CH701760A1 - Turboaufgeladene Hubkolbenkraftmaschine mit angeschlossenem Drucktank zur Turbolochüberbrückung und Verfahren zum Betrieb derselben. - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine turboaufgeladene Hubkolbenkraftmaschine mit mehreren zylindrischen Brennkammern sowie ein Verfahren zum Betrieb derselben, welche je mindestens ein Einlassventil (10), ein Auslassventil (13) und mindestens ein zusätzliches Ladeventil (11) zur zusätzlichen Zufuhr von Druckluft zur Überbrückung des Turbolochs besitzen. Alle Ventile sind über Nockenwellen mit der Kurbelwelle (25) verbunden, wobei die Verbindung der Ladeventile zur Kurbelwelle deaktiviert werden kann, so dass diese Ladeventile geschlossen bleiben. Die richtige Dosierung der Luft für ein stöchiometrisches oder nahezu stöchiometrisches Verbrennungsgemisch wird zusätzlich durch einen Turbolader (4) und eine Drosselklappe (8) erreicht. Durch Verschiebung des Öffnungszeitpunkts der Ladeventile kann Luft von den zylindrischen Brennkammern in den Drucklufttank (14) gepumpt werden, statt solche aus diesen zu entnehmen. Ferner kann ein zusätzlicher Kompressor (24), angetrieben durch die Kurbelwelle (25), ebenfalls Luft in den Drucklufttank (14) befördern.

Description

Fachgebiet der Erfindung

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten aufgeladenen Verbennungsmotor, der auf Viertaktbasis arbeitet und zum Zweck der Turbolochüberbrückung an einen Drucklufttank angeschlossen ist.

Hintergrund der Erfindung

[0002] Hubkolbenkraftmaschinen wurden vor mehr als 100 Jahren erfunden und wurden seither ständig weiterentwickelt, jedoch sind ihrem maximalen Wirkungsgrad thermodynamische Grenzen gesetzt. Wenn eine Hubkolbenkraftmaschine stets an ihrem maximalen Wirkungsgrad betrieben würde, würde weltweit etwa nur halb so viel Kraftstoff verbrannt werden wie es heute tatsächlich der Fall ist. Der Hauptgrund für die ineffiziente Nutzung von heutigen Hubkolbenkraftmaschinen ist, dass der Motor meist nur in Teillast (Stadtverkehr, konstante Geschwindigkeiten,...) betrieben wird, dort sind die Wirkungsgrade schlecht. Da Autofahrer Fahrzeuge mit einer hohen Maximalleistung fordern, resultiert ein hoher Anteil an Teillastbetrieb und somit relativ hohe Kraftstoffverbräuche.

[0003] Das einfachste und kostengünstigste Lösungskonzept für dieses Problem ist die Verwendung von Hubkolbenkraftmaschinen mit geringerem Hubvolumen, da diese in den meisten Fahrsituationen einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Damit der Maximalleistungswunsch der Autofahrer berücksichtigt wird, kann diese kleine Hubkolbenkraftmaschine mit Hilfe eines abgasenthalpienutzenden Turboladers aufgeladen werden, damit kann die Leistung einer Hubkolbenkraftmaschine mit doppelt so grossem Hubvolumen erreicht werden ohne die erzielten Wirkungsgradgewinne im beschriebenen Lastbereich wieder opfern zu müssen.

[0004] Dieses Konzept ist einfach und kostengünstig und wird auch teilweise bereits angewendet von Automobilfirmen. Allerdings gibt es bei diesem Konzept - speziell wenn angewendet auf Benzinmotoren, bei Dieselmotoren ist es Standard - einen Grund warum es selten eingesetzt wird: das sogenannte «Turboloch»: Bei verlangten Beschleunigungen des Fahrers bei niedrigen Drehzahlen der aufgeladenen Hubkolbenkraftmaschine fehlt Luft im aufgeladenen System, was in einem schlechten Ansprechverhalten resultiert.

[0005] Durch das Anschliessen eines Drucklufttanks an die Zylinder kann dieses Problem behoben werden: Wenn vom Fahrer ein hohes Drehmoment gefordert wird, kann durch Öffnen des Ladeventils zusätzliche Luft direkt (!) in die Zylinder eingebracht werden, zusätzlich zur Luft, die bereits über die Einlassventile eingebracht wurde. Diese zusätzliche Luft ermöglicht es, mehr Kraftstoff für den entsprechenden Zyklus (die 4 Takte der Hubkolbenkraftmaschine: Einsaugen von Frischgas - Kompression - Verbrennung / Expansion - Ausstoss der verbrannten Gase) einzuspritzen. Dadurch entsteht nicht nur augenblicklich ein höheres Drehmoment für die Verbrennung sondern ein erhöhter Abgasenthalpiestrom, der die Turbine und damit auch den Kompressor des Turboladers antreibt. Der Kompressor verdichtet somit mehr Luft auf ein höheres Druckniveau. Der erhöhte Druck auf der Einlassseite der Hubkolbenkraftmaschine führt dazu, dass während des Einlassvorgangs mehr Luft in die Hubkolbenkraftmaschine kommt, womit der «Teufelskreis der fehlenden Luft» (Motor produziert zunächst wenig Drehmoment; produziert dadurch wenig Abgasenthalpie; dadurch wird der Turbolader nicht genug angetrieben; der Kompressor des Turboladers fördert wenig Frischluft; dadurch gelangt nur eine begrenzte Luftmasse in die Zylinder; so kann man nur eine begrenzte Kraftstoffmenge einspritzen und folglich nur wenig Drehmoment erzeugen;...) durchbrochen ist. Dadurch wird die zusätzlich eingebrachte Luft vom Drucklufttank nur für einen kurzen Zeitraum notwendig. Sobald der Turbolader hohe Drehzahlen erreicht hat, liefert dieser ausreichend Luft für die Produktion des maximalen Drehmoments.

[0006] Das Anschliessen eines Drucktanks an die Brennkammern einer Hubkolbenkraftmaschine (im folgenden «pneumatische Hybridisierung» genannt) dient in vielen Patenten und wissenschaftlichen Publikationen dem Zweck, dass man Energie, die beim Bremsen verfügbar wird und in konventionellen Fahrzeugbremsen dissipiert wird, rekuperieren kann durch Pumpen und Speichern von Luft in den Drucklufttank (ohne die Einbringung von Kraftstoff). Diese Druckluft kann zu einem anderen Zeitpunkt eingesetzt werden, in dem die Hubkolbenkraftmaschine ausschliesslich von Luft angetrieben wird (ohne die Einbringung von Kraftstoff). So wird auch ein pneumatischer Start ermöglicht. Diese Vorteile sind jedoch zweitrangig, wie umfangreiche Untersuchungen gezeigt haben (Veröffentlichungsliste auf www.hpe.ethz.ch). Das im vorherigen Abschnitt beschriebene Konzept ist verantwortlich für eine Kraftstoffersparnis von etwa 25%, während die in diesem Abschnitt beschriebenen Vorteile die Ersparnis lediglich insgesamt auf etwa 32% anheben. Die vorliegende Erfindung konzentriert sich somit auf die pneumatische Hybridisierung zur Überbrückung des Turbolochs.

[0007] Übersicht relevanter bestehender Patente zum Stand der Technik im Bereich der pneumatischen Hybridisierung, zeitlich geordnet von alt nach neu:

[0008] US 1 013 528 ist das erste Patent über einen pneumatischen Hybridmotor. Hier wird eine Hubkolbenkraftmaschine zusätzlich als Druckluft-Expansionsmotor verwendet. Der pneumatische Motorstart wird ebenfalls beschrieben. Der Drucklufttank wird aufgeladen sobald zwei Zylinder verbrennen und zwei Zylinder pumpen, ein Aufladen des Tanks durch Ausnutzen der beim Bremsen freiwerdenden Energie ist nicht vorgesehen.

[0009] US 3 765 180 beschreibt ebenfalls eine Hubkolbenkraftmaschine die sowohl als Verbrennungsmotor als auch als pneumatischer Motor betrieben werden kann. Für die Erzeugung von Druckluft wird ein externer elektrischer Kompressor verwendet.

[0010] US 3 963 379 basiert teilweise auf US 1 013 528, jedoch kann hier die Bremsenergie zur Erzeugung von Druckluft (Pumpen im Zweitaktzyklus) verwendet werden. Das Patent sieht axial verstellbare Nockenwellenprofile für alle Einlass-, Auslass- und Ladeventile vor, die den Betrieb als Verbrennungsmotor, Pumpe und pneumatischen Motor ermöglichen. Das Ladeventil wird dabei stets über eines von drei Nockenprofilen angesteuert: ein Nullnocken, der das Ventil geschlossen hält, ein Doppelnocken für den Zweitakt-Pumpzyklus und einen Einfachnocken für den Motorstart, der das Ladeventil dann öffnet wenn im Verbrennungszyklus der Expansions- bzw. Verbrennungstakt stattfinden würde. Die beschriebene Hubkolbenkraftmaschine funktioniert ausserdem in beiden Drehrichtungen.

[0011] US 5 529 549 ist das erste Patent für einen pneumatischen Hybridmotor in dem die Verwendung eines Motorsteuergeräts vorgesehen ist zur Ansteuerung der Ventile auf Basis von Sensorsignalen. Das Patent beschreibt zudem (als erstes Patent) einen «supercharged» Modus, der für diesen (nicht aufgeladenen) Motor möglich ist. Dabei wird ausschliesslich Luft vom Drucktank zur Befüllung des Motors verwendet, es wird keine Luft aus der Umgebung (normaler Einlasspfad) verwendet, der Kraftstoff wird direkt in die Brennkammer eingespritzt. Somit kann mehr Luft in den Zylinder gelangen und mehr Kraftstoff kann eingespritzt werden verglichen mit einem normalen Verbrennungsmotor. Die Konstruktion sieht steuerbare Ventile vor, die den Einlasskanal entweder mit Druckluft, mit dem Einlasspfad (von Umgebung) oder gar nicht verbindet, somit existiert ein Volumen, das vom Einlasspfad und vom Hochdruckpfad auf dem Weg zur Brennkammer abwechselnd benutzt werden. Der Motor sieht zudem einen Pneumatikmotor Modus, einen normalen Verbrennungsmodus, einen Pump Modus, sowie einen Zylinderdeaktivierungsmodus vor. Für den Motor ist keine fluiddynamische Vorrichtung zur Aufladung des Motors vorgesehen.

[0012] GB 2 402 169 beschreibt eine Hubkolbenkraftmaschine, die neben dem Verbrennungsmodus zusätzlich einen Pump Modus und einen Pneumatikmotor Modus ermöglicht (Zweitakt- und Viertaktmodi). Für den Pneumatikmotor Modus wird ein Verfahren beschrieben, bei dem die expandierte Luft zum Einlass hinausgeschoben wird damit die Luft keine Probleme für den Katalysatorbetrieb verursacht. Sämtliche Ventile werden vollvariabel (elektrohydraulisch) angesteuert und ermöglichen, dass verschiedene Zylinder in unterschiedlichen Modi betrieben werden. Zudem wird beschrieben, was in wissenschaftlichen Publikation auch «air power assist (APA) mode» bezeichnet wird. Während eines Einlasstakts wird zuerst Luft über das Einlassventil eingebracht und während desselben Einlasstakts wird danach Luft aus dem Drucktank hinzugefügt.

[0013] FR 2 865 769A1 beschreibt eine, mit einem Turbolader aufgeladene, Hubkolbenkraftmaschine bei der die pneumatische Hybridisierung zur Überbrückung des Turbolochs verwendet wird. Der dazu verwendete «supercharged» Modus unterscheidet sich hierbei von dem «supercharged» Modus in US 5 529 549 dadurch, dass der Einlasspfad und der Drucktankpfad kein Volumen auf dem Weg zur Brennkammer gemeinsam nutzen. Ausserdem wird hier zunächst Luft aus dem Einlass gebracht und danach Luft aus dem Drucktank. Im Gegensatz zu GB 2402169 wird die Luft aus dem Drucktank dabei nicht während des Einlasstakts, sondern während der Kompressionsphase des Zylinders eingebracht. Es werden vollvariable Ventilsteuerungen für alle Ventile verwendet, so werden Pneumatikmotor Modus und Pump Modus jeweils im Zweitaktverfahren ermöglicht.

[0014] EP 07 018 673.9 beschreibt wie FR 2 865 769A1 eine, mit einem Turbolader aufgeladene, Hubkolbenkraftmaschine, bei der der Drucklufttank direkt mit den Brennkammern mit Hilfe von vollvariablen, vorzugsweise elektrohydraulisch angesteuerten Ladeventilen, verbunden ist. Die Einlass- und Auslassventile werden dagegen über Nockenwellen angetrieben, die stets dasselbe Hubprofil bei jedem Viertaktzyklus aufweisen. Somit können Pump Modus und Pneumatikmotor Modus im Viertaktverfahren betrieben werden. Zudem dient das Ladeventil dazu, den «supercharged» Modus analog zu FR 2 865 769A1 zu ermöglichen um das Turboloch zu überbrücken. In einer weiteren Ausführung wird neben einem Drucklufttank ein Abgasdrucktank verwendet. Der Abgastank wird für einen neuen Verbrennungszyklus verwendet, bei dem am Ende der Expansion verbrannte Gase in den Abgastank übergeführt werden. Die unter Druck stehenden Abgase können verwendet werden für einen Pneumatikmotor Modus im Viertaktverfahren.

Detaillierte Beschreibung

[0015] Die Erfindung zielt auf den wichtigsten Vorteil der pneumatischen Hybridisierung von Hubkolbenkraftmaschinen ab, der bereits oben beschrieben wurde: Die substantielle Verkleinerung des Hubvolumens einer Hubkolbenkraftmaschine mit Beibehaltung der Nennleistung mit Hilfe eines Turboladers durch die Überbrückung des Turbolochs mittels direkt in die Brennkammern eingebrachter Druckluft.

[0016] Eine hohe Variabilität von Ansteuersystemen von Ventilen stellt eine hohe Hürde dar für Automobilhersteller, da Komplexität und damit Kosten gegenüber einer herkömmlichen Hubkolbenkraftmaschine steigen. In EP 07 018 673.9 wurde dies gelöst durch Verwendung konventioneller, nichtvariabler Nockenwellen für sämtliche Einlass- und Auslassventile. Die dort immer noch notwendige vollvariable Ladeventilansteuerung wird im vorliegenden Patent umgangen, indem auch für die Ladeventile ein nockenwellenbasiertes System verwendet wird. In der Basisausführung (Ausführung 1) wird das Ladeventil mit einem fixen Nockenwellenprofil angesteuert, jedoch besitzt die mechanische Verbindung zwischen der für die Ladeventile zuständige Nockenwelle und dem Ladeventil eine Möglichkeit zur schnellen Deaktivierung bzw. Aktivierung. Verschiedenste Deaktivierungsmechanismen auf Basis von Nockenwellensystemen sind kostengünstig und werden in Serienfahrzeugen eingesetzt. So kann der «supercharged» Modus ähnlich zu EP 07 018 673.9 und FR 2 865 769A1 ermöglicht werden. Diese kostengünstige Konfiguration ermöglicht die Überbrückung des Turbolochs in einem aufgeladenen Motor. Sämtliche weiteren Ausführungen sind auf dieser Konfiguration aufgebaut. Die Turbolochüberbrückung erfordert jedoch besondere Massnahmen, die substanziell für die vorliegende Erfindung sind: Durch das Festlegen eines Hubprofils für den Nocken der das Ladeventils kann die Luftmasse im Zylinder nicht mehr ausreichend durch die Ladeventilsteuerung festgelegt werden. Dabei ist für Benzinmotoren die Luftmasse im Zylinder proportional zum erzeugbaren Drehmoment, da diese stets ein nahestöchiometrisches Kraftstoff-Luft Gemisch benötigen zur Verwendung eines 3-Wege Katalysators zur Abgasnachbehandlung. Somit muss die Luftmasse im Zylinder nunmehr über eine elektronisch oder elektromechanisch ansteuerbare Drosselklappe geregelt werden. Das Motorsteuergerät (Teil der Hubkolbenkraftmaschine) empfängt über einen Pedalwertgeber ein gewünschtes Drehmoment, aus dem eine für den momentanen Zustand der Hubkolbenkraftmaschine benötigte Kraftstoffmenge errechnet wird. Daraus wird die zur stöchiometrischen Verbrennung des Kraftstoffs nötige Luftmenge errechnet. Falls die über die Einlassventile verfügbare Luftmasse im momentanen Zustand der Hubkolbenkraftmaschine für den betreffenden Motorzyklus nicht verfügbar ist, sendet das Motorsteuergerät automatisch Befehle zur Aktivierung des jeweiligen Ladeventils, an die Drosselklappe(n) und an die jeweilige Kraftstoffeinspritzeinheit, so dass nach dem Schliessen des Ladeventils ein nahezu stöchiometrisches Verbrennungsgemisch erreicht wird. In Fall einer Kanaleinspritzung würde während der Öffnungsphase der Einlassventile ein sehr fettes Gemisch (also hoher Kraftstoffüberschuss) in den Zylinder eingebracht, und erst die zusätzliche Luft aus dem Drucklufttank sorgt für ein nahe-stöchiometrisches (oder zumindest brennbares) Gemisch.

[0017] Das Gesamtkonzept für die Hubkolbenkraftmaschine ist in Fig. 1 dargestellt. Das zugehörige Motorsteuergerät mit Sensoren und Aktuatoren ist in Fig. 2 dargestellt. Die nachfolgend beschriebenen Ausführungen unterscheiden sich im Wesentlichen in der Komplexität der Ventilsteuerung der Ladeventile. Diese Variabilität der Ladeventile für die verschiedenen Ausführungen sind in Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5 und Fig. 6 dargestellt.

[0018] Ausführung 1 (Fig. 3): Der Luftpfad verläuft wie folgt: Die Luft wird von der Umgebung (1) angesaugt und durch einen Luftfilter (2) gereinigt. Derfluiddynamische Kompressor des Turboladers (4) verdichtet die Luft und befördert sie in das nächste Volumen im Luftpfad (5). Falls das Druckverhältnis zwischen Volumen (5) und dem vor dem Kompressor (3) zu gross ist (was unter Berücksichtigung des Luftmassenstroms durch den Kompressor berechnet wird) wird das Überströmventil (6) dazu verwendet, einen bestimmten Luftmassenstrom zurück zum Volumen (3) zu leiten, wobei besagtes Überströmventil entweder mechanisch (druckdifferenzabhängig) funktioniert, oder aber vorzugsweise elektronisch über das Motorsteuergerät (17) angesteuert wird. Die vom Kompressor verdichtete Luft wird mit Hilfe eines Ladeluftkühlers (Luft-Wasser oder Luft-Luft) gekühlt um die Dichte der komprimierten Luft zu erhöhen. Die abgekühlte Luft wird durch eine elektronisch oder elektromechanisch ansteuerbare Drosselklappe (8) gedrosselt, so dass der Druck im nachfolgenden Einlassvolumen (9) im Regelfall niedriger oder gleich gross ist wie im Volumen vor der Drosselklappe. Dieser Teil des Luftpfades kann aufgeteilt sein in mehrere parallele Pfade mit möglicherweise mehreren Turboladern, Drosselklappen und Einlassvolumina. Die Einlassventile (10) werden über eine Nockenwelle angesteuert, so dass alle Einlassventile pro zwei Umdrehungen der Kurbelwelle (25) genau einen Öffnungs- und Schliessvorgang aufweisen. Die Einlassventile sind jeweils hauptsächlich während einer volumenvergrössernden Kolbenbewegung geöffnet. Die Hubkolbenkraftmaschine verfügt über Vorrichtungen zur zumessenden Einspritzung von Kraftstoff, vorzugsweise wird pro Zylinder eine solche Vorrichtung eingesetzt. Die Vorrichtungen befinden sich entweder in den Einlasskanälen oder sie sind so im Zylinderkopf platziert, dass sie den Kraftstoff direkt in die Brennkammern einspritzen können (nicht dargestellt). Falls die Hubkolbenkraftmaschine Benzin als Kraftstoff verwendet, verfügt jede Brennkammer über eine zündfunkengenerierende Einheit (12). Sämtliche Auslassventile (13) werden ebenfalls über eine Nockenwelle angetrieben, und zwar jedes Auslassventil je einmal pro zwei Umdrehungen der Kurbelwelle. Die Auslassventile verbinden die Brennkammern mit einem Auslassvolumen (15), das wiederum an die Turbine des Turboladers (4) angeschlossen ist, so dass der Enthalpiefluss durch die Turbine diese antreibt, die sich auf einer Welle mit dem Kompressor des Turboladers befindet. Der Turbolader kann über eine variable Turbinengeometrie verfügen (nicht dargestellt) oder über ein sogenanntes Wastegate (16), welches Gase an der Turbine vorbeileiten kann, sobald es - mechanisch oder elektromechanisch - entsprechend angesteuert wird. Die Gase, die durch die Turbine und das Wastegate geströmt sind, werden durch einen Katalysator (18) geleitet (Benzinmotor: 3-Wege Katalysator) bevor sie in die Umgebung (19) hinausströmen. Der Abgaspfad kann wie der Einlassluftpfad parallel aufgeteilt sein mit mehreren Auslassvolumina und Turboladern. In Bremsphasen oder auch wenn das Motorsteuergerät (17) es anfordert, kann ein Verdichter (24) über eine elektronisch schaltbare Kupplung (22) mit der Kurbelwelle (25) verbunden werden. Der Verdichter saugt dabei Umgebungsluft über einen Filter (23) an und befördert die verdichtete Luft in den Drucklufttank (14). Die verdichtete Luft kann möglicherweise über eine Kühlvorrichtung (27) gekühlt werden. Ein Ventil (28) verhindert den Rückfluss von Luft aus dem Drucklufttank (14), der direkt mit den Brennkammern über die Ladeventile (11) verbunden ist. Die Ladeventile werden für diese Ausführungen über eine Nockenwelle angesteuert, die mechanisch so mit der Kurbelwelle verbunden ist, so dass die besagte Nockenwelle halb so schnell rotiert wie besagte Kurbelwelle. Die Nocken der besagten Nockenwelle treiben die Ladeventile derart an, dass die Ladeventile etwa zu Beginn der Kompression geöffnet werden, wenn die jeweiligen Einlassventile gerade geschlossen sind oder nahezu geschlossen sind. Die Ladeventile schliessen sich jeweils während des jeweiligen Kompressionsvorgangs. Die mechanische Verbindung der Nockenwelle zu den Ladeventilen ist schnell deaktivierbar, d.h. maximal innerhalb 10 Umdrehungen der Kurbelwelle, die Aktivierungs- und Deaktivierungsvorgänge werden vom Motorsteuergerät (17) initiiert.

[0019] Ausführung 2 (Fig. 4): Diese Ausführung unterscheidet sich zu Ausführung 1 lediglich in der Variabilität der Ladeventilansteuerung. Hier kann die mechanische Verbindung der ladeventilansteuernden Nockenwellen und der Ladeventile nicht nur deaktiviert werden, sondern das Hubprofil der Ladeventile kann derart verändert werden, dass der Maximalhub der Ladeventile und die Hubdauer (bezogen auf die Kurbelwinkeldifferenz) verändert werden kann. Dies kann mit serienfähigen Technologien wie bspw. Valvetronic der Firma BMW AG realisiert werden. Der Öffnungszeitpunkt der Ladeventile bleibt vorzugsweise unverändert. Diese Ausführung erlaubt eine genauere Steuerung der Luftmasse, die sich vor Einleitung der Verbrennung in der Brennkammer befindet.

[0020] Ausführung 3 (Fig. 5): Diese Ausführung unterscheidet sich zu Ausführung 1 in der Variabilität der Ladeventilansteuerung und in dem Wegfallen des externen Verdichters (24) und seinen benötigten Komponenten (23), (27), (28) und (22). Hier kann im Vergleich zu Ausführung 1 die mechanische Verbindung der ladeventilansteuernden Nockenwellen und der Ladeventile nicht nur deaktiviert werden, sondern das Hubprofil der Ladeventile kann auch derart phasenverschoben werden, dass die Ladeventile gegen Ende des Kompressionstakts geöffnet sind. Dies wird gemacht, falls das Motorsteuergerät einen Bremswunsch des Fahrers registriert (bspw. Drücken eines Bremspedals). Für diesen Fall wird die Kraftstoffeinspritzung deaktiviert und die Drosselklappe voll geöffnet. So kann Luft in den angeschlossenen Drucklufttank gepumpt werden. Systeme zur Phasenverschiebung von nockenwellenbasierten Ventilsteuerungen sind in Serienfahrzeugen häufig anzutreffen (z.B. VANOS der Firma BMW AG).

[0021] Ausführung 4 (Fig. 6): Diese Ausführung unterscheidet sich zu Ausführung 1 in der Variabilität der Ladeventilansteuerung und in dem Wegfallen des externen Verdichters (24) und seiner benötigten Komponenten (23), (27), (28) und (22). Hier kann im Vergleich zu Ausführung 1 die mechanische Verbindung der ladeventilansteuernden Nockenwellen und der Ladeventile nicht nur deaktiviert werden, sondern das Hubprofil der Ladeventile kann phasenverschoben werden, so dass die Ladeventile gegen Ende des Kompressionstakts geöffnet sind und das Hubprofil der Ladeventile kann derart verändert werden, dass der Maximalhub der Ladeventile und die Dauer des Hubes (bezogen auf die Kurbelwinkeldifferenz) verändert werden kann. Dies kann mit einer Kombination von serienfähigen Technologien wie bspw. Valvetronic und VANOS der Firma BMW AG realisiert werden. Diese Ausführung erlaubt eine genauere Steuerung der Luftmasse, die sich vor Einleitung der Verbrennung in der Brennkammer befindet («supercharged» Modus) und eine genauere Steuerung des Pump Modus, bei dem die Einspritzung von Kraftstoff deaktiviert ist.

[0022] Anmerkungen zu den Ausführungen: Die Ausführungen 1 und 2 erlauben den «supercharged» Modus zusätzlich zum normalen Verbrennungsmotormodus, während eine Rückgewinnung von Energie, die beim Bremsen des Fahrzeugs frei wird mittels eines externen Kompressors bewerkstelligt werden kann. Ausführungen 3 und 4 benötigen keinen zusätzlichen Kompressor (hier ist er optional vorzusehen), da sie zusätzlich zum «supercharged» Modus auch noch einen Pump Modus auf Viertaktbasis darstellen können. Für den «supercharged Modus ist es wichtig, dass nicht heisse, sondern möglichst kalte Luft eingespritzt wird. Das kann dadurch erreicht werden, dass man den Tank aus Metall fertigt und für guten Wärmeübergang zur Umgebungsluft auslegt (grosse Oberflächen), zusätzlich kann die aus dem externen Kompressor austretende Luft noch gekühlt werden (ähnlich Ladeluftkühler wie im Ansaugtrakt). Zusätzlich sollte sichergestellt werden, dass das Ladeventil (bzw. das Volumen vor dem Ladeventil) nicht zu stark aufgeheizt wird. Somit bietet es sich für alle Ausführungen an, das Ladeventil in die Motorkühlung miteinzubeziehen (Wasserkühlung um das Volumen und/oder des Zufuhrkanals zum Ladeventil) oder man ordnet das Ladeventil zwischen zwei Einlassventilen an.

[0023] Die Erfindung kommt gänzlich ohne den Pneumatikmotor Modus aus. Der Pneumatikmotor Modus würde die Anforderungen an eine variable Ventilsteuerung derart erhöhen dass eine nockenwellenbasierte Lösung für alle Ventile nicht mehr bewerkstelligt werden könnte. Ausserdem stellt die Verwendung des Pneumatikmotor Modus einen Nachteil dar wenn Einlassventile und Auslassventile nicht variabel angesteuert werden können, da ein Luftüberschuss im Abgastrakt, so wie er bei der Verwendung des Pneumatikmotor Modus auftritt, die Funktionstüchtigkeit eines 3-Wege Katalysators beeinträchtigen kann.

[0024] Da auf den pneumatischen Start der Hubkolbenkraftmaschine verzichtet werden muss, kommt eine andere Lösung in Betracht: Man kann auf die Kurbelwelle einen elektrischen Starter-Generator (20) setzen, wie er bereits in einigen Fahrzeugen serienmässig eingebaut wird. Dieser Starter-Generator ersetzt einen kleinen konventionellen Starter und kann die Hubkolbenkraftmaschine so schnell vom Stillstand auf eine für die Verbrennung geeignete Drehzahl beschleunigen, dass anstelle eines Leerlaufbetriebs der Hubkolbenkraftmaschine der Motor abgestellt werden kann sobald das Fahrzeug zum Stillstand kommt. Ein solcher Starter-Generator ist mit der Fahrzeugbatterie (21) verbunden. Der Starter-Generator kann möglicherweise auch während des Fahrens ein zusätzliches positives Drehmoment auf den Antriebsstrang geben zur Motorunterstützung. Dies kann vor allem dazu verwendet werden, den Turbolochüberbrückungsvorgang sanfter zu gestalten (d.h. Drehmomentsprungsreduktion beim Aktivieren oder Deaktivieren des Ladeventils). Der Starter-Generator kann zudem kinetische Energie des Antriebsstrangs zu elektrischer Energie umwandeln (negatives Drehmoment an der Kurbelwelle). Dies ermöglicht die weitere Rekuperation von Energie die beim Bremsen des Fahrzeugs frei wird. Im Falle der Ausführungen 3 und 4 kann mit Hilfe des Pump Modus auf Viertaktbasis möglicherweise nicht die ganze beim Bremsen zur Verfügung stehende freiwerdende Energie rekuperiert werden, hier ist die elektrische Rekuperation eine gute Ergänzung. Die elektrisch gespeicherte Energie wird vorrangig zum Betreiben elektronischer Verbraucher im Fahrzeug verwendet. Zudem kann bei niedrigem Batteriestand die Batterie wieder aufgeladen werden, in dem die Hubkolbenkraftmaschine ein positives Drehmoment auf die Kurbelwelle gibt, so dass das überschüssige Drehmoment zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden kann.

[0025] Der «supercharged» Modus ist regelungstechnisch sehr anspruchsvoll und erfordert oben beschriebene Sensor-/Motorsteuergerät-/Aktuatorarchitektur. Er wird zudem nur aktiviert, falls mit Hilfe des Lufttank-Drucksensorsignals vom Motorsteuergerät errechnet werden kann, dass der Tankdruck während der Öffnung des Ladeventils für den aktuellen Motorzyklus stets grösser sein wird als der Zylinderdruck und somit der Transfer von brennbarem Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Drucklufttank verhindert werden kann. Diese Überprüfung kann beispielsweise durch den Einsatz von Zylinderdrucksensoren erfolgen. Bei einer Überbrückung des Turbolochs erhöht sich der Druck vor der Drosselklappe durch das Hochbeschleunigen des Turboladers, so dass die Drosselklappe die Druckdifferenz von Volumen (5) und dem Einlassvolumen (9) so regeln muss, dass sich nach dem Einblasen der Luft aus dem Drucktank die gewünschte Luftmasse befindet, die den Kraftstoff (bei nahe-stöchiometrischem Verhältnis) nahezu vollständig verbrennen kann um das vom Fahrer gewünschte Drehmoment zu produzieren. Sobald der Druck vor der Drosselklappe hoch genug ist um die Zylinder mit ausreichend Luft zu füllen, wird die Drosselklappe geöffnet und die Ladeventile werden wieder deaktiviert. Während der Turbolochüberbrückung kann es zu hohen Druckverhältnissen über dem Kompressor kommen, bei relativ niedrigen Luftmassenströmen (da ein Teil der benötigten Luft ja vom Drucktank kommt). Daher muss das Überströmventil so geregelt werden, dass der Kompressor nicht die Pumpgrenze überschreitet.

[0026] Prinzipiell ist die beschriebene Erfindung auch für Dieselmotoren ein Fortschritt. Hier ist das zu überbrückende Turboloch nicht so gross, aber trotzdem kann die Fahrbarkeit des Fahrzeugs verbessert werden. Beim Diesel ist die Luftmasse von untergeordneter Bedeutung, Dieselmotoren werden stets mager betrieben. Jedoch ermöglicht eine zusätzliche Drucklufteinblasung möglicherweise eine verminderte Entstehung von Russ sowie eine höhere mögliche Einspritzmenge direkt nachdem der Fahrer das erhöhte Drehmoment verlangt. Dieselmotoren weisen keine zündfunkengenerierende Einheiten im Zylinderkopf auf, sie sind Selbstzünder. Ansonsten gilt die Beschreibung der Erfindung ebenso für Dieselmotoren.

[0027] Erklärung zu den Zahlen in Fig. 1 <tb>1.<sep>Einsaugtrakt Frischluft <tb>2.<sep>Luftfilter (optional) <tb>3.<sep>Volumen vor Kompressor <tb>4.<sep>Turbolader <tb>5.<sep>Volumen nach Kompressor <tb>6.<sep>Überströmventil, ansteuerbar, kann auch nach dem Ladeluftkühler abgezweigt werden <tb>7.<sep>Ladeluftkühler (Luft-Luft oder Luft-Wasser) <tb>8.<sep>Drosselklappe (elektronisch angesteuert) <tb>9.<sep>Einlassvolumen <tb>10.<sep>Einlassventile <tb>11.<sep>Ladeventile <tb>12.<sep>zündfunkengenerierende Einheiten <tb>13.<sep>Auslassventile <tb>14.<sep>Drucklufttank <tb>15.<sep>Auslassvolumen <tb>16.<sep>Regeleinrichtung für Turbine (wastegate) <tb>17.<sep>Motorsteuergerät <tb>18.<sep>3-Wege Katalysator <tb>19.<sep>Auspuff <tb>20.<sep>Elektrischer Starter-Generator <tb>21.<sep>Batterie, die auch andere elektronische Bordsysteme speisen kann <tb>22.<sep>Kupplung für externen Kompressor <tb>23.<sep>Luftfilter für angesaugte Kompressorluft (optional) <tb>24.<sep>externer mechanischer Kompressor <tb>25.<sep>Kurbelwelle, zum Getriebe <tb>26.<sep>Schwungrad <tb>27.<sep>Kompressionsluftkühler (Luft-Luft oder Luft-Wasser) <tb>28.<sep>Ventil (zur Verhinderung von Luftrückfluss aus Drucklufttank)

Claims (15)

1. Eine Hubkolbenkraftmaschine mit mehreren Zylindern (zylindrische Brennkammern), deren Kolben mechanisch mit einer gemeinsamen Kurbelwelle (25) verbunden sind, aufweisend a. je mindestens ein Einlassventil (10) pro Zylinder, b. je mindestens ein Auslassventil (13) pro Zylinder, c. ein, optional aufgeteiltes, Einlassvolumen (9), welches durch Öffnung der jeweiligen Einlassventile (10) mit dem jeweiligen Zylindervolumen verbunden werden kann, d. ein, optional aufgeteiltes, Auslassvolumen (15), welches durch Öffnung der jeweiligen Auslassventile (15) mit dem jeweiligen Zylindervolumen verbunden werden kann, e. mindestens eine Nockenwelle, derart mechanisch mit der Kurbelwelle und den Ein- und Auslassventilen (10,13) verbunden, dass die Ein- und Auslassventile pro zwei Hubzyklen des zugehörigen Zylinders je einmal geöffnet und geschlossen werden, f. eine Vorrichtung zur zugemessenen Einspritzung von Kraftstoff in die Zylinder, g. eine zündfunkengenerierende Einheit pro Zylinder, h. mindestens eine fluiddynamische Vorrichtung (Turbolader, 4) zur Erhöhung des Drucks in einem Volumen (5) vordem Einlassvolumen (9), angetrieben durch die Abgasenthalpie der Hubkolbenkraftmaschine, i. eine Vorrichtung zur Kühlung der verdichteten Luft (7), j. mindestens eine elektrisch oder elektromechanisch gesteuerte Drosselklappe (8), welche den Druck im Einlassvolumen (9) gegenüber dem Druck des vorher durchströmten Volumens (5) verringern kann und dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Zylinder zusätzlich noch mindestens ein Ladeventil (11) enthält, welches den zugehörigen Zylinder mit einem, optional aufgeteilten, Drucklufttank (14) verbindet und welches ebenfalls mit einer mit der Kurbelwelle mechanisch verbundenen Nockenwelle derart verbunden ist, dass es während zweier Hubzyklen des zugehörigen Zylinders dann geöffnet wird, wenn das zum Zylinder zugehörige Einlassventil im Schliessvorgang begriffen ist oder bereits geschlossen ist, und wieder geschlossen wird bevor der zugehörige Kolben die zylindervolumenverringernde Bewegung vollendet hat, und derart, dass das Ladeventil durch einen Mechanismus in seiner mechanischen Verbindung zur Kurbelwelle deaktiviert werden kann, so dass es während zweier oder mehrerer Hubzyklen geschlossen bleibt.

2. Eine Hubkolbenkraftmaschine gemäss Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch ein Motorsteuergerät (17), welches aus den Eingangsgrössen - angefordertes Drehmoment, - Luftdruck im Drucklufttank (14), - Luftdruck im vor der Drosselklappe (8) befindlichen Volumen (5) und - die, beispielsweise durch einen Kurbelwellenpositionsgeber ermittelten, erwarteten Öffnungszeiten der mit der Kurbelwelle mechanisch verbundenen Ventile oder aus davon abgeleiteten Grössen berechnet - wie weit die Drosselklappe (8) geöffnet werden muss, - ob die Ladeventile aktiviert werden müssen und - wie viel Kraftstoff eingespritzt werden muss, so dass die entsprechende Menge eines stöchiometrischen oder nahe-stöchiometrischen Kraftstoff-Luft Gemisches entsteht, das bei Verbrennung das angeforderte Drehmoment produziert und welches - die Drosselklappe (8), - die jeweilige mechanische, deaktivierbare Verbindung des Ladeventils zur Kurbelwelle und - die Vorrichtung zur zugemessenen Einspritzung von Kraftstoff in die Zylinder entsprechend ansteuert.

3. Eine Hubkolbenkraftmaschine gemäss Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend ein vorzugsweise elektronisch steuerbares Überströmventil (6) an derfluiddynamischen Vorrichtung (Kompressor des Turboladers, 4), so dass verdichtete Luft bei einem zu hohen Druck im Volumen (5) vordem Einlassvolumen (9) vor besagte fluiddynamische Vorrichtung (3) zurückfliessen kann.

4. Eine Hubkolbenkraftmaschine wie in einem der vorhergehenden Ansprüche, die zusätzlich über einen Verdichter (24) verfügt, welcher a. über eine deaktivierbare Kupplung (22) mit der Kurbelwelle verbunden ist, b. an seinem Ausgang mit dem Drucklufttank (14) verbunden ist.

5. Eine Hubkolbenkraftmaschine gemäss Anspruch 4, die ein schaltbares Ventil (28) aufweist, welches den Drucklufttank (14) mit dem Verdichter (24) verbindet.

6. Eine Hubkolbenkraftmaschine gemäss Anspruch 4 oder 5, die eine Kühlvorrichtung (27) zur Kühlung der vom Verdichter (24) verdichteten Luft aufweist.

7. Eine Hubkolbenkraftmaschine gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hubprofil des Ladeventils (11) durch Phasenverschiebung der Nockenwellen derart variiert werden kann, dass sich, je nach Einstellung der Variation, das Ladeventil entweder näher beim unteren Totpunkt des jeweiligen Zylinders geöffnet wird, so dass der Luftdruck im jeweiligen Zylinder während der Öffnungsdauer des Ladeventils geringer ist als im Drucklufttank, oder aber näher beim oberen Totpunkt des jeweiligen Zylinders im Schliessvorgang befindet, so dass der Luftdruck im jeweiligen Zylinder während der Öffnungsdauer des Ladeventils grösser ist als im Drucklufttank.

8. Eine Hubkolbenkraftmaschine gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hubprofil des Ladeventils (11) in Dauer und Maximalhub variiert werden kann, so dass die transferierte Luftmenge zwischen Zylinder und Tank eingestellt werden kann

9. Eine Hubkolbenkraftmaschine gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder mit einem Ladeventil (11) mindestens 2 Einlassventile (10) besitzt, und das Ladeventil derart zwischen den Einlassventilen positioniert wird, so dass der thermische Einfluss der durch die Auslassventile (13) strömenden Gase auf die vor den Ladeventilen (11) befindliche Luft verringert ist.

10. Eine Hubkolbenkraftmaschine gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zündfunkgenerierende Einheit (12) entfernt ist und Kraftstoff erst in der Nähe des oberen Totpunktes eingespritzt wird, und dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung die angeforderten Luft und Kraftstoffmengen nicht auf einen Lamba- Wert von etwa 1 sondern auf einen Lambda-Wert von grösser als 1.1 ausgelegt ist.

11. Ein Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenkraftmaschine welches folgenden Zyklus in mindestens einem Zylinder durchläuft: a. Einsaugen von Frischluft oder Kraftstoff-Luft Gemisch während einer ersten zylindervolumenvergrössernden Kolbenbewegung, b. Verdichten der im Zylinder befindlichen Gase während einer ersten zylindervolumenverringernden Kolbenbewegung, c. Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Nähe des oberen Totpunktes nach dieser ersten zylindervolumenverringernden Kolbenbewegung, d. Expansions- und Arbeitsphase des Zylinders, bei dem die in ihm befindlichen Gase verbrennen (zweite zylindervolumenvergrössernde Kolbenbewegung) e. Ausstoss der verbrannten Gase in einer zweiten zylindervolumenverringernden Kolbenbewegung und dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe des Anfangs der ersten zylindervolumenverringernden Kolbenbewegung das Ladeventil (11) geöffnet und zusätzliche Druckluft aus dem Drucklufttank (14) in den Zylinder eingeblasen wird und zuvor die Drosselklappe (8) und die Vorrichtung zur zugemessenen Einspritzung von Kraftstoff derart betätigt werden, dass ein nahe-stöchiometrisches Verbrennungsgemisch entsteht bevor nahe des oberen Totpunktes, also gegen Ende der ersten zylindervolumenverringernden Kolbenbewegung das Gemisch gezündet wird.

12. Ein Verfahren zum Betrieb eine Hubkolbenkraftmaschine gemäss Anspruch 11, wobei in der Nähe des oberen Totpunkts (c) nach der ersten zylindervolumenverringernden Kolbenbewegung (b) die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches durch Selbstzündung beim Einspritzen des Kraftstoffs erreicht wird, und Luft und Kraftstoff so bemessen werden, dass ein mageres Kraftstoff-Luftverhältnis (lambda>1.1) entsteht.

13. Ein Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenkraftmaschine gemäss einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der ersten zylindervolumenvergrössernden Kolbenbewegung nur Frischluft, ohne Kraftstoff, in den Zylinder eingesaugt wird, und das Ladeventil (11) gegen Ende einer darauf folgenden zylindervolumenvergrössernden Kolbenbewegung geöffnet wird, wenn der Druck im Zylinder während dem grössten Teil der Öffnungsdauer des Ladeventils grösser ist als der Druck im Drucklufttank, so dass der Drucklufttank mit Luft geladen wird.

14. Ein Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenkraftmaschine gemäss einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (22) eine Verbindung zwischen Verdichter (24) und Kurbelwelle (25) herstellt, wenn Kraftstoff in den Zylindern verbrannt wird.

15. Ein Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenkraftmaschine gemäss einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (22) eine Verbindung zwischen Verdichter (24) und Kurbelwelle (25) herstellt, wenn kein Kraftstoff in den Zylindern verbrannt wird und der Verdichter (24) ein zur Bewegung der Kurbelwelle (25) entgegengesetztes Drehmoment auf die Kurbelwelle (25) generiert, wodurch die Kurbelwelle (25) abgebremst wird.