DE7119909U

DE7119909U - Viertaktmotor

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Publication number: DE7119909U
Application number: DE19717119909U
Authority: DE
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1970-05-25
Filing date: 1971-05-21
Publication date: 1975-12-18
Also published as: CA952778A; BR7103132D0; CH530554A; FR2091797A5; ES391375A1; SE360704B; NL7107046A; GB1294821A; DE2125368A1

Description

Viertaktmotor

Die !Teuerung betrifft einen Viertaktmotor mit einer Nocken und Nockenwelle betätigten Ein- und Auslaßventilsteuerung zur Verringerung schädlicher Bestandteile in den Verbrennungsprodukten.

Nach der französischen Patentschrift 1 274- 755 i?t es bekannt, zur Verminderung der giftigen Bestandteile des Abgases vcn Brennkraftnaschinen die Abgase über das Auslaßventil in den Zylinderraum zurückströmen zu lassen. Die Rückströmung der Verbrennungsprodukte wird bei diesem Verfahren durch eine entsprechend groß gewählte Ventilüberschneidung erreicht. Weiterhin ist es r.aoc der französischen Offenlegungsschrift 20^0 506 bekannt, daß zur Verbesserung der reaktionskinetis~hen Wirkungen und zur Temperaturerhöhung im Zylinder ein Teil aer Abgase durch Wiederöffnen des Auslaßventils im. zweiten Teil des Ansaugtaktes zurückgeführt wird.

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" Ί.1

Bei anderen bekannten Verfahren wird ein Teil der Verbrennungsprodukte vcn Abgassammler oder Auspuffrohr des Motors abgezogen und, gewöhnlich nach dein Abkühlen und Abmessen, in den Ansaugkanal oder den Vergaser eingeleitet. Das wird nachfolgend mit "äußerer Rückführung" bezeichnet. Dadurch soll der Stickoxid-Anteil in Abpas merklich abnehmen. Wahrscheinlich entsteht diese Abnahme, weil das Abgas sich inert verhält und die Temperaturspitzen der brennenden Gase in den Zylindern herabsetzt. Die inerten Bestandteile, die das Abgas ausmachen, verdünnen anscheinend das Eraftstoff/Luft-Gemisch scveit, daß die Bildung fön Stickoxiden begrenz wird.

Die äußere Rückführung der Abgase durch die verschiedenen Regeleinrichtungen und Blenden verursacht jedoch andere Schwierigkeiten, z. B. Ablagerungen im Einlaß sy st ein und dgl. Außerdem versagt die äußere Rückführung nicht nur in der Herabsetzung des Anteils unverbrarmter Kohlenwasserstoffe sondern erhöht den CE-Anteil im Abgas beträchtlich, wie eigene Versuche ergeben haben.

Demgegenüber sieht die Erfindung ein System der "inneren Rückführung" vor, bei dem das Abgas über das Auslaßventil in den Zylinder zurückströmt;, indem man einfach eine geregelte und vorbestinzite Menge heißes Abgas während des Ansaughubs von der Auspuffleitung in den Zylinder einl-äßt. Das kann geschehen durch ein begrenztes öffnen . des beschlossenen Auslaßventils während des Ansausrtakts, so ds3: eine relativ geringe, vorbestimmte Menge der verbrämten Gase zu^arcen mit dem Jrischgas£e~isch in den Zylinder gesaugt wird. Dieses läßt sich in einfachster //eise erreichen, iniem der aas Auslaßventil steuerr.de -7oc>en. mit einer zusätzlichen Erhöhung versehen "wird, die so ausgebildt it dß d Ende ass Auslaßhubs völlig geschlossene

- 2a -

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= 2 s:-

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, die gesundheitsschädlichen Bestandteile in den Verbrennungsprodukten und insbesondere den Anteil der Abgase an Stickoxid weiter zu verringern.

Die neue Raumform des Viertaktiaotors besteht im wesentlichen in der besonderen Ausbildung der Nockenform für die Steuei-ung des Auslaßventils. Die neue Nockenausbildung umfaßt sowohl die Zahl der Nockensteuerflächen, die für den erfindungsgemäßen zweimaligen Hub des Auslaßventils erforderlich sind, als auch die bestimmte räumliche Anordnung der Steuerflächen zueinander. Diese sollen nämlich so gewählt werden, daß die Öffnungsdauer und der Öffnungszeitpunkt des Auslaßventils innterhalb kürzester Zeit eine maximale Ausströmung der Abgase ermöglicht.

Nach dem Vorschlag der vorliegenden Neuerung soll der Zeitpunkt des Viederöffnens des Auslaßventils während des ersten Teils des Ansaugtaktes erfolgen. Unter Verwendung der bei Ventilsteuerungen üblichen Angaben in Kurbelwinkelgraden ist die neue Nockenform für das Auslaßventil durch den Beginn der Hubfläche des Nebennockens (etwa 20° hinter dem Ende der Schließfläche des Hauptnockens) und dem Ende der Hubfläche des Nebennockens (nach etwa 130° is. Kurbeldrehrichtung) gekennzeichnet.

Die Ausdehnung der Hubfläche des Nebennockens ist aber nicht allein maßgeblich für den durch die Raumform erzielbaren technischen Erfolg. Hinzukommt, daß während der kurzzeitigen Wiederöffnung des Auslaßventils nur ein Bruchteil des normalen Ventilhubs erreicht wird. Dadurch wird bei einem günstigen Zeitquerschnitt der Ventilsteuerung zwischen Auslaßventil und Ventilsitz ein möglichst lang andauernder Kontakt hergestellt, um einen guten Wärmeübergang aus dem heißen Auslaßventil in den Zylinderkopf zu garantieren.

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Die erfindungsgemäße "innere Rückführung" der Abgase ist nicht nur bei den verbreitetsten Motoren-möglich, die ein gewöhnlich gasförmiges Kraftsotff/Luft-Gemisch ansaugen, sondern auch bei solche, die Luft ansaugen, in die der Kraftstoff flüssig eingespritzt wird.

Sie neue Ventilsteuerung ist durchführbar, v?eil der im Zylinder herrschende Druck, zumindest zu Beginn des Einlaßoder Ansaugtakts, gewöhnlich niedrig ist, d. h. beträchtlich unter dem Atmosphärendruck liegt. Auf der anderen Seite ist der Druck im Abgassystem, also am Auslaß, selbst dann notwendigerweise höher als der Atmosphärendruck, wenn der Auspuff durch Strömungshindernisse, wie Schalldämpfer und dgl. wenig behindert ist. Deshalb läßt bloßes öffnen des Auslaßventils während des Einlaßtakts, vorzugsweise kurz vor der Mitte des Takts, wenn der abwärtsgehende Kolben seine größte Geschwindigkeit erreicht hat, eine geregelte und vorbestimmte Menge, die von den Öffnungszeiten der Ventile, ihren Hubhöhen, dem Druck im Auspuffsammler und dgl. abhängt, der heißen Auspuffgase zurückströmen.

Dadurch wird nicht allein der Stickoxidgehalt im Abgas vermindert, sondern auch der Anteil unverbrannter GH-Verbindungen im Abgas drastisch herabgesetzt.

Von der FR-PS 1 274- 753 unterscheidet sich das vorliegende Verfahren dadurch, daß die teilweise Rückführung der Verbrennungsprodukte nicht durch eine entsprechend groß gewählte Ventilüberschneidung erreicht wird, sondern durch kurzzeitiges Öffnen des bereits geschlossenen Auslaßventils während des ersten Teil des Ansaugtaktes um einen Bruchteil seines normalen Hubes erfolgt. Gegenüber der FR-OS 2 OiO 506 ist der Zeitpunkt des Viederöffnens des Auslaßventils anmeldungsgemäß während des ersten Teils des Ansaugtaktes anstatt während des zweiten Teils des Ansaugtaktes im bekannten Falle vorzunehmen.

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Die Neuerung" sei an einen Ausführungsbeispiel und anhand dei* Zeichnung weiter erläutert. Darin ist

• *

Figur 1 eine schesatischö, teilvrsise geschnittene Seitenansicht des Zylinderkopis eines erfindungsgeoiäß abgeänderten üblichen Verbrennungsmotors und

Figur 2 ein typisches Diagramm der Ventilschließzeiten, in dem die öffnung von Einlaß- und Auslaßventil über einem vollständigen Arbeitsspiel aufge-

tragen is

In der Fi-gur 1 ist der Zylinder 10 eines Motors mit einem Einlaßventil 12 und einem Auslaßventil 14 versehen, beide in der üblichen Teller- oder "TuIpen"-Form.

Der Verbrennungsraum 16 enthält einen auf-und abgehenden Kolben 18. Die Ventile 12 und 14 stehen mit Einlaß- 20 und Ausla--kanälen 22 in Verbindung, die ihrerseits nit einer: An-V^" saugrohr (nicht abgebildet) und dem Abgassa-nelrohr 26 verbunden sind.

Die Ventile 12 und 14 werden von docken 32 und 34 auf einer Kockenwelle 36 betätigt und sviar unmittelbar oder über einen der üblichen Tentiitriebe, der Stössel, Stoßstangen, Sipphebel und dgl. enthalten kann.

Die Ssuforzi nach Figur "1 ist daher 21t Ausnahme einer besonderen Erhöhung 35 auf dem recken 34 für css Auslaßventil, völlig herkezi-iieh.

Die V/irkunr des zusätzlicher. Jicckens 3Ξ auf die nechanische

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:* :.!.- ::· ;■ · : cten 1oC° K"..* mit >c^ve:itio^cll er ?.·:';- :-.:-, ν.-:- l:\._~. J-^r. 7c.*r\'*:-r. :".:■/ '-? vric '--r; O=. rc·?': ".i ~. I" • : :t^rr T;:l closer Zeitr-auns \>er:ert sich cer Kolben Ί8 vcs ~; Ir.^: . · '.:^· "*■ \:er v.i.z caii£;t frisches ILrai^ctoil/Luft-Seiäiscji γ.;.. V,*:";.--. i dif-ycr Arceltstektes erreicht der Eolben i8 r: 'rr.:.t?:c·:. rc-ir.e r.öchste" Llneargeschrrinäigkeit kurz V02? cem ■.'. · *-^%;rvc ^-O.

j r rc: r : ":.rcl"cr'"er. Zcraoressions-, Z-ünc- und Exp^ansions— t'; :ter. ITeib^r. "bc-ir.e Ventile |teschlossen. Dann öffnet das A:r . r "ver.til V*, v; · e Earve 42 iiiederciot, und läßt das ver— c'':.r.to > r ir. con Abgassainaler 26 ausströnen.

Οι.νζ-ΐ-.'.-'Λ'Τζ·'. izir^:. -'ür diesen ViertalctEcrtor ist ferner eine >.::r.c t/t-crscfcneidicg ~,v;ischen den Cffnxmgszeiten d-^s Einlaßi.;.-: A-.:.'lr:.'.v.·:; „-?: s, die ganz links in Figur 2 angedeutet, ,. .ι._;Γ v«-;rf?hrcr! der Erfindung: jedoch ohne Bedeutung ist.

J- eic c.^:: v;o.'or.tliches Element der Erfindung darstellt, :: ..'. ':.'.·'„or.* v:?;'r>n, doIi am Ence des Aucla.itaktes das Auslaßv :.ri: v'J . i - in ceinen. Sitz eingerostet und reschlosren ' . ■ ·.:: ^; :·-.· ''Jr rir.c be^tiiniEte, nach 'f.;', ceneesene Deuor '. · .■■■.<·■.:■ , V-'Vf-·· "'L cen durch /lurve ^4 r.nf,eäeuteter."Lüften"

• ·■:.: -■-. ·.■■■;·". Li:- nc-, soll dtc Aijsl3.'v£T.til I^ U2 etwa 12%

• · :· :'■;·: ·■ .-V.^;· (;■·>:· ucs Cf i'nur. j3i:cr s v<^r. r.^;.nl&i;ve2:til 12 j«.·":':'::--t v;ordc:i, i/üjjinner.d etv;a 20⁰KV/ noch dem vollständigen Crr. ■ I c-'ior. ··„:.;; et·:·. 150°γΓ// lan_£~. Das Auslaßventil kann su ,^: ··<-.·· Zf-I ' ;:nc;·. cor. Schließen des Auslaßventils öffnen und

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laSryster! i;rc ;·.) der Be-

ίϋΐ Rücksicht darauf. daß äas Ausle2\^ren"cil hauptsächlich durch-Kontakt sit seinen Sitz Iu Zylinderkopf v;ährenä der SchlieS— zeit gekühlt v/ird, ist es zweckmäßig, die zusätzliche CffmingsGsuer so kixrz v/ie möglich zu halten. Das läßt sich beispielsweise erreichen, indem -nan die Hubhöhe des Ventile dem-entsprechend einstellt oder die zusätzliche Öffnungszeit an den Teil des Eolbenwegs verlegt, an dein der Unterdruck am größten ist. Aus diesem Grunde "«"ird es bevorzugt, das zusätzliche Öffnen oder Lüften des Auslaßventils, das in Figur 2 durch die Kurve 44 angedeutet ist, in den ersten Teil der Einlaßperiode zu verlegen, d„ h., in den Teil, v;o die Abwärtsbewegung des Kolbens an schnellsten erfolgt.

Aus diesem Grunde erscheint das Maximum von Kurve 44 in Figur 2 erheblich früher, als das Maxiiaun der Kurve 40. Auf diesen Teil der Eolbenwegs ir.t d:o Saugwirkung bedeutend stärker als in den spä'tei'en Teilen der; Takte*, oie dein Schließen des Einlaßventils vorangehen und v/o der Zylinder bereits stärker gefüllt und der Lruclcimtoj-cchiea ce ent sprechend gerinror ist.

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iiraftstoff und anderen Sinflu3grö2en kann der erfindungsge— sä3 zurückgeführte Anteil des Abgases erheblich schranken. Allgemein läSt sich jedoch saren, daß nach cen *erfahre" ier Erfindung nicht wesentlich mehr "3ls 25? Gew—% der gesagten Beschickung des Zylinders bei Vollast und vorzugsweise etwa 2O_5Gev7.%, zurückgeführt werden.

¥ie bereits ermähnt, bewirkt der neue Viertaktmotor nicht nur eine erhebliche Ahnahne der Stickoxide izi Acgss, sonders überraschenderweise außerdem einen Sückgang usverbrsnnter Aohienv/ssserstoffe in Abgas, der bei der ^aä.u£eren Hückx'ühruiig" nicht beobachtet v/urde. Zn der nachfolgenden Tabelle v/erden ζ"⁵—ittelte Eohlenwasserstcff- und Stickosid-Gehalte iüi Auspuffgas verglichen, die aus einer 3eihe vcn Versuchen nit einen Einzyiinder-V/aukesha-HDE-Versuchsinotcr ermittelt vfurden, dessen Ventiltrieb erfindzmgsge^aäS abgeändert vmrde, us die "innere SSckführ^jng" der Auspuff rase zu ermöglichen.

Keine

Äußere

/f

Xmere

Cg-Zohlenv/asserstoffe in: Abgas,
ppm 202

KC -Anteile, ppa 20S0

295 960

130 1GOC

Diese "ver~*? '.vurcer: erhalten cei einer Luft^enge vcn

Ll/Cui Xi._i_ ei—

^ic™er~

Der Betrieb des neuen Motors setzte dez^iach den Stickoxid-* Gehalt ua 55 ^ und in rranche'n Fällen sogar 'in 3D ?ö herab, während gleichseitig der Gehalt an ttüverbrannten Shl ser stoff en us bis ^u 35 7° zurückging-

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sich ciz~2.Lciiezr.-:ezse danit erkl = r~-n, ?·=2 es sich bei ce η zu— riickgesaugten Ac rasen uri den letzte" Teil äes v.'snrenc ces AuslaBtalrtes ans Gera Zylinder strönenden AuspuTi^ases hanli? und ciesex* Teiü irepiiä.ILiriiis-iiißi?' r^eicii si unveplrrsnii^en rstciTen ist;, weil ex· zieh~* "S^al^rBse" enöhäl"3-

die den verhäitnisnä£ig lcühlen Zylinder flächen und den Hir.gspalten um den Solben enxsta™=::. Dieses CH-reihe 3as

/*~^ Drennun£csTisxt u3gese"C2"C zu werden· <ij^l dein z.rceoni-3 £oeh~6

kühlung ein Absehrecken des Auspuffgases unterbleibt.

Ss ist jedenfalls einleuchtend, daß die bestncgliche Gelegenheit zur vollständigen Verbrennung gegeben is~, v;em sau die Abgase während des Anssugta>-es unmittelbar zurück in den Zylinder leiten.

Die neue Ventilsteuerung scheint auch zv/ei Nachteile

beitsvreise in Leerlauf des T.c-crs und Leistu:---crucl-:£:3r-£ bei Vollgas. 3iese 3c.i/jiericl:eiten waren so schv/erwierer-c, :"ε.ί

*• W — Vm W ·— ■ ^ ^v * T- - * — ^« A^ 4_r ut^. "^. 'V ·» -* — ^* »« — *--«. «^ ν·*» -j . ,ι — UJu^ «> -—■ ·— —· i/ ν »— *d/ d«%>* ■«* *· -* s?lbsttll~i-r ? Ver.tils^euerur.^; no τν.« end ir var, die die HUckführur.g ir: Leerlauf und bei Vollast abstellte.

Wenn diese Schv;ieri-rkeit i3 laerlau: d«s Actors auftritt, Iä2t sich die eri"ir.dur.£;3f;et:?'le innere ?.üc".:fUhrun~ leic.'.~

dovn rate) entsorechsnd einstellt. Hit anderen Voi^eri bewirkt bei Lesrlaufdrehsahlen eine gerade ausreiche-ce 2ück-

Ätisls3vent2.Is während des SisIaBtakts unterblsiot« -Bei höheren Brei'iahles v;ird jedoch der SesuÜerstöSel hydraulisch

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verriegelt und kann dann etwa nach den aus Figur 2 ersieht- Ij liehen Schema arbeiten. Diese Möglichkeit ergibt sich daraus, daß der Cffnungsv/eg des Auslaßventils für die erfindungsgenäße Rückführung beträchtlich jeringer sein kann, als beim normalen öffnen des Ventils und eine hohe Rücklaufgeschwindigkeit der Hydraulikflüssigkeit große Ventilwege nicht beeinträchtig:;.

Ferner nir.nt in Vollast-, insbesondere Vollgasbereich die Abras-Rückführung ab, da die Auspuffgase progressiv weniger zurückgesaugt v/erden. Bas ergibt sich aus der Tatsache, dsS die innere Rückführung der Auspuffgase unmittelbar in den Zylinder über das Auslaßventil von des Druckunterschied zwischen den Abgasen im Saunier und dem Druck ia Zylinder abhängt. Da bei höheren Belastungen die Zylinderdrucke anwachsen, ninz-x. der Rückstron des Abgases ab. Somit findet c°i^ Verfahren der Erfindung i:a allgemeinen eine selbsttätige Anpassung an die Erfordernisse is Motor auf vollkommene, natürliche «'eise statt, so daß man ohne besondere Steuerorgane in gesasüer. Arbeitsbereich besonders günstige Ergebnisse erzielt.

Weiterhin scheint ±_m Betriebszustand --^e X-sufruhe des

3c i-Vi*_n ~ — ■ ^ce2- <j en ^e — -»ra 'en.. τ\ ^* ebenen clas ~ *""" ~* — -^ . ^. ^* —^ ^

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rgs du2?3n die relsti-v kleine öffnung ströme, >/e2.cne das Ventil w'ihrend der Rückführunsr bietet.

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Claims

τ 71 017J; Schutzanspruche

1) Viertaktmotor mit einer über Socken -und Nockenwelle betätigten Ein- und Auslaßventilsteuerung zur Verringerung schädlicher Bestandteile in den Verbrennungsprodukton, " dadurch gekennzeichnet, daB eine zusätzliche Erhebung (38) als Bebennocken auf dem zur

Steuerung der Auslaßventile dienenden Hauptnocken (3²O

der Nockenwelle (36) angebracht ist.

2) Viertaktmotor nach Anspruch 1, dadurch g e kennzei chnet, daß die Nocke für das Auslaßventil se aurgebildet ist, daß-bezogen auf den Kurbelwinkel des Vi«rtaktniotors-die Hubfläche des Ifebennockens (38) etwa 20° nach dem Ende der Schiießfläene des Hauptnockens (3^) beginnt, bis auf eine maximale Höhe kontinuierlich anwächst und nach insgesamt etwa ί30° toirbelwinkel in die Schließebene des Auslaßventil-Hauptnockens (34) ausläuft.

3) Viertaktmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Hubhöhe des Nebennockens (38) etwa 12 % der maximalen Höhe des Hauptnockens beträgt.

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