DE102013200630A1 - Method for operating engine system with internal combustion engine for motor car, involves introducing compressed air from compressed air source to end of exhaust stroke and prior to beginning of combustion cycle - Google Patents

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Abstract

The method involves operating an internal combustion engine (2) in a two-stroke operation with directly consecutive combustion and exhaust strokes. A fuel-air mixture is ignited in a combustion chamber (31) of a cylinder (3) of the engine in a combustion cycle. Combustion exhaust gases are expelled by a compression movement of a piston (32) in the cylinder from the combustion chamber in an exhaust stroke. Compressed air is introduced from a compressed air source (11) to an end of the exhaust stroke and prior to the beginning of the combustion cycle. Independent claims are also included for the following: (1) an apparatus for operating an engine system (2) an engine system (3) a computer program comprising a set of instructions for operating an engine system.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren, insbesondere Verbrennungsmotoren mit Luftzuführung aus einem Druckbehälter.The present invention relates to internal combustion engines, in particular internal combustion engines with air supply from a pressure vessel.

Stand der TechnikState of the art

Herkömmliche Verbrennungsmotoren werden üblicherweise im Viertaktbetrieb betrieben, wobei zwei der Arbeitstakte das Einsaugen von Frischluft in den Brennraum und das Verdichten der eingesaugten Frischluft betreffen, um die Frischluft im Zylinder unter einem gewünschten Druck und in einer gewünschten Menge bereitzustellen. Conventional internal combustion engines are typically operated in four-stroke operation, with two of the power strokes relating to the intake of fresh air into the combustion chamber and the compression of the intake fresh air to provide the fresh air in the cylinder at a desired pressure and in a desired amount.

Weiterhin sind Zweitakt-Verbrennungsmotoren bekannt, die im Vergleich zu Viertakt-Verbrennungsmotoren einige Vorteile aufweisen. Beispielsweise ist das Hubraum-/Leistungs-Verhältnis bei Zweitakt-Verbrennungsmotoren erheblich höher, wodurch diese sowohl mit geringerem Gewicht als auch geringerem Kostenaufwand hergestellt werden können.Furthermore, two-stroke internal combustion engines are known, which have some advantages compared to four-stroke internal combustion engines. For example, the displacement / power ratio is significantly higher in two-stroke internal combustion engines, which makes them both lighter in weight and lower in cost.

Jedoch weisen Zweitakt-Verbrennungsmotoren auch erhebliche Nachteile auf, da deren Emissionswerte sehr schlecht sind, insbesondere weil die Luftmenge im Zylinder schlecht gesteuert werden kann, Spülverluste auftreten und Öl in der Frischluft vorhanden ist.However, two-stroke internal combustion engines also have significant drawbacks because their emission levels are very poor, especially because the amount of air in the cylinder can be poorly controlled, flushing losses occur and oil is present in the fresh air.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einer Luftzuführung aus einem Druckbehälter gemäß Anspruch 1 sowie die Vorrichtung, das Motorsystem und das Computerprogrammprodukt gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.According to the invention a method for operating an internal combustion engine with an air supply from a pressure vessel according to claim 1 and the device, the motor system and the computer program product according to the independent claims are provided.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further advantageous embodiments of the present invention are specified in the dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor mit einer Druckluftquelle vorgesehen, wobei der Verbrennungsmotor in einem Zweittaktbetrieb mit unmittelbar aufeinander folgenden Verbrennungs- und Ausstoßtakten betrieben wird, indem in dem Verbrennungstakt ein Kraftstoff-/Luftgemisch in einem Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors gezündet wird und in dem Ausstoßtakt Verbrennungsabgase durch eine Verdichtungsbewegung eines Kolbens im Zylinder aus dem Brennraum ausgestoßen werden, wobei zum Ende des Ausstoßtakts und vor Beginn des Verbrennungstakts Druckluft aus einer Druckluftquelle eingelassen wird. According to a first aspect, there is provided a method of operating an engine system having an internal combustion engine with a source of pressurized air, wherein the internal combustion engine is operated in a two-stroke mode with immediately consecutive combustion and exhaust strokes, by injecting in the combustion stroke an air / fuel mixture in a combustion chamber of a cylinder the internal combustion engine is ignited and in the exhaust stroke combustion exhaust gases are ejected by a compression movement of a piston in the cylinder from the combustion chamber, wherein at the end of the exhaust stroke and before the beginning of the combustion cycle compressed air from a compressed air source is admitted.

Eine Idee des obigen Betriebsverfahrens besteht darin, eine Druckluftquelle zur Bereitstellung von Druckluft, wie z. B. einen Druckbehälter, zu verwenden, um die für den Verbrennungsvorgang von Kraftstoff in den Zylindern des Verbrennungsmotors benötigte Frischluft unter einem Druck bereitzustellen. Es ist ein Betriebsverfahren vorgesehen, bei dem, sofern durch die Druckluftquelle ein ausreichender Luftdruck bereitgestellt wird, auf die Ansaug- und Verdichtungstakte des Viertaktbetriebs verzichtet wird und die Zylinder stattdessen in einem Zweitaktbetrieb betrieben werden. Anstelle des herkömmlichen Ansaugtakts wird unmittelbar nach dem Ausstoßtakt von Verbrennungsabgas unter Druck stehende Frischluft in den Zylinder eingeleitet und anschließend Kraftstoff eingespritzt, so dass unmittelbar nach dem Ausstoßtakt ein Verbrennungstakt folgen kann. Auf diese Weise kann der Verbrennungsmotor in einem Zweitaktbetrieb betrieben werden. One idea of the above method of operation is to provide a compressed air source for providing compressed air, such. As a pressure vessel to use to provide the required for the combustion process of fuel in the cylinders of the engine fresh air under pressure. There is provided an operating method in which, if provided by the compressed air source, a sufficient air pressure, the intake and compression strokes of the four-stroke operation is dispensed with and the cylinders are instead operated in a two-stroke operation. Instead of the conventional intake stroke, immediately after the exhaust stroke of combustion exhaust gas, pressurized fresh air is introduced into the cylinder, and then fuel is injected, so that immediately after the exhaust stroke, a combustion stroke may follow. In this way, the internal combustion engine can be operated in a two-stroke operation.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Verbrennungsmotor nur dann im Zweitaktbetrieb betrieben wird, wenn die Druckluftquelle Druckluft unter einem Druck bereitstellt, der höher ist als ein vorgegebener Druckschwellenwert. Furthermore, it can be provided that the internal combustion engine is only operated in two-stroke operation when the compressed air source provides compressed air at a pressure which is higher than a predefined pressure threshold value.

Insbesondere kann der Verbrennungsmotor in einem Viertaktbetrieb mit einem Ansaugtakt zum Ansaugen von Frischluft und einem Kompressionstakt zum Verdichten der angesaugten Frischluft betrieben werden, wenn die Druckluftquelle Druckluft unter einem Druck bereitstellt, der geringer ist als der vorgegebene Druckschwellenwert. Sinkt mit anderen Worten der durch die Druckluftquelle bereitgestellte Luftdruck unter den vorgegebenen Druckschwellenwert, so kann der Betrieb des Verbrennungsmotors wieder auf einen Viertaktbetrieb umgestellt werden, so dass das Einströmen der Luft in die Zylinder durch einen Ansaugtakt unterstützt und der notwendige Druck durch den Kompressionstakt bereitgestellt wird.In particular, the internal combustion engine may be operated in a four-stroke operation with an intake stroke for drawing in fresh air and a compression stroke for compressing the intake fresh air when the compressed air source provides compressed air at a pressure less than the predetermined pressure threshold. If, in other words, the air pressure provided by the compressed air source drops below the predetermined pressure threshold value, the operation of the internal combustion engine can be switched back to a four-stroke operation so that the inflow of air into the cylinders is assisted by an intake stroke and the necessary pressure is provided by the compression stroke ,

Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Wechsel zwischen dem Zweitaktbetreib und dem Viertaktbetrieb nur nach dem Ausstoßtakt durchgeführt wird. According to one embodiment, it can be provided that the changeover between the two-stroke operation and the four-stroke operation is performed only after the exhaust stroke.

Weiterhin kann während des Ausstoßtakts ein Luftventil des Zylinders geöffnet werden, wobei das Einlassen von Druckluft in den Zylinder beginnt, bevor das Auslassventil geschlossen wird.Further, during the exhaust stroke, an air valve of the cylinder may be opened, with the introduction of pressurized air into the cylinder beginning before the exhaust valve is closed.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor mit einer Druckluftquelle vorgesehen. Die Vorrichtung ist ausgebildet, um den Verbrennungsmotor in einem Zweittaktbetrieb mit unmittelbar aufeinander folgenden Verbrennungs- und Ausstoßtakten zu betreiben, indem in dem Verbrennungstakt ein Kraftstoff-/Luftgemisch in einem Brennraum eines Zylinders des Verbrennungsmotors gezündet wird und in dem Ausstoßtakt Verbrennungsabgase durch eine Verdichtungsbewegung eines Kolbens im Zylinder aus dem Brennraum ausgestoßen werden, und um zum Ende des Ausstoßtakts und vor Beginn des Verbrennungstakts Druckluft aus einer Druckluftquelle einzulassen. According to a further aspect, an apparatus for operating an engine system with an internal combustion engine with a compressed air source is provided. The apparatus is adapted to operate the internal combustion engine in a two-stroke operation To operate immediately successive combustion and exhaust cycles by in the combustion stroke, a fuel / air mixture is ignited in a combustion chamber of a cylinder of the internal combustion engine and in the exhaust stroke combustion exhaust gases are ejected by a compression movement of a piston in the cylinder from the combustion chamber, and to the end of the exhaust stroke and before commencing the combustion stroke, to introduce compressed air from a compressed air source.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor vorgesehen, umfassend:

  • – mindestens einen Zylinder mit einem Brennraum zum Durchführen einer Verbrennung eines Kraftstoff-/Luftgemischs;
  • – eine Druckluftquelle zum Bereitstellen von komprimierter Frischluft;
  • – jeweils mindestens ein Luftventil pro Zylinder zum Einlassen von komprimierter Frischluft aus dem Druckbehälter in den Brennraum des Zylinders; und
  • – die obige Vorrichtung.
In another aspect, an engine system having an internal combustion engine is provided, comprising:
  • - At least one cylinder with a combustion chamber for carrying out combustion of a fuel / air mixture;
  • - A compressed air source for providing compressed fresh air;
  • - Each at least one air valve per cylinder for admitting compressed fresh air from the pressure vessel into the combustion chamber of the cylinder; and
  • - The above device.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogramm vorgesehen, welches dazu eingerichtet ist, alle Schritte des obigen Verfahrens auszuführen.According to a further aspect, a computer program is provided which is adapted to carry out all the steps of the above method.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor, dem Luft über einen Druckbehälter zugeführt wird; und 1 a schematic representation of an engine system with an internal combustion engine, the air is supplied via a pressure vessel; and

2 ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben des Motorsystems der 1. 2 a flowchart illustrating a method for operating the engine system of 1 ,

Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorsystems 1 mit einem Verbrennungsmotor 2 (im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Ottomotor), von dem beispielhaft ein Zylinder 3 dargestellt ist. Das Motorsystem 1 dient beispielsweise zum Betreiben eines (nicht gezeigten) Kraftfahrzeugs. Der Zylinder 3 umfasst einen Brennraum 31, der an einem Ende durch einen beweglichen Kolben 32 abgeschlossen ist. 1 shows a schematic representation of an engine system 1 with an internal combustion engine 2 (In the embodiment shown, a gasoline engine), of which by way of example a cylinder 3 is shown. The engine system 1 serves for example for operating a (not shown) motor vehicle. The cylinder 3 includes a combustion chamber 31 , which at one end by a movable piston 32 is completed.

An einem dem Kolben 32 gegenüber liegenden Zylinderkopf 33 ist eine Zündeinrichtung 5 vorgesehen, um in einem Verbrennungstakt ein in dem Brennraum 31 des Zylinders 3 befindliches Kraftstoff-/Luftgemisch zu zünden und dadurch eine Expansionsbewegung des Kolbens 32 zu bewirken. At one the piston 32 opposite cylinder head 33 is an ignition device 5 provided in a combustion stroke in the combustion chamber 31 of the cylinder 3 to ignite located fuel / air mixture and thereby an expansion movement of the piston 32 to effect.

Weiterhin ist ein Kraftstoffeinspritzventil 6 vorgesehen, um Kraftstoff direkt in den Brennraum 31 des Zylinders 3 einzuspritzen. In einem auf den Verbrennungstakt folgenden Ausstoßtakt wird ein Auslassventil 7 im Zylinderkopf 33 geöffnet und Verbrennungsabgas über einen Abgasabführungsabschnitt 8 ausgestoßen. Furthermore, a fuel injection valve 6 provided to fuel directly into the combustion chamber 31 of the cylinder 3 inject. In an exhaust stroke following the combustion stroke becomes an exhaust valve 7 in the cylinder head 33 opened and combustion exhaust gas via a Abgasabführungsabschnitt 8th pushed out.

Über ein Luftventil 10 wird dem Verbrennungsmotor 2 Frischluft zugeführt, die aus einem Druckbehälter 11 entnommen wird. Der Druckbehälter 11 dient als eine Druckluftquelle und ist in einem Bereich des Kraftfahrzeugs angeordnet, der eine Umgebungstemperatur oder eine Temperatur aufweist, die signifikant niedriger ist als die Temperatur in Motornähe. Der Druckbehälter 11 kann beispielsweise aus Metall und/oder aus einem Glasfiber- und/oder Verbundmaterial ausgebildet sein. Insbesondere Glasfibermaterial hat die Vorteile des geringen Gewichts und einer hohen Druckbelastbarkeit. Via an air valve 10 becomes the internal combustion engine 2 Fresh air is supplied from a pressure vessel 11 is removed. The pressure vessel 11 serves as a source of compressed air and is located in an area of the motor vehicle that has an ambient temperature or a temperature that is significantly lower than the temperature near the engine. The pressure vessel 11 may be formed, for example, of metal and / or of a fiberglass and / or composite material. In particular glass fiber material has the advantages of low weight and high pressure resistance.

Aufgrund des Druckunterschieds zwischen dem Druckbehälter 11 und dem Brennraum 31 des Zylinders 3 strömt die Luft beim Öffnen des Luftventils 10 in den Brennraum 31 und entspannt sich hierbei. Dadurch wird der Zylinder 3 gekühlt, da sich die expandierende Luft abkühlt. Due to the pressure difference between the pressure vessel 11 and the combustion chamber 31 of the cylinder 3 the air flows when opening the air valve 10 in the combustion chamber 31 and relaxes here. This will make the cylinder 3 cooled as the expanding air cools.

Die Ansteuerung des Luftventils 10, der Zündeinrichtung 5, des Kraftstoffeinspritzventils 6 und des Auslassventils 7 erfolgt über eine Steuereinheit 15. Die Steuerung des Verbrennungsmotors 2 ähnelt im Wesentlichen der Steuerung eines herkömmlichen Verbrennungsmotors, wobei lediglich das Öffnen des Luftventils 10 zum Einlassen einer bestimmten Luftmenge so vorgenommen wird, dass eine vorgegebene, z. B. eine möglichst stöchiometrische, Verbrennung des Luft-/Kraftstoffgemischs im Brennraum 31 des Zylinders 3 erfolgen kann. The control of the air valve 10 , the ignition device 5 , the fuel injection valve 6 and the exhaust valve 7 via a control unit 15 , The control of the internal combustion engine 2 is essentially similar to the control of a conventional internal combustion engine, with only the opening of the air valve 10 for admitting a certain amount of air is made so that a predetermined, z. B. a possible stoichiometric, combustion of the air / fuel mixture in the combustion chamber 31 of the cylinder 3 can be done.

Die Abmessung der Menge an in den Brennraum zu injizierender Frischluft kann durch Vorgeben von Öffnungszeiten für die Luftventile 10 vorgenommen werden, wobei die Steuereinheit 15 über einen an dem Druckbehälter 11 angeordneten Druck- und Temperatursensor 9 entsprechende Zustandsgrößen in dem Druckbehälter 11 erfassen und daraus die entsprechenden Öffnungszeiten der Luftventile 10 bestimmen kann. The dimension of the amount of fresh air to be injected into the combustion chamber can be determined by providing opening times for the air valves 10 be made, the control unit 15 about one on the pressure vessel 11 arranged pressure and temperature sensor 9 corresponding state variables in the pressure vessel 11 record and from this the appropriate opening times of the air valves 10 can determine.

Die Beladung des Druckbehälters 11 mit komprimierter Luft erfolgt über einen Kompressor 12, der entweder elektromotorisch mithilfe eines Elektromotors 13 oder über eine sonstige Energiequelle angetrieben werden kann. Der Kompressor 12 saugt über einen Luftfilter 16 Frischluft an, verdichtet diese und leitet die komprimierte Frischluft über eine Kühleinrichtung 17 zum Kühlen der komprimierten Frischluft in den Druckbehälter 11.The loading of the pressure vessel 11 with compressed air via a compressor 12 which is either electric motorized by means of an electric motor 13 or can be driven by another source of energy. The compressor 12 sucks over an air filter 16 Fresh air, compresses them and passes the compressed fresh air through a cooling device 17 for cooling the compressed fresh air into the pressure vessel 11 ,

Um die durch die Kompression der Frischluft in dem Druckbehälter 11 entstehende Kompressionswärme abzuführen, kann der Druckbehälter 11 weiterhin mit einer Kühlvorrichtung, z. B. mit Kühllamellen, versehen sein. Dadurch wird die dort entstehende Wärme in die Umgebung abgeführt. By the compression of the fresh air in the pressure vessel 11 remove the resulting compression heat, the pressure vessel 11 continue with a cooling device, eg. B. with cooling fins, be provided. As a result, the heat generated there is dissipated into the environment.

Je nach Größe des Druckbehälters 11 kann dessen zusätzliche Nutzung für eine Klimaanlage vorgesehen sein, da sich die über ein Klimaanlagenventil 18 aus dem Druckbehälter 11 ausgelassene Luft aufgrund ihrer Expansion abkühlt und damit zum Kühlen des Fahrgastinnenraums eines Kraftfahrzeugs geeignet wäre.Depending on the size of the pressure vessel 11 its additional use for an air conditioner can be provided, since the air conditioning valve 18 from the pressure vessel 11 Exhausted air cools due to their expansion and thus would be suitable for cooling the passenger compartment of a motor vehicle.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Kompressor 12 weiterhin über einen Stirlingmotor 19 betrieben, der die Temperaturdifferenz zwischen der Abgasseite des Verbrennungsmotors 2 und der Umgebung nutzt, um einen mechanischen Antrieb des Kompressors 12 zu bewirken.In the present embodiment, the compressor 12 continue via a Stirling engine 19 operated, the temperature difference between the exhaust side of the engine 2 and the environment uses a mechanical drive of the compressor 12 to effect.

Der Stirlingmotor 19 umfasst zwei Luftzylinder 22, 24, die jeweils über eine Pleuelstange mit einem Antriebsrad 20 verbunden sind. Ein erster Luftzylinder 22 ist nahe dem Abgasabführungsabschnitt 8 angeordnet, um dort die Wärme des Verbrennungsabgases aufzunehmen. Die Wärme des Verbrennungsabgases wird dem Verbrennungsabgas vorzugsweise über Kühllamellen 21 in dem Abgasabführungsabschnitt 8 entzogen und dem ersten Luftzylinder 22 des Stirlingmotors 19 zugeführt. The Stirling engine 19 includes two air cylinders 22 . 24 , each using a connecting rod with a drive wheel 20 are connected. A first air cylinder 22 is near the exhaust removal section 8th arranged there to absorb the heat of the combustion exhaust gas. The heat of the combustion exhaust gas is preferably added to the combustion exhaust via cooling fins 21 in the exhaust discharge portion 8th withdrawn and the first air cylinder 22 of the Stirling engine 19 fed.

Durch die dem Verbrennungsabgas entnommene Wärme dehnt sich das in dem ersten Luftzylinder 22 befindliche Luftvolumen aus und übt eine Kraft auf eine erste Pleuelstange 25 aus, mit der das Antriebsrad 20 angetrieben wird. Bei einer Kompressionsbewegung des Kolbens 32 in dem ersten Luftzylinder 22 wird die erwärmte Luft über einen Regenerator 23 in einen zweiten Luftzylinder 24 gedrückt, der motorfern angeordnet ist und sich somit in einer Umgebung mit Umgebungstemperatur befindet. By the heat removed from the combustion exhaust gas expands in the first air cylinder 22 located air volume and exerts a force on a first connecting rod 25 out, with the drive wheel 20 is driven. During a compression movement of the piston 32 in the first air cylinder 22 is the heated air through a regenerator 23 in a second air cylinder 24 pressed, which is remote from the motor and is thus in an environment with ambient temperature.

Da die Betriebsdrehzahlen eines Stirlingmotors 19 im Vergleich zu der von dem Kompressor 12 zur Kompression von Frischluft benötigten Drehzahl gering sind, muss eine geeignete Übersetzung vorgesehen sein, um die von dem Stirlingmotor 19 bereitgestellte Drehzahl zu erhöhen.As the operating speeds of a Stirling engine 19 compared to that of the compressor 12 For the compression of fresh air required speed are low, a suitable translation must be provided to those of the Stirling engine 19 increase the speed provided.

Die von dem ersten Luftzylinder 22 in den zweiten Luftzylinder 24 beförderte Luft weist eine hohe Temperatur auf und wird in dem zweiten Luftzylinder 24, der entsprechend mit Kühllamellen versehen sein kann, gekühlt, wodurch sich der Druck in dem Zylinderraum verringert und so eine entsprechende Bewegung des Kolbens 32 des zweiten Luftzylinders 24 bewirkt. Diese Bewegung wird über eine zweite Pleuelstange 27 auf das Antriebsrad 20 übertragen. The one from the first air cylinder 22 in the second air cylinder 24 transported air has a high temperature and becomes in the second air cylinder 24 , which may be provided in accordance with cooling fins, cooled, whereby the pressure in the cylinder chamber decreases and so a corresponding movement of the piston 32 of the second air cylinder 24 causes. This movement is via a second connecting rod 27 on the drive wheel 20 transfer.

Bezüglich des Betriebs des Stirlingmotors 19 wird im Wesentlichen auf den Stand der Technik verwiesen und hierin auf eine ausführlichere Beschreibung verzichtet. Regarding the operation of the Stirling engine 19 In essence, reference is made to the prior art and is omitted herein to a more detailed description.

Die Nutzung der Temperatur des Verbrennungsabgases führt zu keinem erhöhten Abgasgegendruck und bewirkt somit keinen Wirkungsgradverlust beim Betrieb des Verbrennungsmotors 2. The use of the temperature of the combustion exhaust gas leads to no increased exhaust back pressure and thus causes no loss of efficiency during operation of the internal combustion engine 2 ,

Sollte die Kompressionsleistung, die von dem Stirlingmotor 19 bereitgestellt wird, nicht zum Aufrechterhalten eines Drucks in dem Druckbehälter 11 ausreichen, so kann der Elektromotor 13 zugeschaltet werden. Dies gilt auch für den Warmlaufbetrieb des Verbrennungsmotors 2, bei dem kein ausreichender Temperaturunterschied zum Betrieb des Stirlingmotors 19 zur Verfügung steht.Should have the compression performance of the Stirling engine 19 is not provided to maintain a pressure in the pressure vessel 11 sufficient, so can the electric motor 13 be switched on. This also applies to the warm-up operation of the internal combustion engine 2 in which there is insufficient temperature difference to the operation of the Stirling engine 19 is available.

Der Druckbehälter 11 stellt ein Reservoir für alle Zylinder 3 des Verbrennungsmotors 2 dar. Das Volumen des Druckbehälters 11 ist vorzugsweise im Verhältnis zu dem Brennraumvolumen der Zylinder 3 des Verbrennungsmotors 2 groß gewählt. Vorzugsweise sollte das Volumen des Druckbehälters 11 mindestens das 10-fache des gesamten maximalen Brennraumvolumens aller Zylinder 3 betragen. Der Luftdruck im Inneren des Druckbehälters 11 sollte im Betrieb des Verbrennungsmotors 2 mindestens 10 bar, vorzugsweise 20 bar, betragen, um ein ausreichend schnelles Einlassen von Frischluft in den Zylinder 3 zu erreichen. Es kann vorgesehen sein, den Luftdruck im Druckbehälter 11 an die jeweils angeforderte Last anzupassen.The pressure vessel 11 represents a reservoir for all cylinders 3 of the internal combustion engine 2 dar. The volume of the pressure vessel 11 is preferably in proportion to the combustion chamber volume of the cylinder 3 of the internal combustion engine 2 chosen big. Preferably, the volume of the pressure vessel should be 11 at least 10 times the total maximum combustion chamber volume of all cylinders 3 be. The air pressure inside the pressure vessel 11 should be during operation of the internal combustion engine 2 at least 10 bar, preferably 20 bar, to allow a sufficiently fast intake of fresh air into the cylinder 3 to reach. It can be provided, the air pressure in the pressure vessel 11 to adapt to the respective requested load.

Alternativ oder zusätzlich zu dem Stirlingmotor 19 können auch andere Antriebsenergiequellen für den Kompressor 12 verwendet werden, wie beispielsweise eine Turbine zum Umsetzen der Abgasenthalpie des Verbrennungsabgases, wie sie beispielsweise in einer abgasgetriebenen Aufladeeinrichtung (Turbolader) eingesetzt wird.Alternatively or in addition to the Stirling engine 19 can also drive other power sources for the compressor 12 can be used, such as a turbine for converting the exhaust gas enthalpy of the combustion exhaust gas, as used for example in an exhaust gas driven supercharger (turbocharger).

Der erste Luftzylinder 22 des Stirlingmotors 19 ist an den Abgasabführungsabschnitt 8 gekoppelt, wobei im Abgasabführungsabschnitt 8 Wärmeleitungslamellen vorgesehen sind, um die Wärme des Verbrennungsabgases aufzunehmen und dem ersten Luftzylinder 22 zuzuleiten. Durch geeignete Formgebung der Wärmeleitungslamellen sowie durch eine katalytische Beschichtung kann die Funktion des Katalysators mit der Funktion der Wärmeübertragung zu dem ersten Luftzylinder 22 des Stirlingmotors 19 kombiniert werden. The first air cylinder 22 of the Stirling engine 19 is to the Abgasabführungsabschnitt 8th coupled, wherein in the Abgasabführungsabschnitt 8th Heat conduction fins are provided to receive the heat of the combustion exhaust gas and the first air cylinder 22 be forwarded. By suitable shaping of the heat conduction fins and by a catalytic coating, the function of the catalyst with the function of heat transfer to the first air cylinder 22 of the Stirling engine 19 be combined.

Zwischen dem Druckbehälter 11 und dem zweiten Luftzylinder 24 des Stirlingmotors 19 sowie zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und dem ersten Luftzylinder 22 des Stirlingmotors 19 kann eine thermische Isolierung 28 vorgesehen sein, um zu gewährleisten, dass der Druckbehälter 11 und der zweite Luftzylinder 24 des Stirlingmotors 19 nicht durch die Abwärme des Verbrennungsmotors 2 erwärmt werden. Between the pressure vessel 11 and the second air cylinder 24 of the Stirling engine 19 as well as between the internal combustion engine 2 and the first air cylinder 22 of the Stirling engine 19 can be a thermal insulation 28 be provided to ensure that the pressure vessel 11 and the second air cylinder 24 of the Stirling engine 19 not by the waste heat of the internal combustion engine 2 to be heated.

Der Kompressor 12 kann als isothermer Verdichter ausgebildet sein, bei dem angesaugte Frischluft komprimiert und unter erhöhtem Druck bei gleicher Temperatur wie zuvor bereitgestellt wird. Der isotherme Verdichter wandelt Wärme, die während der Kompression der Frischluft entsteht, in mechanische Energie um, beispielsweise durch Nutzung des Stirlingmotors 19. In diesem Fall wird die durch die Kompression der angesaugten Frischluft entstehende Wärme dem ersten Luftzylinder 22 zugeführt, so dass die zusätzliche Wärmeenergie aus der Kompression zum Antrieb des Kompressors 12 wieder zur Verfügung steht.The compressor 12 can be designed as an isothermal compressor, is compressed at the sucked fresh air and provided under elevated pressure at the same temperature as before. The isothermal compressor converts heat generated during compression of the fresh air into mechanical energy, for example by using the Stirling engine 19 , In this case, the heat generated by the compression of the intake fresh air becomes the first air cylinder 22 fed so that the extra heat energy from the compression to drive the compressor 12 is available again.

Die so verdichtete Luft wird höher verdichtet, als es für den Zieldruck des Druckbehälters 11 erforderlich ist. Damit wird ein höherer Temperaturunterschied zwischen einer Kalt- und Warmquelle erreicht, wobei eine Turbine den Druckunterschied zwischen dem Zwischenzustand der verdichteten Luft und dem Zieldruck in mechanische Energie umwandelt. Letztlich arbeitet der isotherme Verdichter auf ähnliche Weise wie andere Arten von Kompressoren.The compressed air is compressed higher than it is for the target pressure of the pressure vessel 11 is required. Thus, a higher temperature difference is achieved between a cold and a hot source, wherein a turbine converts the pressure difference between the intermediate state of the compressed air and the target pressure into mechanical energy. Ultimately, the isothermal compressor works in a similar way to other types of compressors.

Der Betrieb des vorstehend beschriebenen Motorsystems 1 wird nachfolgend in Verbindung mit dem Flussdiagramm der 2 näher erläutert. The operation of the engine system described above 1 will be described below in connection with the flowchart of 2 explained in more detail.

In Schritt S1 wird zunächst abgefragt, welcher Druck in dem Druckbehälter 11 als Druckluftquelle vorherrscht. Ist der Druck in dem Druckbehälter 11 höher als ein vorgegebener Druckschwellenwert (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S2 fortgesetzt. Andernfalls (Alternative: Nein) wird das Verfahren mit Schritt S4 fortgesetzt. In step S1, it is first queried which pressure in the pressure vessel 11 prevails as compressed air source. Is the pressure in the pressure vessel 11 higher than a predetermined pressure threshold value (alternative: yes), the method is continued with step S2. Otherwise (alternative: No), the method is continued with step S4.

In Schritt S2 wird der Verbrennungsmotor 2 im Zweitaktbetrieb betrieben. In diesem Fall wird nach dem Ausstoßtakt zum Ausstoßen der Verbrennungsabgase auf ein zusätzliches Ansaugen und die Kompression der angesaugten Luft verzichtet. Sattdessen wird die von dem Druckbehälter 11 bereitgestellte Druckluft in einer vorbestimmten Menge unter einem ausreichenden Druck in die Zylinder 3 eingelassen, so dass zum Bereitstellen des Kraftstoff-/Luftgemischs vor dem Zündvorgang keine weitere Verdichtung des Kraftstoff-/Luftgemischs im Zylinder 3 erforderlich ist. In diesem Fall kann unmittelbar nach dem Einspritzvorgang nahe des oberen Totpunkts der Kolbenbewegung im Zylinder 3 eine Zündung im Zylinder 3 erfolgen und der Verbrennungstakt ausgeführt werden. Nach dem Durchlaufen des unteren Totpunkts durch die Kolbenbewegung in dem Zylinder 3 können die Verbrennungsabgase ausgestoßen werden und, sobald sich der Kolben 32 in dem Zylinder 3 dem oberen Totpunkt nähert, kann erneut komprimierte Druckluft in die Zylinder 3 eingebracht werden, gefolgt von einem Einspritzen von Kraftstoff. Der herkömmliche Viertaktbetrieb des Verbrennungsmotors 2 kann damit unterbrochen und stattdessen ein Zweitaktbetrieb gewährleistet werden, der zu einer deutlichen Verbesserung des Wirkungsgrads des Verbrennungsmotors 2 führen kann.In step S2, the internal combustion engine 2 operated in two-stroke operation. In this case, after the exhaust stroke for discharging the combustion exhaust gases is dispensed with an additional intake and the compression of the intake air. In the meantime, that of the pressure vessel 11 provided compressed air in a predetermined amount under a sufficient pressure in the cylinder 3 let in, so that to provide the fuel / air mixture before the ignition no further compression of the fuel / air mixture in the cylinder 3 is required. In this case, immediately after the injection process near the top dead center of the piston movement in the cylinder 3 an ignition in the cylinder 3 done and the combustion cycle to be performed. After passing through the bottom dead center by the piston movement in the cylinder 3 The combustion gases can be expelled and, as soon as the piston 32 in the cylinder 3 Coming closer to top dead center, compressed air can be re-injected into the cylinders 3 are introduced, followed by injecting fuel. The conventional four-stroke operation of the internal combustion engine 2 can thus be interrupted and instead a two-stroke operation can be ensured, which leads to a significant improvement in the efficiency of the internal combustion engine 2 can lead.

Das Einsetzen des Zweitaktbetriebs erfolgt vorzugsweise nach einem Ausstoßtakt in einem vorangehenden Viertaktbetrieb, in dem bei geöffnetem Auslassventil 7 die Verbrennungsabgase ausgestoßen werden. Nach Schließen des Auslassventils 7 nahe dem oberen Totpunkt des Kolbens 32 wird dann Druckluft in den Zylinder 3 eingelassen und entsprechend gleichzeitig oder anschließend Kraftstoff eingespritzt, um ein Kraftstoff-/Luftgemisch zu bilden.The onset of the two-stroke operation is preferably carried out after an exhaust stroke in a previous four-stroke operation, in which with the exhaust valve open 7 the combustion exhaust gases are emitted. After closing the exhaust valve 7 near the top dead center of the piston 32 is then compressed air in the cylinder 3 taken in and injected simultaneously or subsequently fuel to form a fuel / air mixture.

Der Einströmzeitpunkt für die Druckluft kann variieren und es kann ein Scavenging-Effekt genutzt werden, wenn das Einströmen der Druckluft erfolgt, noch während das betreffende Auslassventil 7 geöffnet wird. Dadurch können die Verbrennungsabgase durch das Einströmen der unter Druck stehenden Frischluft in den Abgasabführungsabschnitt 8 ausgestoßen werden. Dadurch wird eine vollständige Luftfüllung des Zylinders 3 erreicht, was sich insbesondere in einem sehr guten dynamischen Verhalten eines im Zweitaktbetrieb betriebenen Verbrennungsmotors 2 zeigt.The inflow time for the compressed air can vary and a scavenging effect can be used when the inflow of compressed air occurs, while the exhaust valve in question is 7 is opened. Thereby, the combustion exhaust gases can be introduced by the inflow of the pressurized fresh air in the Abgasabführungsabschnitt 8th be ejected. This will give a complete air filling of the cylinder 3 achieved, which in particular in a very good dynamic behavior of a run in two-stroke internal combustion engine 2 shows.

Nach dem Umschalten in den Zweitaktbetrieb kann in Schritt S3 der Druck in dem Druckbehälter 11 abgefragt werden. Wird festgestellt, dass der Druck im Druckbehälter 11 den vorgegebenen Druckschwellenwert unterschreitet (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S4 fortgesetzt. Andernfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S2 zurückgesprungen. After switching to the two-stroke operation, in step S3, the pressure in the pressure vessel 11 be queried. It is found that the pressure in the pressure vessel 11 falls below the predetermined pressure threshold (alternative: Yes), the method is continued with step S4. Otherwise (alternative: no), the program jumps back to step S2.

Wird festgestellt, dass der Druck in dem Druckbehälter 11 nicht ausreichend ist, so wird in Schritt S4 der Verbrennungsmotor 2 im herkömmlichen Viertaktbetrieb betrieben. Dabei wird am Ende des Ausstoßtakts zu Beginn des Ansaugtakts, d. h. sobald sich der Kolben 32 am oberen Totpunkt befindet, Luft über das Luftventil 10 in den Zylinder 3 eingelassen (bei geschlossenem Auslassventil 7). Der verbleibende Druck der eingelassenen Luft unterstützt dabei die Ansaugbewegung des Kolbens 32. It is found that the pressure in the pressure vessel 11 is not sufficient, so in step S4, the internal combustion engine 2 operated in conventional four-stroke operation. This is at the end of the exhaust stroke at the beginning of the intake stroke, ie as soon as the piston 32 at top dead center, air over the air valve 10 in the cylinder 3 let in (with the exhaust valve closed 7 ). The remaining pressure of the introduced air supports the suction movement of the piston 32 ,

Nach dem Ansaugtakt wird das entsprechende Luftventil 10 geschlossen und die nun im Zylinder 3 befindliche Luft in einem Kompressionstakt weiter verdichtet. Das Luftventil 10 übernimmt bei dieser Betriebsart die Rolle des Einlassventils bei einem herkömmlichen Verbrennungsmotor. Die Funktionsweise des Auslassventils 7 im Verbrennungs- und Ausstoßtakt entspricht der Funktion beim herkömmlichen Viertaktbetrieb des Verbrennungsmotors. After the intake stroke, the corresponding air valve 10 closed and now in the cylinder 3 air is further compressed in a compression stroke. The air valve 10 assumes the role of the intake valve in a conventional internal combustion engine in this mode. The operation of the exhaust valve 7 in the combustion and exhaust stroke corresponds to the function in the conventional four-stroke operation of the internal combustion engine.

Nach dem Umschalten in den Viertaktbetrieb kann in Schritt S5 der Druck in dem Druckbehälter 11 abgefragt werden. Wird festgestellt, dass der Druck im Druckbehälter 11 den vorgegebenen Druckschwellenwert unterschreitet (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S2 fortgesetzt. Andernfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S4 zurückgesprungen. After switching to the four-stroke operation, in step S5, the pressure in the pressure vessel 11 be queried. It is found that the pressure in the pressure vessel 11 falls below the predetermined pressure threshold (alternative: Yes), the method is continued with step S2. Otherwise (alternative: No), a return is made to step S4.

In einer weiteren Ausführungsform können anstelle eines Luftventils 10 auch zwei oder mehr als zwei weitere Luftventile 10 pro Zylinder 3 vorgesehen werden. Dadurch kann ein effizienter Teillastbetrieb durch den Betrieb nur eines Luftventils 10 (bei jeweils geschlossenen weiteren Luftventilen) erreicht werden. Dies erhöht die Lebensdauer beider bzw. aller Luftventile 10 und reduziert die erforderliche Betätigungsenergie. Weiterhin kann durch den Betrieb von nur einem Teil der Luftventile 10 die Luftturbulenz erhöht werden, was zu einem homogeneren Kraftstoff-/Luftgemisch im Brennraum des Zylinders 3 führt. Gleichzeitig kann bei Volllast durch Ansteuern und entsprechendes Öffnen aller Luftventile 10 eine größere Menge an Druckluft in die Zylinder 3 eingebracht werden. Die durch die mehreren Luftventile 10 bewirkte Redundanz erhöht die Ausfallsicherheit des Verbrennungsmotors 2 deutlich.In another embodiment, instead of an air valve 10 also two or more than two more air valves 10 per cylinder 3 be provided. This allows efficient partial load operation by operating only one air valve 10 (at each closed further air valves) can be achieved. This increases the life of both or all air valves 10 and reduces the required actuation energy. Furthermore, by operating only a portion of the air valves 10 the air turbulence can be increased, resulting in a more homogeneous fuel / air mixture in the combustion chamber of the cylinder 3 leads. At the same time, at full load by controlling and corresponding opening of all air valves 10 a larger amount of compressed air into the cylinders 3 be introduced. The through the several air valves 10 Reduced redundancy increases the reliability of the internal combustion engine 2 clear.

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) mit einer Druckluftquelle (11), wobei der Verbrennungsmotor (2) in einem Zweittaktbetrieb mit unmittelbar aufeinander folgenden Verbrennungs- und Ausstoßtakten betrieben wird, indem in dem Verbrennungstakt ein Kraftstoff-/Luftgemisch in einem Brennraum eines Zylinders (3) des Verbrennungsmotors (2) gezündet wird und in dem Ausstoßtakt Verbrennungsabgase durch eine Verdichtungsbewegung eines Kolbens im Zylinder aus dem Brennraum (31) ausgestoßen werden, wobei Druckluft aus einer Druckluftquelle (11) zum Ende des Ausstoßtakts und vor Beginn des Verbrennungstakts eingelassen wird. Method for operating an engine system ( 1 ) with an internal combustion engine ( 2 ) with a compressed air source ( 11 ), wherein the internal combustion engine ( 2 ) is operated in a second cycle operation with immediately successive combustion and exhaust strokes, by in the combustion stroke, a fuel / air mixture in a combustion chamber of a cylinder ( 3 ) of the internal combustion engine ( 2 ) is ignited and combustion exhaust gases in the exhaust stroke by a compression movement of a piston in the cylinder from the combustion chamber ( 31 ), whereby compressed air from a compressed air source ( 11 ) is admitted to the end of the exhaust stroke and before the start of the combustion stroke. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungsmotor (2) nur dann im Zweitaktbetrieb betrieben wird, wenn die Druckluftquelle (11) Druckluft unter einem Druck bereitstellt, der höher ist als ein vorgegebener Druckschwellenwert. Method according to claim 1, wherein the internal combustion engine ( 2 ) is only operated in two-stroke operation when the compressed air source ( 11 ) Provides compressed air at a pressure higher than a predetermined pressure threshold. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Verbrennungsmotor (2) in einem Viertaktbetrieb mit einem Ansaugtakt zum Ansaugen von Frischluft und einem Kompressionstakt zum Verdichten der angesaugten Frischluft betrieben wird, wenn die Druckluftquelle (11) Druckluft unter einem Druck bereitstellt, der niedriger ist als der vorgegebene Druckschwellenwert. Method according to claim 2, wherein the internal combustion engine ( 2 ) is operated in a four-stroke operation with an intake stroke for sucking in fresh air and a compression stroke for compressing the intake fresh air when the compressed air source ( 11 ) Provides compressed air at a pressure lower than the predetermined pressure threshold. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Wechsel zwischen dem Zweitaktbetreib und dem Viertaktbetrieb nur nach dem Ausstoßtakt durchgeführt wird. The method of claim 3, wherein the change between the two-stroke operation and the four-stroke operation is performed only after the exhaust stroke. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei während des Ausstoßtakts ein Luftventil (10) des Zylinders (3) geöffnet wird, wobei das Einlassen von Druckluft in den Zylinder (3) beginnt, bevor das Auslassventil (7) geschlossen wird. Method according to one of claims 1 to 4, wherein during the exhaust stroke an air valve ( 10 ) of the cylinder ( 3 ), wherein the admission of compressed air into the cylinder ( 3 ) begins before the exhaust valve ( 7 ) is closed. Vorrichtung zum Betreiben eines Motorsystems mit einem Verbrennungsmotor (2) mit einer Druckluftquelle (11), wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um den Verbrennungsmotor (2) in einem Zweittaktbetrieb mit unmittelbar aufeinander folgenden Verbrennungs- und Ausstoßtakten zu betreiben, indem in dem Verbrennungstakt ein Kraftstoff-/Luftgemisch in einem Brennraum (31) eines Zylinders (3) des Verbrennungsmotors (2) gezündet wird und in dem Ausstoßtakt Verbrennungsabgase durch eine Verdichtungsbewegung eines Kolbens im Zylinder (3) aus dem Brennraum (31) ausgestoßen werden, und um Druckluft aus einer Druckluftquelle (11) zum Ende des Ausstoßtakts und vor Beginn des Verbrennungstakts einzulassen. Device for operating an engine system with an internal combustion engine ( 2 ) with a compressed air source ( 11 ), wherein the device is designed to operate the internal combustion engine ( 2 ) operate in a two-stroke operation with immediately successive combustion and exhaust strokes, by in the combustion stroke a fuel / air mixture in a combustion chamber ( 31 ) of a cylinder ( 3 ) of the internal combustion engine ( 2 ) is ignited and combustion exhaust gases in the exhaust stroke by a compression movement of a piston in the cylinder ( 3 ) from the combustion chamber ( 31 ) and compressed air from a compressed air source ( 11 ) at the end of the exhaust stroke and before the start of the combustion stroke. Motorsystem (1) mit einem Verbrennungsmotor (2), umfassend: – mindestens einen Zylinder (3) mit einem Brennraum (31) zum Durchführen einer Verbrennung eines Luft-/Kraftstoffgemischs; – eine Druckluftquelle (11) zum Bereitstellen von komprimierter Frischluft; – jeweils mindestens ein Luftventil (10) pro Zylinder (3) zum Einlassen von komprimierter Frischluft aus dem Druckbehälter (11) in den Brennraum (31) des Zylinders (3); und – eine Vorrichtung nach Anspruch 6.Engine system ( 1 ) with an internal combustion engine ( 2 ), comprising: - at least one cylinder ( 3 ) with a combustion chamber ( 31 ) for performing combustion of an air / fuel mixture; - a compressed air source ( 11 ) for providing compressed fresh air; - at least one air valve ( 10 ) per cylinder ( 3 ) for introducing compressed fresh air from the pressure vessel ( 11 ) in the combustion chamber ( 31 ) of the cylinder ( 3 ); and - an apparatus according to claim 6. Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.Computer program which is set up to carry out all the steps of a method according to one of Claims 1 to 5. Elektronisches Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.An electronic storage medium on which a computer program according to claim 8 is stored. Elektronisches Steuergerät, welches ein elektronisches Speichermedium nach Anspruch 9 aufweist An electronic control device comprising an electronic storage medium according to claim 9
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