Lastpunkt).

Patentanspruch/Erfinderschutz

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, den mangelnden Liefergrad bei Vollast teilweise dadurch zu kompensieren, daß man das/die Auslaßventille während des Ansaugtaktes, teilweise oder ganz, mit öffnet und somit eine größere Ventilöffnungsfläche erhält. Gleichzeitig verschließt ein Zwischenventil, das in den Abgaskrümmer integriert ist, den Abgaskanal und verhindert ein zurück strömen der Abgase in den Zylinder. Über einen Zusatzeinlaßkanal der in das Zwischenventil mündet gelangt die zusätzliche Frischladung dann über den Auslaßkanal und das/die Auslaßventile in den Zylinder. Dadurch soll der Liefergrad erhöht und die Leistung gesteigert werden.

Die Ansteuerung des Zwischenventils kann über die Einbindung in das Motorsteuergerät erfolgen. Um das/die Auslaßventille während des Ansaug­ taktes teilweise oder ganz geöffnet zu halten, muß die Exentergeometrie der Auslaßnockenwelle den Erfordernissen angepaßt werden (siehe Abb. 1. u. 2).

Gewerbliche Anwendbarkeit

Grundsätzlich sehe ich die Möglichkeit dieses Verfahren bei alle nicht aufgeladenen Luft- oder Flüssigkeitsgekühlten Viertakt Otto- und Dieselmotoren anzuwenden. Des weiteren ist die Anwendbarkeit nicht an Zylinderzahl, Anordnung der Zylinder (Reihen/V-Motoren usw.) sowie an die Lage oder Anzahl der Nockenwellen (OHC/HC/DOHC usw.) gebunden. Bei der Gemischaufbereitung sollte bei Ottomotoren die Direkteinspritzung oder, um Kondensationsverluste möglichst zu vermeiden, eine sequentielle Einspritzung vor die Ventile gewählt werden. Hierbei ist zu Prüfen, ob eine Einspritzung vor die Auslaßventile sinnvoll ist.

Bei Dieselmotoren ist die innere Gemischbildung gegeben, so das sich hier eine Realisierung einfacher gestalten würde.

Bei aufgeladenen Motoren ist dieses Verfahren wenig sinnvoll da ihr Liefergrad über 1 liegt.

Vorteilhafte Wirkung

Durch die zusätzliche Erhöhung des Liefergrades im Vollastbereich sehe ich den Hauptvorteil darin, aus einem kleineren Hubvolumen eine höhere Spitzenleistung zu erzielen. Dabei könnte man ausgeführte Motoren mit relativ geringem konstruktiven und finanziellem Aufwand modifiziert.

So das man auf bestehende bereits vorhandene Technik zurück greifen kann (geringere Kosten). Bei kleineren Motoren ergibt sich ein günstigeres Leistungsgewicht ebenso ein geringerer Bauraum des Motors, dies gibt größere Gestaltungsmöglichkeiten bei der Ausführung des Gesamtfahrzeugs (Karosseriegestaltung, Achs­ lastverteilung, Gesamtschwerpunktlage, Luftwiderstandsbeiwert). Durch das geringere Hubvolumen wird der Kraftstoffverbrauch reduziert, gleichzeitig erfolgt eine Verringerung der Abgasemissionen sowie des CO₂- Ausstoßes.

Dies führt zu einer höheren Wirtschaftlichkeit des Fahrzeugs und einer Verringerung der Umweltbelastung.

Einen weiteren Vorteil sehe ich in der Verringerung des Gesamtgewicht des Fahrzeugs. Was wiederum den Kraftstoffverbrauch reduziert oder bei gleichem Verbrauch den zusätzlichen Einbau von Sicherheits- oder Komfortsystemen ermöglicht.

Es ist auch möglich, großvolumige Motoren mit dieser Technik zu versehen, was bei diesem, aufgrund des größeren Hubraums, zu einer höheren Leistungs­ steigerung führen würde. Allerdings ist hier ein höherer Kraftstoffverbrauch zu erwarten.

Kein Restgas im Vc (Verbrennungsraum) durch vollständige Spülung.

Bedingt durch das Zeitversetzte öffnen des Zwischenventils, während des Ansaugtaktes, nach Ende der Ventilüberschneidung (siehe Abb. 2.) ist mit einer höheren Beschleunigung der Frischladungsmasse im Zusatzeinlaßkanal zu rechnen. Was zum einen, zu einer besseren Gemischaufbereitung innerhalb des Zylinders führt. Folge: geringerer Kraftstoffverbrauch und weniger Schadstoffbelastung. Zum anderen, gegen Ende des Einlaßvorgangs zu einem Nachladeeffekt führt, der einen höheren Liefergrad zur folge hat.
Ergebnis: weitere Leistungszunahme.

Ausführungsbeispiel

Die Zusatzeinlaßsteuerung beruht auf der Überlegung das/die Auslaßventile für das Ansaugen der Frischladung mit zu nutzen.

Aufbau

Bei dieser Betrachtung gehe ich von einem 4-Ventil DOHC 1 Zylinder Viertakt- Ottomotor mit sequentieller Einspritzung vor die Einlaßventile aus, jedoch ist es möglich diese Betrachtung auf beliebige Mehrzylindermotoren zu übertragen.

Ausgehend vom Luftsammler Abb. 1 Nr. 4 verläuft ein Zusatzansaugkanal Abb. 1 Nr. 1 der in den Auspuffkrümmer direkt am Zylinderkopf mündet. Dieser ist mit einem Zwischenventil Abb. 1 Nr. 2 versehen. Dieses Ventil ermöglicht ein öffnen oder verschließen des Zusatzeinlaßkanals gegenüber dem Auspuffkrümmer.

Wobei bei geöffnetem Zwischenventil der Auspuffkanal verschlossen ist und bei gleichzeitig geöffnetem Auslaßventil Abb. 1 Nr. 3 eine Verbindung zum Ver­ brennungsraum besteht.

Bei geschlossenem Zwischenventil ist die Funktion eines normalen Auspuffkrümmers gegeben.

Die Kontur des Auslaßnockenwellenexenters muß so verändert werden, daß die Auslaßventile, während des Ansaugvorgangs, (Einlaßventile ganz geöffnet) teilweise oder ganz geöffnet werden. Dies ist vom Ventilwinkel und vom Ventildurchmesser abhängig, es muß gewährleistet sein, daß eine Berührung der Aus- und Einlaßventile während des Betriebs unterbleibt. Des weiteren muß ein Kontakt mit dem Kolbenboden verhindert werden (ggf. Ventiltaschen). Die Ansteuerung des Zwischenventils kann über eine Einbindung dieser Funktion in das Motorsteuergerät erfolgen.

Das Ventil selbst, kann elektromechanisch oder elektropneumatisch betätigt werden.

Bauteile bzw. konstruktive Veränderungen

Anpassung des Luftmasse-Messers und des Einspritzventils an die höhere Luftmasse.

Applikation des Motorsteuergeräts an die veränderten Parameter. Veränderung des Luftsammlers. Einbau eines Zusatzansaugkanals.

Einbau des Zwischenventils, ggf. sollte dieses Ventil luft- oder ölgekühlt werden, um eine übermäßige Aufheizung der Frischladung zu vermeiden.

Modifikation des Auslaßnockenexenters, je nach Ventilwinkel oder Ventiltellergröße.

Abhängig vom Ventilwinkel und der Ventiltellergröße ist der Ventilhub der Aus­ laßventile, über die Kontur des Auslaßexenters zu bestimmen.

Dabei ist es anzustreben ein möglichst große Ventilöffnungsfläche zu erhalten, ggf. ist durch konstruktive Änderungen der Ventilwinkel zu verändern.

Was aber ein völlige Neugestaltung des Verbrennungsraumes erfordert und zu erheblichen Mehrkosten führen würde. Anpassung des Kolbenbodens und Ermittlung des Verdichtungsverhältnisses.

Bei Dieselmotoren mit paralleler Ventilanordnung besteht dieses Problem nicht, so daß die/das Ventile ganz öffnet und die größtmöglichen Ventil- Öffnungsfläche zur Verfügung steht.

Aufgrund der längeren Öffnungsphase der Auslaßventile und der damit verbundenen höheren thermischen Belastung, sollten diese Natrium gefüllt sein und die Ventilsitzbreite erhöht werden.

Um die thermische Belastung der Zylinderkopfauslaßseite zu senken und ein übermäßiges aufheizen der Frischladung zu vermeiden, sollte die Kühlwasserführung im Zylinderkopf so gestaltet werden, daß die einströmende Kühlflüssigkeit zuerst die Auslaßseite durchströmt.

Funktionsweise

Mit dem Öffnen der Auslaßventile strömen die verbrannten Gase über die Aus­ laßventile Abb. 1 Nr. 3, über das Zwischenventil Abb. 1 Nr. 2 in die Abgasanlage. In dieser Phase verschließt das Zwischenventil den Zusatzansaugkanal. Die Einlaßventile sind geschlossen und die Auslaßventile sind vollständig geöffnet.

Kurz vor OT (oberer Totpunkt) öffnen die Einlaßventile, gleichzeitig beginnen sich die Auslaßventile zu schließen (Ventilüberschneidung).

In dieser Phase werden die Auslaßventile nur so weit geschlossen, bedingt durch die geänderte Auslaßexenterkontur, das die Einlaßventile vollständig öffnen können.

Gleichzeitig werden die Auslaßventile so weit geöffnet gehalten das eine möglichst große Ventilöffnungsfläche entsteht, aber eine Berührung mit den Einlaßventilen ausgeschlossen ist.

Bei einer parallelen Anordnung der Aus- und Einlaßventile können beide Paare vollständig geöffnet werden.

Nach dem Ausstoßen der Abgase wird über das Steuergerät das Zwischenventil Abb. 1 Nr. 2 angesteuert und der Zusatzansaugkanal geöffnet, gleichzeitig wird der Weg in die Abgasanlage verschlossen (Darstellung in Abb. 1. Ansaugen). Der sich nach UT (unterer Totpunkt) bewegende Kolben bewirkt eine Volumenvergrößerung und somit einen Unterdruck.

Nun kann über die vollständig geöffneten Einlaßventile und die teilweise oder ganz geöffneten Auslaßventile, die Frischladung angesogen werden.

Wobei die Frischladung über die Einlaßseite konventionell angesogen wird. Bei der Auslaßseite die Frischladung vom Sammler Abb. 1 Nr. 4 über den Zusatzeinlaßkanal Abb. 1 Nr. 1 und das Zwischenventil Abb. 1 Nr. 2 durch die geöffneten Auslaßventile in den Zylinder gelangen.

Die Öffnungswinkel/Zeiten während _der gemeinsamen Ansaugphase sollten so gewählt werden, das beide Ventilpaare möglichst lange geöffnet sind und ein schließen der Ventilpaare erst nach UT erfolgt, um ein größtmögliche Ventilöffnungsfläche und Öffnungszeit zu erhalten. Damit eine höher Liefergrad erreicht werden kann.

Nach der Ansaugphase schließen beide Ventilpaare wieder und der Viertaktprozeß läuft in bekannter Art (Verdichten, Arbeiten, Ausstoßen) weiter ab. Nach dem Ende der Ansaugphase und dem schließen beider Ventilpaare (Aus- u. Einlaß) wird durch das Motorsteuergerät, im Zwischenventil, der Zusatzeinlaßkanal verschlossen und gleichzeitig der Abgaskanal, für den folgenden Ausstoßtakt, geöffnet (siehe Abb. 2).

Bei Beendigung des Ausstoßtaktes (alle Abgase sind in die Abgasanlage ab­ geleitet), wird über das Motorsteuergerät das Zwischenventil angesteuert, wodurch das Zwischenventil den Auslaßkanal verschließt und gleichzeitig den Zusatzeinlaßkanal öffnet. Damit endet die Phase der pseudo Ventil­ überschneidung und der Viertakt-Prozeß beginnt erneut.

Claims (2)

1. Bei den heute in Verwendung befindlichen Verbrennungskraftmaschinen erfolgt der Ladungswechsel über eine oder zwei, mechanisch angetriebene Nockenwelle(n) die wiederum über Hilfselemente (Tassenstößel, Kipphebel, usw.) die Aus- und Einlaßventile betätigen.
Bei neueren Verbrennungsmotoren findet überwiegen die Mehrventiltechnik, mit Phasenverstellung Anwendung, wobei mehrere Ein- und Auslaßventile den Ladungswechsel bewirken. Hierbei beginnt nach dem Öffnen des/der Einlaßventile(s) die Frischladung über den Einlaßkanal in den Zylinder zu strömen, nach der Verbrennung werden die verbrannten Gas über das/die Auslaßventil(e) und den Auslaßkanal in den Abgaskrümmer und die angeschlossene Abgasanlage ausgestoßen.
Als hauptsächlichen Nachteil nicht aufgeladener Motoren ist, bei diesem bekannten Verfahren, deren geringer werdende Leistung bei hohen Drehzahlen/Vollast zu sehen. Bedingt durch die immer größer werdenden Strömungswiderstände und kürzeren Zeitintervalle für das Ansaugen der Frischladung, nimmt der Liefergrad immer weiter ab. So daß, eine weitere Leistungssteigerung nur über eine Zunahme des Hubvolumens oder der Drehzahl zu erreichen ist. Diesen Maßnahmen sind aber technische Grenzen, wie Massenkräfte, Dauerfestigkeit, Werkstoffeigenschaften, usw. gesetzt.

2. Der Anspruch nach 1, beruht auf der Überlegung den mangelnden Liefergrad, bei hohen Drehzahlen/Vollast, teilweise dadurch zu kompensieren, daß man das/die Auslaßventille während des Ansaugtaktes, teilweise oder ganz, mit öffnet und somit eine größere Ventilöffnungsfläche erhält. Dadurch wird zusätzlich über das/die Auslaßventile Frischladung in den Zylinder gesogen. Gleichzeitig verschließt ein Zwischenventil, das in den Abgaskrümmer integriert ist, den Abgaskanal und verhindert ein zurückströmen der Abgase in den Zylinder. Über einen Zusatzeinlaßkanal der in das Zwischenventil münde gelangt die zusätzliche Frischladung dann über den Auslaßkanal und das/die Auslaßventile in den Zylinder. So soll der Liefergrad erhöht und die Leistung gesteigert werden.
Die Ansteuerung des Zwischenventils erfolgt über dessen Einbindung in das Motorsteuergerät. Um das/die Auslaßventile während des Ansaug­ taktes teilweise oder ganz geöffnet zu halten, muß die Exentergeometrie der Auslaßnockenwelle den Erfordernissen angepaßt werden.