DE4012471A1 - Gemischverdichtende brennkraftmaschine, insbesondere zweitaktmaschine, mit brennraumspuelung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gemischverdichtende Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Wie beispielsweise die Beschreibungseinleitung der DE-OS 19 20 751, F02B, 25/20, belegt, besteht bei Brennkraftmaschinen mit Überschnei­ dung der Öffnungszeiten oder -phasen von Ein- und Auslaßventilen, wie sie sich in starkem Maße bei Zweitaktmaschinen findet, die Gefahr, daß ein Teil des zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemischs bei oder unmittelbar nach dem Transport von Abgas durch das Aus­ laßventil unverbrannt in das Abgassystem der Maschine gelangt. Die einfachste Gegenmaßnahme wäre verständlicherweise das Besei­ tigen der Ventilüberschneidungszeiten, jedoch sind dem bei eine übliche Konstruktion bzw. eine übliche Ventilsteuerung besitzen­ den Brennkraftmaschinen durch die gewünschte Leistungsausbeute und die dazu erforderlichen Ladungswechselzeiten Grenzen gesetzt.

In der genannten Offenlegungsschrift wird daher vorgeschlagen, in den Einlaßkanal in Strömungsrichtung vor dem Einlaßventil außer einer Gemischleitung eine Druckluftleitung einmünden zu lassen, die dafür sorgt, daß sich während der Schließphase des Einlaßven­ tils vor diesem ein Druckluftpolster aufbaut, das dann während der Spülphase, also während der Ventilüberschneidungszeiten, Abgas aus dem Brennraum in das Auslaßsystem drückt; erst anschließend, also nach Beendigung des Spülvorgangs, gelangt dann Kraftstoff-Luft- Gemisch in den Brennraum.

Da eine saubere Trennung zwischen Luft und Gemisch in dem gemein­ samen Einlaßkanal dieser bekannten Konstruktion zumindest in einem großen Drehzahlbereich, wie er bei Antriebsmaschinen für Kraftfahr­ zeuge vorliegt, nur schwer sicherzustellen ist, sieht die gemisch­ verdichtende Zweitaktbrennkraftmaschine, die die Merkmale des Oberbegriffs des Hauptanspruchs aufweist, nach der DE-OS 38 16 331, F02B 25/20, getrennte Einlaßkanäle für Spülluft einerseits und Kraftstoff-Luft-Gemisch andererseits vor, deren Öffnungszeitpunkte so gewählt sind, daß das für die Gemischzufuhr verantwortliche zweite Einlaßventil erst nach Öffnen des die Spülluftzufuhr be­ wirkenden ersten Einlaßventils öffnet. Damit ist sichergestellt, daß bei geöffnetem Auslaßventil in den Brennraum zunächst nur über einen Lader gelieferte Druckluft gelangt, so daß allenfalls Luft neben den Abgasen in das Auslaßsystem strömt, und daß erst anschließend durch dann erfolgendes Öffnen des zweiten Einlaßventils Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum gelangt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Brenn­ kraftmaschine unter Wahrung ihrer vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich der Spülung unter Vermeidung eines Gemischübertritts in das Auslaßsystem weiter zu verbessern.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeich­ nenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Lehre erschöpft sich also nicht darin, das zweite Einlaßventil, also den Gemischeinlaß, praktisch erst bei geschlossenem Auslaßventil und damit nach Beendigung der Spülphase zu öffnen, sondern trägt zugleich der Tatsache Rechnung, daß durch diese Maßnahme, wie bereits oben angedeutet, die Gemischeinlaß­ phase gegebenenfalls unzulässig kurz wird und bei geschlossenem Auslaßventil bei einer Zweitaktmaschine der Kolben brennraumvolumen­ verkleinernd arbeitet und dadurch das im Brennraum befindliche Gas komprimiert. Um dennoch die erforderliche Gemischmenge in den Brennraum gelangen zu lassen, sieht die Erfindung ferner vor, das erste Einlaßventil, das heißt den Spüllufteinlaß, vor dem Öffnen des zweiten Einlaßventils (Gemischeinlaß) zu schließen, so daß insbesondere bei stetig fördernder Luftpumpe für beide Einlaßkanäle infolge Fortfalls des Einströmquerschnitts des ersten Einlaßventils im Bereich des zweiten Einlaßventils ein relativ hoher Druck ansteht. Um diese Wirkung schnell zu erzielen, ist es zweckmäßig, das Volumen der Einlaßkanäle zwischen der Luft­ pumpe und den Einlaßventilen klein zu halten.

An dieser Stelle sei eingefügt, daß als Luftpumpe verschiedene bekannte Einrichtungen Einsatz finden können, insbesondere mechanisch von der Brennkraftmaschine angetriebene Lader oder eine Kurbel­ kastenpumpe.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 teilweise im Längsschnitt, einen Brennraum einer Brennraummaschine sowie die wesentlichen Bestand­ teile der Erfindung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Maschine nach Fig. 1 und

Fig. 3 das Steuerdiagramm der Ventile der Maschine.

Der Zylinder der allgemein mit 1 bezeichneten Brennkraftmaschine, die nach dem Zweitaktprinzip arbeitet, ist mit 2 bezeichnet; er ist in Richtung nach oben durch den Zylinderkopf 3 abgeschlossen. In dem Zylinder 2 gleitet der Hubkolben 4, der in üblicher Weise über das Pleuel 5 mit der Kurbelwelle 6 verbunden ist.

Der in Fig. 1 nahe seiner OT-Stellung gezeichnete Kolben 4 defi­ niert die Größe des Brennraums 7, in den die Zündkerze 8 hinein­ ragt und in den in diesem Ausführungsbeispiel je zwei Einlaßkanäle 9 und 10 sowie zwei Auslaßkanäle 21 und 22 einmünden. Den Einlaß­ kanälen 9 und 10 sind Einlaßventile 11 und 12 sowie gesonderte, als Leistungsstellglied verwendete Drosselklappen 13 und 14 zuge­ ordnet. Im folgenden wird der Einlaßkanal 10 als erster Einlaß­ kanal mit dem ersten Einlaßventil 12, dagegen der Einlaßkanal 9 als zweiter Einlaßventil mit dem zweiten Einlaßventil 11 bezeich­ net. Die Einlaßkanäle aller Zylinder der Brennkraftmaschine münden in die gemeinsame Einlaßleitung 15 ein, in der in Strömungsrich­ tung hinter dem Luftfilter 16 der Lader 17 liegt. Zwischen diesem und den Einlaßkanälen 9 und 10 kann in üblicher Weise auch ein Ladeluftkühler vorgesehen sein. Dargestellt ist in den Fig. 1 und 2 im Zuge der gemeinsamen Einlaßleitung 15 das Speicher­ volumen 18 mit vorgeschaltetem, als Zungenventil ausgebildetem Rückschlagventil 18′.

Damit im Teillastbereich der Brennkraftmaschine bei im wesentlichen geschlossenen Drosselklappen 13 und 14 eine Entlastung des Laders 17 und damit der für diesen erforderlichen Antriebsleistung erreicht wird, ist in diesem Ausführungsbeispiel die den Lader umgehende Bypaßleitung 19 vorgesehen, in der ebenfalls ein Steuergerät 20 in Form einer Drosselklappe angebracht ist; diese wird so gesteu­ ert, daß sie zu den Bewegungen der Drosselklappe 13 und 14 gegen­ sinnige Bewegungen ausführt.

In dem angenommenen Ausführungsbeispiel weist der Zylinderkopf 3 für den betrachteten Brennraum 7 zwei Auslaßkanäle 21 und 22 auf, denen Auslaßventile 23 und 24 zugeordnet sind. In diesen Kanälen oder in einer allen Auslaßkanälen gemeinsamen Auslaßleitung kann ferner ein beispielsweise als Drehschieber ausgebildetes Drossel­ organ 25 vorgesehen sein, das in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine verstellbar ist. Es kann dazu dienen, durch entsprechende Drosselung der Auslaßkanäle ein zu starkes Überströ­ men von Spülluft in die Abgasanlage zu verhindern.

Wesentlich ist, daß nur dem zweiten Einlaßkanal 9 (sofern nicht eine Vergasermaschine vorliegt) ein Kraftstoffeinspritzventil 26 üblicher und daher nicht zu beschreibender Bauart zugeordnet ist, während der erste Einlaßkanal 10 nur Luft führt. Das Ein­ spritzventil arbeitet in diesem Ausführungsbeispiel kontinuierlich, so daß es dafür sorgt, daß auch während der Schließphasen des zweiten Einlaßventils 11 in dem zweiten Einlaßkanal 9 ein Kraft­ stoff-Luft-Gemisch gebildet wird.

Die verschiedenen Ventile werden so gesteuert, daß sie während jedes Arbeitszyklus, also bei einer Zweitaktmaschine während 360° Kurbelwinkel, jeweils einmal geöffnet und geschlossen werden, und zwar im Bereich des unteren Totpunktes des Kolbens. Um eine Spülung des Brennraums zu erreichen, ist es dabei erforderlich, daß sich Ein- und Auslaßöffnungszeiten überschneiden. Damit während dieser Ventilüberschneidung kein Kraftstoff in die Auslaßkanäle 21 und 22 gelangt, sieht die Erfindung eine solche Steuerung der verschiedenen Ventile vor, daß während der Öffnungszeit der Aus­ laßventile 23 und 24 zum Spülen nur das erste Einlaßventil 12 geöffnet ist und demgemäß Spülluft in den Brennraum und gegebenen­ falls in die Auslaßkanäle 21 und 22 strömt, während das zweite Einlaßventil 11 die Gemischzufuhr zum Brennraum 7 erst dann freigibt, wenn die Auslaßventile 23 und 24 schließen. Haben die beiden Aus­ laßventile 23 und 24 unterschiedliche Schließzeitpunkte, öffnet das zweite Einlaßventil 11 erst dann, wenn das zuletzt schließende Auslaßventil zumindest im wesentlichen geschlossen ist.

In Fig. 3 sind schematisch die verschiedenen Betätigungszeitpunkte der Ventile dargestellt: Der Pfeil deutet die Richtung eines Ar­ beitszyklus der Maschine, ausgehend vom oberen Totpunkt OT des Kolbens 4, an. Bei A _ö öffnen die Auslaßventile 23 und 24, bei E 1 _ö öffnet das erste Einlaßventil 12 und gibt damit die Spülluft­ zufuhr zum Brennraum 7 frei. Erst nach Schließen der Auslaßventile zum Zeitpunkt (bzw. bei dem Kurbelwinkel) A _s öffnet im Zeitpunkt E 2 _ö das zweite Einlaßventil 11 und gibt damit die Gemischzufuhr frei. Wie das Diagramm nach Fig. 3 veranschaulicht, ist dadurch zwar der Gemischübertritt in die Auslaßleitungen 21 und 22 mit Sicherheit vermieden, jedoch ist die Öffnungsphase des zweiten Einlaßventils 11, das bei E 2 _s schließt, sehr kurz geworden, so daß Schwierigkeiten hinsichtlich der Zuführung der erforderlichen Gemischmenge zum Brennraum 7 auftreten können. Daher erfolgt das Schließen des ersten Einlaßventils 12 zum Zeitpunkt oder Winkel­ wert E 1 _s bereits vor dem Schließen des zweiten Einlaßventils 11 (bei E 2 _s ), so daß eine Phase vorliegt, in der nur das zweite Ein­ laßventil 11 geöffnet ist und demgemäß nur eine Gemischzufuhr erfolgt. Da in dieser Phase demgemäß der Strömungsquerschnitt für die vom Lader 17 komprimierte Luft verringert wird, erhöht sich der Druck im Bereich des zweiten Einlaßventils 11, so daß der Gemischdurchsatz durch den Einströmquerschnitt erhöht wird. Dies kann dadurch unterstützt werden, daß die beiden Einlaßka­ näle 9 und 10 vorgeschaltete gemeinsame Einlaßleitung 15 als langes Rohr ausgebildet wird, so daß sich aufgrund der Gasgeschwindigkeit in diesem Rohr bei schließendem ersten Einlaßventil 12 ein Gasstau ausbildet, der zu einer dynamischen Druckerhöhung vor dem zweiten Einlaßventil 11 führt.

Auf das Vorhandensein des Speichervolumens 18 und des Rückschlag­ ventils 18′ wurde bereits oben hingewiesen. Durch diese Einrich­ tungen wird erreicht, daß in der Kompressions- und Expansionsphase des Brennraums das Speichervolumen 18 mit Druckgas gefüllt wird und der Druck im zweiten Einlaßkanal zwischen zweitem Einlaßven­ til 11 und Rückschlagventil 18′ beim Öffnen des ersten Einlaßven­ tils 12 nicht abfällt.

Infolge der Lastregelung durch die Drosselklappen 13 und 14 besteht gegebenenfalls die Gefahr, daß im Brennraum 7 ein hoher Restgas­ anteil vorliegt, also die Spülung relativ schlecht ist. Damit dennoch keine Schwierigkeiten bezüglich der Zündung des Gemischs auftreten, ist es zweckmäßig, das zweite Einlaßventil 11 bezüg­ lich der Zündkerze 8 so anzuordnen und gegebenenfalls so auszu­ bilden, daß ein Schichtladeeffekt auftritt, also trotz mageren Gemischs in den übrigen Bereichen des Brennraums 7 an der Zünd­ kerze 8 ein relativ fettes Gemisch vorliegt.

Ergänzend sei darauf hingewiesen, daß zur Lastregelung auch andere bekannte Maßnahmen, wie Arbeitszyklenausblendung, Steuerzeitenver­ stellung und Ventilabschaltung herangezogen werden können, damit Restgasprobleme im Teillastbetrieb vermieden sind.

Mit der Erfindung ist demgemäß eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine geschaffen, bei der trotz Vermeidung von Ventilüberschneidungen, die zum Ausströmen von Frischgas führen könnten, eine ausreichende Gemischzufuhr zum Brennraum sichergestellt ist.

Claims (6)

1. Gemischverdichtende Brennkraftmaschine, insbesondere Zweitakt­ maschine, mit zumindest einem Auslaßventil und zwei Einlaß­ ventilen je Brennraum, von denen ein erstes Einlaßventil am Ende eines nur Luft zuführenden ersten Einlaßkanals und das zweite Einlaßventil am Ende eines nur Kraftstoff-Luft-Gemisch zuführenden zweiten Einlaßkanals liegt und deren Ventilsteuerungen zwecks Brennraumspülung bei geöffnetem Auslaßventil ohne Gemisch­ abströmung durch dieses derart ausgelegt sind, daß das zweite Einlaßventil nach dem ersten Einlaßventil öffnet, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das zweite Einlaßventil (11) erst im Bereich des Schließens des Auslaßventils (23, 24) öffnet und nach Schlie­ ßen des ersten Einlaßventils (12) schließt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beiden Einlaßkanälen (9, 10) eine Einrichtung nach Art einer stetig fördernden Luftpumpe (17) zugeordnet ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (17) in einer beiden Einlaßkanälen (9, 10) vorgeschalteten gemeinsamen Einlaßleitung (15) liegt, deren Länge zwischen der Einrichtung (17) und der Abgangsstelle der Einlaßkanäle (9, 10) derart bemessen ist, daß beim Schließen des ersten Einlaßventils durch Stau eine dynamische Druckerhöhung im Bereich des zweiten Einlaßventils (11) auftritt.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Einlaßventil (11) ein Speicher (18) und diesem ein Rückschlagventil (18′) vorgeschaltet ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil als Zungenventil (18) ausgebildet ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Einlaßventil (11) bezüglich einer Zündkerze (8) schichtladungserzeugend angeordnet ist.