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Mit einer Brennstoffeinspritzung versehene Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine mit einer Brennstoffeinspritzung versehene Verbrennungskraftmaschine
mit mindestens einem Zylinder, dessen Ansaug- und Abgaskanal durch eine Steuereinrichtung
gesteuert werden, wobei zur Nachverbrennung der brennbaren Abgasbestandteile Frischluft
in eine mit dem Abgaskanal in Verbindung stehende, insbesondere katalytische Nachverbrennungsvorrichtung
eingeleitet wird.
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Im. Interesse der Reinhaltung der Luft ist man bestrebt,-den.
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Anteil der schädlichen oder belästigenden Abgasbestandteile wie z.B.
Eohlenmonoxyd, Kohlenwasserstoffe sowie Stickoxide möglichst niedrig zu halten.
Zu diesem Zwecke ist man unter anderem dazu übergegangen, die brennbaren Abgasbestandteile,
insbesondere Kohlenmonoxyd, in einer im Zuge der Abgasleitung angeordneten Nachverbrennungsvorrichtung
zu verbrennen (z. B.
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DT-OS 1 576 779, DT-OS 1 476 499, DT-OS 1 476 524je Bei der
Nachverbrennung
dieser Abgasbestandteile wird ausreichend Sauerstoff benötigt. Aus diesem Grunde
wird dem aus den Abgaskanälen der Motorzylinder austretenden unsauberen Abgasstrom
Frischluft (Sekundärluft) zugeführt, indem man z. B.
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hinter den Auslaßventilen des üblicherweise ventilgesteuerten Motors
zusätzlich Frischluft in den Abgaskanal, d. h.
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den Abgaskrümmer einleitet. Diese Frischluft wird dabei im allgemeinen
durch besonders angetriebene Gebläse, durch maschinell oder anders angetriebene
Luftpumpen o. ä. gefördert. Bekannt ist es auch, die Frischluftzufuhr so auszubilden,
daß der vom Motor kommende Abgasstrom die Frischluft durch seine Sogwirkung mitnimmt,
wobei zur Unterstützung der Sogwirkung erforderlichenfalls ein Ventilator oder Kompressor
zusätzlich frische Luft einspeisen kann (DU-OS 1 576 766).
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In einer anderen bekannten Anordnung (D-OS 1 576 779) sind die Ventilsitze
bzw. die Ventilsitzringe der Auslaßventile mit besonderen Frischluftaustrittsöffnungen
versehen, welche die Auslaßventile peripher umgeben, so daß die durch die Ventilsitzringe
ausströmenden Abgase nach Art eines Ejektors Frischluft ansaugen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine
der eingangs genannten Art zu schaffen, welche gegenüber den bekannten Verbrennungskraftmaschinen
Vereinfachungen mit sich bringt und zur Verbesserung der Abgas-Emissionswerte insbesondere
keine zusätzlichen Einrichtungen wie Luftpumpen oder Gebläse benötigt oder kompliziert
verlaufende Frischluftkanäle im Bereich der thermisch hoch beanspruchten Auslaßventile
besitzt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Steuereinrichtung
in an sich bekannter Weise ein walzenförmiger Drehschieber mit einer tangentia;
verlaufenden Steueröffnung vorgesehen ist, der im Zylinderkopf in der Weise senkrecht
zur
Zylinderachse liegend zwischen Ansaug- und Abgaskanal angeordnet
ist, daß je nach seiner Drehstellung eine Verbindung zwischen Ansaugkanal und Zylinder,
eine Trennung des Zylinders vom Ansaugkanal und vom Abgaskanal oder eine Verbindung
zwischen Abgaskanal und Zylinder hergestellt ist, wobei der Ansaugkanal, der Abgaskanal
und der Drehschieber so ausgebildet und in ihren Abmessungen aufeinander abgestimmt
sind, daß zumindest annähernd während der gesamten Zeit, in welcher der Zylinder
sowohl vom Ansaugkanal als auch vom Abgaskanal getrennt ist, eine durchgehende Verbindung
zwischen Ansaugkanal und Abgaskanal besteht.
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Der eingesetzte Drehschieber übernimmt aufgrund seiner speziellen
Ausgestaltung neben der üblichen Steuerung des Gaswechsels erfindungsgemäß auch
die Zuführung von Frischluft (Sekundärluft) in die dem Motor nachgeschaltete Nachverbrennungsvorrichtung
für die Verbrennung der brennbaren Abgasbestandteile. Während des Kompressions-
und des Arbeitstaktes stellt der Drehschieber nämlich eine Verbindung vom Ansaug-
zum Abgaskanal her, so daß die während des Ansaugtaktes durch den Ansaugkanal strömende,
beschleunigte Frischluft nach Beendigung des Ansaugtaktes in den Abgaskanal geleitet
wird.
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Die Verwendung von Drehschiebern zur Steuerung des Gaswechsels einer
Verbrennungskraftmaschine ist an sich seit langem bekannt (Zeitschrift ATZ 1955,
Seiten 164 - 170; DT-OS 1 751 506; DT-OS 1 929 789; Zeitschrift L'AUTO JOURNAL,
1967, Nr. 42, Seite 23). Diese bekannten lrehschiebersteuerungen, bei denen entweder
für den Einlaßkanal und den Auslaßkanal ein gemeinsamer Drehschieber oder sowohl
für den Einlaßkanal als auch für den Auslaßkanal je ein besonderer Drehschieber
vorgesehen ist,dienen ausschließlich für die Steuerung des Gaswechsels im Zylinder
der Verbrennungskraftmaschine , Im- Zusammeahang mit der Zuführung von Frischluft
(Sekundärluft) für eine der Terbrennungskraftmaschine nachgeschaltete Nachverbrennungsvorrichtung
sind sie nicht bekanntgeworden.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten schematischen Ausführungsbeispieles
werden die Erfindung und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung erläutert.
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In der Zeichnung zeigen Figur 1 in schematischer Darstellung die Anordnung
einer Verbrennungskraftmaschine mit einer zwischen Abgasleitung und Auspuff liegenden
Nachverbrennungsvorrichtung, Figur 2 den oberen Bereich eines Zylinders der Verbrennungskraftmaschine
in geschnittener Darstellung und Figur 3 eine Schnittdarstellung des in Figur 2
gezeigten oberen Zylinderbereiches entlang der Schnittführung III.
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In Figur 1 ist mit 17 eine VerbrennungskrafLmaschine bezeichnet.
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Die einzelnen Auspuffkrümmer 22, welche mit den Abgaskanälen der zugeordneten
Zylinder verbunden sind, sind an eine Abgassammelleitung18 angeschlossen. Diese
Abgasleitung mündet in einer Nachverbrennungsvorrichtung 19, beispielsweise einem
mit einer Katalysatormasse gefüllten Katalysator, in welcher die Nachverbrennung
der brennbaren Abgasbestandteile stattfindet.
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Der Nachverbrennungsvorrichtung 19 ist in üblicherweise ein Schalldämpfer
20 nachgeschaltet, der über eine Auspuffleitung 21 ins Freie führt. Wie bereits
eingangs ausgeführt wurde, wird zur lNachverbrennung deSr brennbaren Abgashestandteile
Sauerstoff, z. B. in Form von Frischluft, benötigt.
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Erfindungsgemäß wird diese benötigte Frischluft direkt durch die als
Drehschieber ausgebildete Steuerung der Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung
gestellt. Die besondere Ausgestaltung dieser Steuerung ist in den Figuren 2 und
3 im einzelnen dargestellt. Gezeigt ist der obere Bereich eines einzigen Zylinders
1 der Yerbrennungskraftmaschine. Die übrigen nicht dargestellten Zylinder der Verbrennungskraftmaschine
sind in entsprechender Weise ausgebildet. In dem durch eine Flüssigkeitskuhlung
14 gekuhlten Zylinder 1 ist in üblicher Weise ein Kolben 2 angeordnet, welcher sich-im
Ausführungsbeispiel gerade im oberen Totpunkt befindet. In den über dem Kolben 2
liegenden Brennraum 23 ragt die Elektrode einer Zündkerze 8 hinein. Der Gaswechsel
im Zylinder 1 wird erfindungsgemäß in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines walzenförmigen
Drehschiebers 5 durchgeführt, welcher sowohl den Ansaugvorgang als auch den AusstoM-vorgang
steuert. Er übernimmt somit sowohl die Funktion des Einlaßventils als auch des Auslaßventils
von üblichen ventilgesteuerten Verbrennungskraftmaschinen. Der Drehschieber 5 ist
im Sylinderkopf 7 senkrecht zur Achse des Zylinders 1 liegend zwischen dem Ansaugkanal
3 und dem Abgaskanal 4 angeordnet. Er besitzt eine tangential verlaufende Steueröffnung
6 und ist so angordnet, daß je nach seiner Drehstellung eine Verbindung zwischen
dem Ansaugkanal 3 und dem Innern des Zylinders 1, eine Trennung des Zylinders 1
vom Ansaugkanal 3 und vom Abgaskanal 4 oder aber eine Verbindung zwischen dem Abgaskanal
4 und dem Innern des Zylinders 1 hergestellt wird. Die Drehrichtung des gleichförmig
umlaufenden Drehschiebers ist durch einen Pfeil angedeutet. Dabei sind die Drehung
des Drehschiebers und die Bewegung des Kolbens in bekannter Weise so aufeinander
abgestimmt, daß der Ansaug-, derKompressions-, der Arbeits- und der Ausstoß takt
in bekannter Weise ablaufen können. In den mit dem nicht-nahex dargestellten Ansaugkr.mmer
in Verbindung stehenden Ansaugkanal 3 ragt die Einspritzdüse 12 einer Brennstoffeinspritzung
hinein. Die gezeigte Lage ist nicht zwingend. Grundsätzlich
könnte
die Erennstoffeinspritzung auch direkt in den Brennraum 23 vorgenommen werden. Dann
wäre jedoch eine Hochdruck-Einspritzdäse erforderlich. Die Abdichtung des Drehschiebers
5 gegen den Brennraum 23 des Zylinders 1 erfolgt mit Hilfe von Dichtungen 13.
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Figur 3 zeigt eine Schnittdarstellung des Zylinderkopfes entlang der
Schnittfahrung III. Der im Zylinderkopf 7 angeordnete nrehschieber 5 ist -im Vergleich
zu Figur 2- um 900 gedreht gezeichnet. Deutlich erkennbar ist die tangentiale Steueröffnung
6 im Steuerschieber. Der Steuerschieber selbst ist mit seinen beiden Lagerzapfen
9 über Wälzlager 10 im Zylinderkopf 7 drehbar gelagert. Radial-Dichtungan 11 übernehmen
die Abdichtung nach außen.
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Erfindungsgemäß sind der mit dem nicht näher dargestellten Ansaugkrümmer
verbundene Ansaugkanal 3, der mit dem Auspuffkrümmer 22 verbundene Abgaskanal 4
und der Drehschieber so ausgebildetund in ihren Abmessungen aufeinander abgestimmt,
daß zwischen dem Ansaugkanal 3 einerseits und dem Abgaskanal 4 andererseits zumindest
annähernd während der ganzen Zeit, in welcher das Innere des Zylinders 1 infolge
der Drehstellung des Drehschiebers 5 sowohl vom Ansaugkanal 3 als auch vom Abgaskanal
4 getrennt ist, eine durchgehende Verbindung besteht.
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Figur 2 zeigt gerade einen Ausschnitt aus dieser Betriebsphase. Durch
diese Bemessung der Bauteile ist gewähieistet, daß die während des Ansaugtaktes,
bei dem der Drehschieber eine Verbindung zwischen dem Ansaugkanal 3 und dem Innern
des Zylinders 1 herstellt, im Ansaugkanal 3 strömende, beschleunigte Frischluft
nach Beendigung des Ansaugtaktes, bei dem die Verbindung zws chen Ansaugkanal 3
und Brennraum 23 durch den Drehschieber unterbrochen wird, in den Abgaskanal 4 und
damit in den AbgaskrUmmer 22 bzw. die iJçhverbrennungsrvorrichtung ty weitergeleitet
wird. Diese Verbindung zwischen dem Ansaugkanal 3 und
dem Abgaskanal
4 bleibt während des Kompressions- und des Arbeitstaktes, d. h. für eine relativ
lange Zeit, erhalten.
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Zur Verdeutlichung sei erläutert, daß der Kompressionstakt etwa beginnt,
wenn die Anlaufkante 51 des Drehschiebers 5 die Ablaufkante 72 des Brennraums 23
erreicht hat und daß der Arbeitstakt beendet ist und der Ausstoßtakt beginnt, wenn
die Ablaufkante 52 des Drehschiebers 5 etwa die Anlaufkante 51 des Brennraums 23
erreicht hat. Man erkennt, daß die Steueröffnung 6 unter Berücksichtigung der Abmessungen
des Ansaugkanals und des Abgaskanals so bemessen ist,daß zumindest angenähert in
dem Moment, in dem die Anlaufkante 51 des Drehschiebers 5 die Ablaufkante 72 des
Brennraums 23 erreicht, die Ablaufkante 52 des Drehschiebers 5 eine Verbindung zwischen
dem Ansaugkanal 3 und dem Abgaskanal 4 freigibt. Die anfangs nur kleine iurchgangsverbindung
vergrößert sich zunächst mit dem Weiterdrehen des Drehschiebers, bis sie -wie in
Figur 2 dargestellt- ihre größte Durchgangsöffnung erreicht hat, um sich anschließend
mit weiterer Drehung des Drehschiebers wieder zu verkleinern. Durch den Pfeil ist
in Figur 2 die vom Ansaugkanal 3 in den Abgaskanal 4 einströmende Frischluft angedeutet.
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Durch den Einsatz des Drehschiebers als Steuereinrichtung für den
Gaswechsel und durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Drehschiebers wird der
über den Abgaskrümmer 22 mit dem Abgaskanal 4 in Verbindung stehenden Nachverbrennungsvorrichtung
19 ausreichend Frischluft zugeführt, so daß die brennbaren Abgasbestandteile einwandfrei
nachverbrannt werden können. Besondere Pumpen, Gebläse, Ventilatoren oder Ejektoren
sind zur Förderung der benötigten Frischluft (Sekundärluft) nicht erforderlich.
Von besonderem Vorteil ist, daß die aus dem Brennraum 23 austretenden heißen Abgase
bei ihrem Austritt sofort auf die im Abgaskrümmer etc. bereits vorhandene Frischluft
treffen. Ein weiterer
wesentlicher Vorteil ist darin zu sehen, daß
der mit einer Innenkühlung 15 (Luft, Öl oder Wasser) versehene Drehschieber 5, der
insbesondere während des Auspufftaktes durch die ausströmenden Abgase stark erwärm
ird, unmittelbar danach zusätzlich durch die vom Ansaugkanal 3 in den Abgaskanal
4 strömende Frischluft gekühlt wird. Diese zusätzliche intensive Kiihlung des Drehschiebers
ist auch dann von besonderem Vorteil, wenn der Drehschieber zur Steuerung des Gaswechsels
verwendet wird, ohne daß der Verbrennungskraftmaschine eine Nachverbrennungsvorrichtung
nachgeschaltet ist.