DE4040415A1 - Viertakt-motor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen einstellbaren Zeitmechanismus und einen Viertakt-Motor nach dem Gattungsbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Motor, der Miller-Zyklen ebenso wie Viertakt-Zyklen verwendet und das Expansionsverhältnis von 11 : 1 bis 16 : 1 und somit vergleichbar zu einem Dieselmotor einstellt, so daß das Kompressionsverhältnis gemäß den Betriebsbedingungen des Motors angehoben werden kann und nahe an den kritischen Pegel gelangt, bei der Verbrennungsklopfen auftritt, um die Leistungsabgabe zu erhöhen und die Verbrennung zu verbessern.

Bekannte Viertakt-Motoren sind so ausgelegt, daß das Kompressionsverhältnis und das Expansionsverhältnis einander gleich sind. Das Kompressionsverhältnis ist durch das Verbrennungsklopfen begrenzt, das im Vollastbetrieb auftritt. In einem nicht-vorverdichteten Motor beträgt der Maximalwert des Kompressionsverhältnisses gewöhnlicherweise ungefähr 10 : 1. In einem vorverdichteten Motor kann das Kompressionsverhältnis nicht über ungefähr 8,5 : 1 angehoben werden. Daher nimmt das Expansionsverhältnis den Wert zwischen 8,5 : 1 und 10 : 1 ein. Hochtemperatur- und Hochdruck-Verbrennungsgas, das in dem Zylinder erzeugt wird, kann nicht genügend expandieren und somit wird es nicht wirksam in Arbeit umgewandelt. Das Gas wird sodann als Hochtemperatur-Auspuffgas abgeblasen. Somit ist der thermische Wirkungsgrad gering.

Wie im Stand der Technik bestens bekannt, reduziert solches Hochtemperatur-Auspuffgas nicht nur den thermischen Koeffizienten sondern erhöht die thermische Beanspruchung in dem Zylinderkopf. Diese thermische Beanspruchung kann Brüche in dem Kopf erzeugen und das Auslaßventil bis zu einem Punkt aufheizen, an dem seine Festigkeit vermindert wird. Manchmal bricht der Auspuff oder wird beschädigt.

Im Falle eines vorverdichteten Motors heben eine Verringerung des Expansionsverhältnisses die Auspuff-Gastemperatur an. Im Falle einer Turboladung wird beispielsweise eine überhöhte thermische Beanspruchung dem Abgas-Turbinengehäuse und anderen Komponenten zugeführt. Der statthafte Pegel kann überschritten werden. Aus diesen Gründen ist die gegenwärtige Situation der Gestalt, daß ein reiches Luft/Brennstoff-Gemisch angesaugt wird, um Erhöhungen der Auspuff-Gastemperatur zu unterdrücken. Demzufolge wird der Kraftstoffverbrauch erhöht.

In einem Viertakt-Motor, der ein Gemisch aufnimmt, welches im wesentlichen aus gleichen Verhältnissen von Kraftstoff und Luft besteht, ist es allgemein üblich, den Betrag an Luft/Kraftstoff-Mischung, das in den Motor über das Drosselventil aufgenommen wird, zu vermindern, um die Last zu vermeiden. Der negative Druck, der durch das Drosselventil gebildet wird, erhöht den Leistungsverlust in Teillastzuständen. Ferner wird die Dichte des komprimierten Luft/Kraftstoff-Gemisches reduziert, was seinerseits zu einer unvollständigen Verbrennung oder einer Abnahme der Verbrennungsgeschwindigkeit führt. Infolgedessen wird die angegebene thermische Wirksamkeit vermindert. Insbesondere, wenn eine Rezirkulation des Auspuffgases und eine Verbrennung von magerem Luft/Kraftstoff-Gemisch vorgenommen werden, um die Drosselverluste zu vermindern und die thermische Wirksamkeit zu erhöhen und den NOx-Gehalt zu vermindern, erfolgt eine arme Verbrennung, was in einem Anwachsen der Emission von HC resultiert. Beschränkungen können dem Betrag an schädlichen Emissionen auferlegt werden. Wo der Start des Motors in kalten Gebieten versucht wird, ist es schwierig, geringe Emissionen zu erzielen, da das Kompressionsverhältnis nicht genügend hoch ist. In dem herkömmlichen Viertakt-Motor, wo das Kompressionsverhältnis und das Expansionsverhältnis auf den gleichen Wert eingestellt sind, erlegt das Verbrennungsklopfen Beschränkungen dem maximalen Kompressionsverhältnis in der zuvor beschriebenen Weise auf. Demzufolge ist das Expansionsverhältnis ebenfalls begrenzt. Dies resultiert in verschiedenen Problemen einschließlich einer Abnahme der thermischen Wirksamkeit unter Vollast und der Abnahme der Verfügbarkeit des Motors aufgrund extrem hoher Auspuff-Gastemperaturen. Im Falle einer Turboladung und insbesondere im Falle eines vorverdichteten Motors, bei dem das Kompressionsverhältnis auf einen geringeren Wert eingestellt ist, ist die Auspuff-Gastemperatur noch höher. Ein reiches Luft/Kraftstoff-Gemisch wird benutzt, um die Temperatur zu verringern. Dies erhöht nicht nur den Kraftstoffverbrauch sondern erhöht auch die thermische Last der Abgasturbine eines Turboladers und demzufolge müssen die Abgasturbine und das Gehäuse aus teuren hitzebeständigen Legierungen gefertigt werden.

Wenn ferner der Motor im Teillastbetrieb arbeitet, resultieren Abnahmen der Dichte des komprimierten Luft/Kraftstoff-Gemisches in einer armen Verbrennung und einer Abnahme der thermischen Wirksamkeit. Wenn eine Rezirkulation des Auspuffgases und eine magere Luft/Kraftstoff-Mischung verwendet werden, um die Drosselverluste und den Gehalt an NOx zu vermindern, so tritt eine arme Verbrennung auf. Infolgedessen kann der geforderte Betrag an Rezirkulation des Abgases und ein ausreichend mageres Luft/Kraftstoff-Gemisch nicht verwendet werden. Es ist unmöglich, das Kompressionsverhältnis weiter zu erhöhen, um die Kompressionstemperatur zum Erzielen einer besseren Verbrennung anzuheben und somit die thermische Wirksamkeit zu verbessern.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Viertakt-Motor anzugeben, der im Vollastbetrieb das Kompressionsverhältnis so einstellt, daß der größte Wert angenommen wird, der durch die Beschränkungen erlaubt ist, die durch das Verbrennungsklopfen auferlegt werden und der das Expansionsverhältnis größer als das Kompressionsverhältnis einstellt, um die thermische Wirksamkeit zu erhöhen und somit die Abgastemperatur zu vermindern und der im Teillastbetrieb ferner das Kompressionsverhältnis in die Nähe des kritischen Wertes anhebt, bei dem das Verbrennungsklopfen auftritt, um hierdurch die thermische Wirksamkeit zu verbessern, indem eine gute Verbrennung sichergestellt wird, wobei eine Rezirkulation des Auspuffgases oder eine magere Luft/Kraftstoff-Mischung verwendet wird.

Die Verwirklichung dieser Ziele und die Lösung der vorliegenden Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.

Die oben erwähnte Aufgabe wird gelöst durch einen Viertakt-Motor, welcher umfaßt: ein rotierendes Ventil bzw. eine Schließvorrichtung, die in der Ansaugöffnung des Motors angeordnet ist und die eine Zeit-Einstellvorrichtung für die Ventilbetätigung aufweist; und durch eine Erfassung des Verbrennungsklopfens bzw. durch eine Vorhersagevorrichtung zur Erfassung des Verbrennungsklopfens am Anfang des Verbrennungsklopfens bzw. zu dessen Vorhersagung. Das Drehventil ist geschlossen, bevor der untere Totpunkt eines jeden Ansaughubes des Motors erreicht wird, um das Expansionsverhältnis des Motors größer als das Kompressionsverhältnis im Vollastzustand einzustellen. Der Zeitpunkt, zu dem das Drehventil geschlossen wird, wird durch die Zeitgeber-Einstellvorrichtung aufgrund des Ausgangssignales des Verbrennungs-Klopfsensors oder der Vorhersagevorrichtung nach vorne verschoben. Dadurch wird das Kompressionsverhältnis eingestellt.

Bei dem zuvor beschriebenen Aufbau ist im Vollastbetrieb des Motors das Drehventil normalerweise zum gleichen Zeitpunkt wie das Einlaßventil des Motors geschlossen. Unter diesen Umständen wird das Kompressionsverhältnis auf den gleichen hohen Wert wie das Expansionsverhältnis eingestellt. Normalerweise erfolgt sodann ein Verbrennungsklopfen. Gemäß der Erfindung erfaßt der Klopfsensor bzw. die Vorhersagevorrichtung sofort das Klopfen und veranlaßt eine Betätigungsvorrichtung, den Zeitpunkt nach vorne zu verschieben, bei dem das Drehventil geschlossen wird. Insbesondere wird das Drehventil während des Ansaughubes geschlossen, um die Dauer desselben zu verkürzen. Daraus folgt im wesentlichen, daß das Kompressionsverhältnis abfällt, so daß das Klopfen vermieden wird. Unter diesen Umständen fällt das Kompressionsverhältnis auf einen Wert in der Nähe von normalen Motoren.

Wenn der Motor vorverdichtet ist, so werden die Dichte der komprimierten Luft und die Temperatur noch weiter erhöht, so daß das Klopfen noch wahrscheinlicher auftritt. Der Klopfsensor wirkt mit der betätigenden Zeittakt-Einstellvorrichtung zusammen, um den Zeitpunkt noch weiter nach vorne zu verstellen, bei dem das Drehventil während des Ansaughubes geschlossen ist. Daraus folgt, daß das Kompressionsverhältnis weiter reduziert wird, aber das Expansionsverhältnis höher als das eines gewöhnlichen Motors ist, und somit der thermische Wirkungsgrad verbessert wird.

Wenn der Motor unter Teillast arbeitet, so wird die Öffnung des Drosselventils verringert, um das Kompressionsverhältnis herabzumindern, und dadurch das Klopfen zu verhindern. Das Schließen des Drehventils wird verzögert, um das Kompressionsverhältnis wesentlich zu erhöhen. Das optimale Kompressionsverhältnis wird aufgrund der Feststellung des Klopfens mittels des Klopfsensors ausgewählt. Somit werden gute Verbrennungsbedingungen unmittelbar vor dem Klopfen erzielt. Demzufolge werden die angezeigte Effizienz und die thermische Leistung verbessert.

Die Rezirkulation des Abgases vermindert die Drosselverluste. In gleicher Weise wird überschüssige Luft zugelassen durch die Verwendung eines mageren Luft/Kraftstoff-Gemisches zur Verminderung des Drosselverlustes. Wo der Zyklus dem Luftzyklus angenähert wird, um die thermische Leistung weiter zu verbessern und den NOx-Gehalt zu vermindern, zeigen normale Motoren eine arme Verbrennung. Gemäß der Erfindung arbeitet der Klopfsensor mit der betätigenden Zeittakt-Einstellvorrichtung zusammen, um den Zeitpunkt zu verzögern, an dem das Drehventil geschlossen wird. Somit wird das effektive Kompressionsverhältnis erhöht, wodurch die Kompressionsdichte und die Temperatur erhöht werden. Infolgedessen wird die Verbrennung verbessert.

Die Erfindung sei nunmehr anhand eines Beispieles beschrieben, wobei auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird, in welche zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Viertakt-Motors gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht von wichtigen Teilen des in Fig. 1 gezeigten Motors;

Fig. 3 und 4 Schnittansichten der das Ventil betätigenden Zeittakt-Einstellvorrichtung gemäß Fig. 1, wobei Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung zeigt; und

Fig. 5 und 6 Schaubilder zur Veranschaulichung der Leistung des Motors gemäß Fig. 1.

Der grundsätzliche Aufbau eines Viertakt-Motors gemäß der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Dieser Viertakt-Motor umfaßt einen Zylinder 1, einen Kolben 2, der in dem Zylinder 1 arbeitet, eine Pleuelstange 3, einen Zylinderkopf 4, eine Zündkerze 5 innerhalb des Kopfes 4, einen Einlaßanschluß 6 und einen Auslaßanschluß 9. Der Kolben 2 dreht eine nicht-dargestellte Kurbelwelle über die Pleuelstange 3. Ein Einlaßventil 7 und ein Brennstoff-Einspritzventil 8 sind in der Einlaßöffnung 6 angeordnet. Ein Auslaßventil 10 ist in der Auslaßöffnung 9 angeordnet. Die Zündkerze 5 führt Zündoperationen synchron mit der Kurbelwelle des Motors aus. Das Einlaßventil 7 und das Auslaßventil 10 werden durch einen bekannten Ventil-Betätigungsmechanismus ebenfalls synchron mit der Kurbelwelle geöffnet und geschlossen. Die Ventile 7 und 10 werden in herkömmlichen geeigneten Zeitpunkten geöffnet und geschlossen.

Eine Einlaßleitung 11 steht in Verbindung mit dem Einlaßanschluß 6. Ein Einlaßrohr 12 ist am einen Ende der Leitung 11 angeordnet, um eine Einlaßöffnung zu bilden.

Ein Drehventil 13 arbeitet als Steuerventil und ist in dem Einlaßrohr 11 angeordnet. Dieses Ventil 13 wird durch die Kurbelwelle über ein Getriebe angetrieben. Ein Drosselventil 14 ist vor dem Ventil 13 angeordnet.

Die das Ventil betätigende Zeittakt-Einstellvorrichtung gemäß Fig. 3 und 4 umfaßt einen Mechanismus zur Betätigung des Drehventiles 13, der in einem Ventilkörper 11a angeordnet ist, welcher in dem Einlaßrohr 11 gebildet wird und der eine Antriebswelle 16 umfaßt, die über einen Stift 15 mit dem Ventil 13 verbunden ist.

Das Drehventil 13 ist zwischen einem Paar von Hülsen 17 und 18 in dem Ventilkörper 11a gehalten. Die Antriebswelle 16 ist in Lagern 20, 21 und 22 über die Hülsen 17, 18 und über eine getrennte Hülse 19 in dem Ventilkörper 11a gelagert. Eine Keilverzahnung 16a mit Links-Schraubengewinde befindet sich an dem einen Ende der Welle 16.

Ein Zeittakt-Zahnrad 23 ist mit der nicht-dargestellten Kurbelwelle über ein Getriebe verbunden. Eine rotierende Welle 24, die einen integralen Teil mit dem Zahnrad 23 bildet, ist über Lager 25, 26 auf einem Arm 27 gelagert, der mit dem Motor verbunden ist. Eine Keilverzahnung 24a mit Rechts-Schraubengewinde befindet sich an dem einen Ende der Welle 24 und ist mit der Linksgewinde-Keilverzahnung 16a über ein Einstellglied 28 verbunden. Ansätze 28a und 28b, die in die Keilverzahnungen eingreifen, sind an der Innenfläche des Gliedes 28 angeformt.

Ein Einstellhebel 29 wird durch eine Welle 30 gehalten. Ein Ende des Hebels 29 greift in eine Ausnehmung 28c, die an dem Einstellglied 28 angeformt ist. Im vorliegenden in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Antriebswelle 16 eine Winkelbewegung in einer gewünschten Richtung in Bezug auf die rotierende Welle 24 ausführen, indem das Einstellglied 28 nach links bewegt wird. Die Welle 16 kann in entgegengesetzter Richtung eine Winkelbewegung ausführen, indem das Glied 28 nach rechts verschoben wird. Auf diese Weise wird der Zeitpunkt der Drehung der Antriebswelle 16 durch eine axiale Bewegung des Einstellgliedes 28 verändert. Infolgedessen wird der Zeitpunkt des Öffnens und Schließens des Drehventils 13 verändert.

Gemäß Fig. 2 ist das Drehventil 13 so aufgebaut, daß es immer dann geöffnet oder geschlossen wird, wenn es um 90° gedreht wird. Dieses Ventil 13 wird mit einer Drehgeschwindigkeit angetrieben, die halb so groß wie die Geschwindigkeit der Kurbelwelle ist, wobei der Antrieb über das Zahnrad 23 erfolgt.

Der Ansaughub des Motors setzt sich fort, bis die Kurbelwelle sich um 180° gedreht hat. Demzufolge wird das Drehventil 13 in der gleichen Weise wie das Einlaßventil 7 offen gehalten, bis die Kurbelwelle sich um 180° gedreht hat.

Fig. 1 zeigt einen Viertakt-Otto-Motor gemäß der Erfindung, wobei der Motor mit der das Ventil betätigenden zuvor beschriebenen Zeittakt-Einstellvorrichtung ausgerüstet ist. Ein Verbrennungs-Klopfsensor oder eine Vorhersagevorrichtung, beispielsweise in Form des Sensors 31, ist an der Außenwand des Motors angeordnet, der mit der Bezugsziffer E bezeichnet ist. Der Sensor 31 erzeugt ein Signal aufgrund der Vibration des Motors, die durch das Klopfen hervorgerufen wird. Das Signal wird über Drähte 32 und 33 einem Betätigungsmechanismus 35 zugeführt, der über eine Spannungsversorgung 34 gespeist wird.

Wenn die Betätigungsvorrichtung 35 das Signal empfängt, welches das Klopfen anzeigt, so stößt sie eine Stange 36 nach links, wobei ein Stift 37 auf der Stange 36 angeordnet ist. Der Hebel 29 wird demzufolge im Uhrzeigersinn um die Welle 30 gedreht, um das Einstellglied 28 nach rechts zu verschieben und somit das Öffnen des Ventils 13 in der zuvor beschriebenen Weise zeitlich nach vorne zu verschieben. Demzufolge wird das Kompressionsverhältnis des Motors vermindert. Gemäß Fig. 1 ist ein Kurbelzahnrad 39 auf dem vorderen Ende 38 der Kurbelwelle gelagert und ein Auspuffrohr 40 ist an den Motor angeflanscht. Das Kurbelzahnrad 39 treibt das Zeitgeberzahnrad 23 an. Eine Stauvorrichtung, wie beispielsweise ein Turbolader oder ein Vorverdichter von herkömmlichem Aufbau kann vorhanden sein, ist aber nicht dargestellt.

Der Verbrennungs-Klopfsensor oder die Vorhersagevorrichtung arbeiten aufgrund der Betriebsbedingungen des Motors, wobei die Vorhersagevorrichtung beispielsweise einen Wassertemperatursensor, einen Motorgeschwindigkeitssensor, einen Gaspedalsensor, einen O₂-Sensor und andere Sensoren, die alle nicht dargestellt sind, umfassen kann, die den Betriebszustand des Motors überwachen und das Verbrennungsklopfen vorhersagen. Die Sensor- oder Vorhersage-Vorrichtung kann mit der das Ventil betätigenden Zeittakt-Einstellvorrichtung zusammenarbeiten, um den Zeitpunkt zu verändern, an dem das Drehventil 13 geöffnet wird.

Bei diesem neuen Viertakt-Otto-Motor wird das Expansionsverhältnis beispielsweise zwischen 11 : 1 und 16 : 1 eingestellt, was sehr viel größer als das übliche Verhältnis 10 : 1 für normale Otto-Motoren ist. Unter Vollastbedingungen wird das Drehventil 13 durch den Betätiger 35 zur gleichen Zeit wie das Einlaßventil geöffnet und geschlossen. Das Kompressionsverhältnis entspricht dem Expansionsverhältnis. In diesem Zustand wird beim Starten des Motors das Verbrennungsklopfen nicht vermieden, da das Kompressionsverhältnis zu hoch ist. Jedoch wird das Klopfen unmittelbar durch den Klopfsensor 31 festgestellt. Das Ausgangssignal des Sensors 31 wird zu dem Betätiger 35 gesendet, der daraufhin die Stange 36 bewegt, um den Zeitpunkt vorzuverstellen, an dem das Drehventil in der zuvor beschriebenen Weise geschlossen wird. Somit wird das Ventil 13 geschlossen, bevor der Ansaughub beendet ist.

Dieses Verfahren wird nunmehr unter Bezugnahme auf das p-v-Diagramm gemäß Fig. 5 beschrieben. Das Ansaugen des Luft/Kraftstoff-Gemisches beginnt im Punkt 1 (am oberen Umkehrpunkt des Ansaughubes). Die Ansaugung endet im Punkt 7 (unterer Umkehrpunkt). Der Kompressionshub beginnt im Punkt 7. Wenn die Kompression normal fortgesetzt wird, so folgt die Kurve der gestrichelten Linie. Am oberen Umkehrpunkt des Kompressionshubes wird das Luft/Kraftstoff-Gemisch adiabatisch komprimiert. Der komprimierte Druck ist durch den Punkt 8 veranschaulicht. Der erhöhte Druck und die damit einhergehende hohe Temperatur erzeugen das Verbrennungsklopfen. In der Anwendung wird das Klopfen sofort durch den Klopfsensor 31 erfaßt. Der Betätiger 35 verschiebt den Zeitpunkt nach vorne, an dem das Drehventil 13 geschlossen wird aufgrund des Ausgangssignales des Sensors 31. Auf diese Weise wird nach Feststellung des Klopfens die Ansaugöffnung im Punkt 2 während des Ansaughubes geschlossen. Daher fällt der am unteren Umkehrpunkt des Ansaughubes erzeugte Druck zum Punkt 7 ab. Beim Ansaughub nach dem Punkt 2 vergrößert das Luft/Kraftstoff-Gemisch innerhalb des Zylinders sein Volumen, während es adiabatisch expandiert. Im Punkt 3 am unteren Umkehrpunkt des Ansaughubes wird der Druck geringer als der atmosphärische Druck. Zu diesem Zeitpunkt fällt ebenfalls die Temperatur.

Ein Kompressionshub wird im Punkt 3 ausgelöst. Im Punkt 2 wird der Druck gleich dem atmosphärischen Druck. Ferner wird die Temperatur entsprechend angehoben. Der Kompressionshub beginnt jedoch im wesentlichen im Punkt 2 und endet am oberen Umkehrpunkt der Kompression im Punkt 4. Daraus folgt im wesentlichen, daß das Kompressionsverhältnis herabfällt. Der Kompressionsdruck im Punkt 4 ist geringer als der Druck im Punkt 8. Zur gleichen Zeit sinkt die Kompressionstemperatur. Demzufolge wird das Klopfen vermieden.

In einem herkömmlichen Motor, wo die Kompression auf 10 : 1 eingestellt ist, um das Klopfen zu vermeiden, wird das Kompressionsverhältnis eines Motors gemäß der Erfindung ebenfalls auf 10 : 1 in der zuvor beschriebenen Weise eingestellt. Der angegebene Betrag an geleisteter Arbeit innerhalb des Zylinders wird durch den Teilbereich vorgegeben, der durch die Linien 2-4-5-9-2 in Fig. 5 vorgegeben ist. Bei dem neuen Motor ist der Expansionshub durch die Linie 5-6 vorgegeben, welcher länger ist als die Linie 5-9, welche den Expansionshub eines herkömmlichen Motors veranschaulicht. Der Betrag an Arbeit ist durch den Teilbereich vorgegeben, der durch die Linien 2-4-5-6-7-2 vorgegeben ist. Unter Umständen ist der Bereich gemäß dem neuen Motor um den Bereich größer als der Bereich gemäß dem herkömmlichen Motor, der durch den schraffierten Teil vorgegeben ist, welcher durch die Linien 2-9-6-7-2 umrandet ist. Dies bedeutet, daß der angegebene Arbeitsbereich des neuen Motors größer als der des herkömmlichen Motors ist. Obgleich der Betrag an Luft/Kraftstoff-Gemisch, der zwischen den Punkten 1 und 2 zugeführt ist, d. h. der Betrag an verbrauchtem Kraftstoff nicht geändert wird, wird die Ausgangsleistung erhöht. Demzufolge wird der thermische Wirkungsgrad verbessert.

Wenn der Motor vorverdichtet ist, tritt wahrscheinlich Klopfen aufgrund des hohen Ansaugdruckes auf. In diesen Fällen arbeitet der Klopfsensor 31 mit der das Ventil betätigenden Zeittakt-Einstellvorrichtung zusammen, um den Zeitpunkt vorzuverschieben, an der das Drehventil 13 geschlossen wird, so daß das effektive Kompressionsverhältnis weiter erniedrigt wird. Der Punkt 2 in Fig. 5 wird weiter nach links verschoben. Das große Expansionsverhältnis wird nicht verändert, obgleich das effektive Kompressionsverhältnis weiter abfällt. Ferner findet weder eine Verminderung der thermischen Leistung noch eine Erhöhung der Abgastemperatur statt.

Wie bereits beschrieben, ist der Betrag an Arbeit größer bei gleichem Kraftstoffverbrauch. Anders ausgedrückt, wird, wenn die Expansion vom Punkt 9 zum Punkt 6 erweitert wird, die Abgastemperatur abfallen, wodurch die thermische Belastung verschiedener Komponenten des Motors vermindert wird.

Wo die atmosphärischen Bedingungen oder die Betriebszustände des Motors eine Erhöhung des Kompressionsverhältnisses erlauben, beispielsweise wenn die Wandtemperatur der Verbrennungskammer gering ist, wie dies beim Betrieb des Motors unter geringer Last angetroffen wird, so kann der Betrag der in den neuen Motor E hereingenommenen Luft und die Ausgangsleistung erhöht werden, indem der Zeitpunkt verzögert wird, an der das Drehventil 13 geschlossen wird, so daß das Kompressionsverhältnis anwächst. Dies bedeutet, daß ein Automobil aus dem Ruhezustand mit einer Geschwindigkeit beschleunigen kann, die zeitweilig die Beschleunigung übertrifft, welche erzielt wird, wenn das Automobil unter hohen kontinuierlichen Lastbedingungen betrieben wird. Auf diese Weise kann die Beschleunigungsfähigkeit des Automobils erhöht werden.

Der Betrieb des Motors unter Teillast sei nunmehr unter Bezugnahme auf das p-v-Diagramm gemäß Fig. 6 beschrieben, in der der negative Druck um einen Faktor 5 gegenüber dem positiven Druck zur besseren Verständlichkeit übertrieben dargestellt ist. Beim herkömmlichen Motor wird der Fluß der angesaugten Luft durch das Drosselventil vermindert. Während des Ansaughubs fällt der Zylinderdruck auf den Punkt 10. Der Ansaughub endet im Punkt 12. Zu diesem Zeitpunkt vermindert sich die Temperatur der angesaugten Luft, da eine adiabatische Expansion zwischen dem Punkt 1 und dem Punkt 10 auftritt. Der Luftfluß wird durch den Betrag an Arbeit beschleunigt, der durch den Bereich vorgegeben ist, welcher durch die Linien 1-10-12-13-1 umrandet ist oder durch die Differenz zwischen dem Druck im Punkt 1 und dem Druck im Punkt 10. Unter diesen Umständen wird die Bewegung der Luft in Hitze umgewandelt und die Temperatur der Luft auf atmosphärische Temperatur zurückgeführt. Die Temperatur im Punkt 12 nähert sich der atmosphärischen Temperatur. Der Kompressionshub startet im Punkt 12 und der Druck erreicht den atmosphärischen Druck im Punkt 13. Die Linie 1-13 zeigt den Betrag des hereingenommenen Luft/Kraftstoff-Gemisches in Form des atmosphärischen Druckes an. Im Punkt 14 bzw. am oberen Umkehrpunkt des Kompressionshubes werden das Kompressionsverhältnis und die Kompressionstemperatur denjenigen Werten gleich, die unter Vollast erzielt werden, aber die Dichte und die Verbrennungsgeschwindigkeit sind geringer als unter Vollast. Das p-v-Diagramm ist durch die Linie 14-23 vorgegeben, wie dies durch die punktgestrichelte Linie in Fig. 6 gezeigt ist. Ein Betrag an Arbeit, der durch den schraffierten Bereich innerhalb der Linien 14-15-23-14 vorgegeben ist, geht verloren. Unter diesen Umständen ist der angegebene Arbeitsbetrag durch den Bereich vorgegeben, der durch die Linien 13-14-23-18-19-13 umrandet ist. Somit ist unter diesen Umständen der thermische Wirkungsgrad gering.

Insbesondere dann, wenn eine Rezirkulation der Abgase oder eine magere Luft/Kraftstoff-Mischung verwendet wird, um eine Luftverschmutzung zu verhindern, oder den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern, besteht die Tendenz nach einer armen Verbrennung. Wie zuvor beschrieben, wird die angegebene thermische Leistung gestört. Als Ergebnis ergibt sich, daß die Verbesserung der thermischen Leistung des Viertaktmotors unter Teillast behindert wird.

Beim Ansaughub des neuen Motors wird der Zylinderdruck auf den Punkt 20 durch das Drosselventil 14 abgesenkt. Am Punkt 21 innerhalb des Ansaughubes wird das Drehventil 13 geschlossen, aber der Kolben 2 bewegt sich weiter nach unten. Der Druck und die Temperatur des Luft/Kraftstoff-Gemisches werden abgesenkt, während die Mischung adiabatisch expandiert. Der untere Umkehrpunkt des Ansaughubes wird im Punkt 22 erreicht, und ein Kompressionshub beginnt, wobei der Druck und die Temperatur im angesaugten Zustand im Punkt 21 wieder erreicht werden.

Aus dem zuvor beschriebenen Grund ist die Temperatur des Luft/Kraftstoff-Gemisches im Punkt 21 im wesentlichen der Temperatur im Punkt 12, d. h. der atmosphärischen Temperatur gleich. Der Kompressionshub beginnt effektiv im Punkt 21 und endet im Punkt 14.

Die Linie 21-14, die den Kompressionshub des neuen Motors vorgibt, ist länger als die Linie 12-14, die den Kompressionshub des herkömmlichen Motors vorgibt. Wenn angenommen wird, daß die Verbrennungskammern beider Motoren identisch bezüglich des Volumens sind, so kann das Kompressionsverhältnis des neuen Motors höher gemacht werden. Im Punkt 14 bzw. dem oberen Umkehrpunkt des Kompressionshubes kann die Temperatur des Luft/Kraftstoff-Gemisches erhöht werden. Unter diesen Umständen und wenn der Klopfsensor 31 kein Klopfen erfaßt, verschiebt der Betätiger 35 automatisch das Schließen des Drehventils 13 weiter nach hinten, um den effektiven Kompressionshub zu verlängern, d. h., das Kompressionsverhältnis zu erhöhen. Wenn der Klopfsensor das Klopfen zu erfassen beginnt, so wird das Kompressionsverhältnis erniedrigt. Demzufolge erreicht der neue Motor die maximal mögliche Verbrennungsgeschwindigkeit. Dies ist durch die Linien 14-15-23 in dem p-v-Diagramm angegeben. Der Expansionshub wird weiter verlängert und erstreckt sich bis zum Punkt 16. Der Ablaßhub beginnt im Punkt 17. Der angegebene Arbeitsbetrag ist durch die Differenz zwischen dem Bereich, der durch die Linien 13-14-15-16-17-13 umrandet ist, und dem Bereich, der durch die Linien 1-20-21-13-1 umgeben ist, vorgegeben, wobei der letztere Bereich den Drosselverlust darstellt.

Bei den bekannten Techniken, bei denen Auslaßgas rezirkuliert wird oder eine magere Luft/Brennstoff-Mischung verbrannt wird, indem zusätzliche Luft angesaugt wird, um Luftverschmutzung zu verhindern, oder die thermische Leistung zu verbessern, findet eine arme Verbrennung statt. Bei dem neuen Motor wird das Öffnen des Drehventils 13 verzögert, bis das Klopfen beinahe anfängt, um das wirksame Kompressionsverhältnis bis auf 16 : 1 zu erhöhen und der Punkt 22 in Fig. 6 erreicht ist. Somit können eine gute Verbrennung und ein hoher thermischer Wirkungsgrad erzielt werden.

Bei dem neuen Motor kann unter Teillast eine hohe thermische Leistung erzielt werden. Ferner kann beim Start des Motors das Kompressionsverhältnis bis zu dem Expansionsverhältnis erhöht werden, indem das Schließen des Drehventils 13 verzögert wird. Dies macht es leicht, die Kompressionstemperatur anzuheben. Zusätzlich kann der Motor bei niedrigen Temperaturen leichter gestartet werden.

Soweit bislang beschrieben, ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Drehventil mit einer das Ventil betätigenden Zeittakt-Einstellvorrichtung in der Ansaugöffnung des Motors angeordnet. Das Ventil wird vor dem unteren Totpunkt des Ansaughubes geschlossen, um das Expansionsverhältnis des Motors höher als das Kompressionsverhältnis unter Vollast einzustellen. Ferner ist eine das Verbrennunsklopfen erfassende oder vorhersagende Vorrichtung vorgesehen, um das Verbrennungsklopfen bei Beginn zu erfassen oder vorherzusagen. Die das Ventil betätigende Zeittakt-Einstellvorrichtung verschiebt das Schließen des Drehventils nach vorne aufgrund des Ausgangssignales der Sensor- oder Vorhersagevorrichtung. Somit wird das Leistungs-Kompressionsverhältnis eingestellt und das Kompressionsverhältnis des Motors wird nahe dem kritischen Wert gehalten, bei dem Verbrennungsklopfen auftritt. Da ein hohes Expansionsverhältnis erreicht wird, kann die thermische Leistung verbessert werden.

Wenn der Motor unter Teillast arbeitet, besteht keine hohe Wahrscheinlichkeit für Klopfen. Das Schließen des Drehventils wird verzögert durch einen Klopfsensor und eine Betätigungsvorrichtung. Das Kompressionsverhältnis wird erhöht nahe an den kritischen Wert, bei dem das Klopfen stattfindet, um den Anteil des rezirkulierten Abgases zu erhöhen. Wenn das Luft/Kraftstoff-Gemisch reich ist, so kann die thermische Leistung verbessert werden, indem die Verbrennungsgeschwindigkeit erhöht wird und das Expansionsverhältnis auf einen größeren Wert eingestellt wird.

Wenn das Expansionsverhältnis des neuen Motors im wesentlichen auf das Expansionsverhältnis von Dieselmotoren eingestellt wird, so zeigt der neue Viertakt-Motor eine höhere Leistung als Dieselmotoren. Der Viertakt-Motor, bei dem der Verbrennungsdruck gering ist, zeigt weniger Reibungsverluste. Der Kolben und die Pleuelstange, die ein relativ geringes Gewicht aufweisen, reduzieren noch weiter die Verluste durch Reibung. Der Kraftstoffverbrauch des Viertaktmotors kann geringer als der von Dieselmotoren gemacht werden.

Dieselmotoren emittieren größere Beträge an NOx, HC, CO und anderen Substanzen als der Viertaktmotor, der einen katalytischen Rhodiumwandler benutzt. Zur Zeit besteht keine Hoffnung auf eine Technik zur Entfernung von Partikeln. Andererseits ist der neue Motor in der thermischen Leistung den Dieselmotoren überlegen. Ferner kann der neue Motor die laufenden Emissionsvorschriften erfüllen.

Claims (10)

1. Einstellbarer Zeittaktmechanismus zur Betätigung eines rotierenden Verschlußorganes im Einlaßtrakt einer internen Viertakt-Verbrennungsmaschine, gekennzeichnet durch Antriebsmittel (24, 24a) zur Verbindung mit der Nockenwelle (23), angetriebene Mittel (16, 16a) zur Verbindung mit einem rotierenden Einlaßtrakt-Verschlußorgan (13) und Verbindungsmittel (28) zur Verbindung der Antriebsmittel und der angetriebenen Mittel miteinander, wobei die Antriebsmittel und die angetriebenen Mittel koaxial zueinander sind und eine axiale Bewegung der Verbindungsmittel im Betrieb eine relative Winkelbewegung zwischen den Antriebsmitteln und den angetriebenen Mitteln hervorruft, wodurch die Rotation des Verschlußorgans aufgrund einer Zeittakt-Steuereinrichtung (35) nacheilend oder voreilend erfolgt.

2. Mechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel zylindrisch sind und wenigstens eine externe Schraubennut (24a) aufweisen, daß die angetriebenen Mittel zylindrisch sind und wenigstens eine externe Schraubennut (16a) mit entgegengesetztem Gewinde aufweisen, wobei die Antriebsmittel und die angetriebenen Mittel den gleichen Durchmesser besitzen und daß die Verbindungsmittel (28) rohrförmig sind und interne Ansätze (28a, 28b) aufweisen, um in die Nut der Antriebsmittel und der angetriebenen Mittel einzugreifen.

3. Mechanismus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Nuten jeweils an den Antriebsmitteln und den angetriebenen Mitteln vorgesehen sind.

4. Mechanismus nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungmittel (28) eine umlaufende externe Nut (28c) zum wirksamen Eingriff der Zeittakt-Steuereinrichtung aufweisen.

5. Mechanismus nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten durch abstehende Umfangsrippen (28a, 28b) der Verbindungsmittel (28) gebildet werden.

6. Mechanismus nach Anspruch 4 oder 5, ferner gekennzeichnet durch ein längliches Verbindungsorgan (29), das um einen Gelenkpunkt (30) geschwenkt werden kann und mit einem Ende in die Nut (28c) eingreift und um den Gelenkpunkt durch die Zeittakt-Steuereinrichtung beweglich ist.

7. Mechanismus nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende des Verbindungsorgans (29) an die Zeittakt-Steuervorrichtung (35) angeschlossen ist und daß sich der Gelenkpunkt (30) zwischen den Enden des Verbindungsorganes befindet.

8. Viertakt-Motor mit einer Einlaßöffnung, gekennzeichnet durch:
ein Drehventil (13) in der Einlaßöffnung (11) und eine das Ventil betätigende Zeittakt-Einstellvorrichtung (35), wobei das Ventil in den geschlossenen Zustand beweglich ist, bevor der untere Umkehrpunkt des Ansaughubes erreicht wird, um das Expansionsverhältnis des Motors höher als das Kompressionsverhältnis unter Vollast einzustellen; und
eine das Verbrennungsklopfen erfassende oder vorhersagende Vorrichtung (31), um den Beginn des Klopfens zu erfassen oder vorherzusagen, wobei die das Ventil betätigende Zeittakt-Betätigungsvorrichtung (35) aufgrund des Ausgangssignales der Sensor- oder Vorhersagevorrichtung (31) den Zeitpunkt, zu dem das Drehventil geschlossen wird, nach vorne verstellt, um das Kompressionsverhältnis des Motors einzustellen.

9. Viertakt-Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensor- oder Vorhersagevorrichtung ein Klopfsensor (31) ist.

10. Viertakt-Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensor- oder Vorhersagevorrichtung einen oder mehrere Sensoren aus einer Gruppe umfaßt, die durch einen Kühlwassertemperaturfühler, einen Motorgeschwindigkeitssensor, einen Gaspedalsensor und einen O₂-Sensor vorgegeben sind, die im Betrieb den Betriebszustand des Motors überwachen und das Sensieren oder Vorhersagen des Klopfens erleichtern.