CH701760A1 - Turbo-charged internal combustion engine, includes valve in combustion chamber to admit compressed air from tank, during turbo-charger lag - Google Patents

Turbo-charged internal combustion engine, includes valve in combustion chamber to admit compressed air from tank, during turbo-charger lag Download PDF

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CH701760A1
CH701760A1 CH01409/09A CH14092009A CH701760A1 CH 701760 A1 CH701760 A1 CH 701760A1 CH 01409/09 A CH01409/09 A CH 01409/09A CH 14092009 A CH14092009 A CH 14092009A CH 701760 A1 CH701760 A1 CH 701760A1
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Abstract

Combustion chamber inlet and outlet valves (10, 13) are connected to crank- and cam shafts for timed operation during the engine cycle. The compressor (4) pressurizes the inlet volume (9) ahead of the combustion chamber inlet valve (10). Fuel injection is metered. A butterfly valve (8) controls the pressure in the inlet volume. In novel design, the combustion chamber has a further inlet valve (11) connecting it to the compressed air tank (14). This valve is controlled via crank- and cam shafts. A mechanism interrupts this control, leaving the inlet valve (11) closed over a number of cycles. An independent claim is included for the method of operation.

Description

Fachgebiet der ErfindungField of the invention

[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. The present invention relates to an improved turbocharged Verbennungsmotor which operates on four-stroke basis and is connected to a compressed air tank for the purpose of turbocharger bridging.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

[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. Hubkolbenkraftmaschinen were invented more than 100 years ago and have since been constantly evolving, but their maximum efficiency thermodynamic limits are set. If a reciprocating engine were always operated at its maximum efficiency, would be about half the world burned fuel as it is actually the case today. The main reason for the inefficient use of today's reciprocating engines is that the engine is usually operated only at partial load (city traffic, constant speeds, ...), where the efficiencies are poor. Since motorists require vehicles with a high maximum power, results in a high proportion of part-load operation and thus relatively high fuel consumption.

[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. The simplest and most cost-effective solution for this problem is the use of reciprocating engines with lower displacement, since they have a high efficiency in most driving situations. So that the maximum power request of the driver is taken into account, this small reciprocating engine can be charged with the help of a exhaust gas enthalpy turbocharger, so that the performance of a reciprocating engine with twice the displacement can be achieved without having to sacrifice the efficiency gains achieved in the described load range again.

[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. This concept is simple and inexpensive and is also already partially applied by car companies. However, with this concept - especially when applied to gasoline engines, diesel engines are standard - there is a reason why it is rarely used: the so-called "turbo lag": When requested accelerations of the driver at low speeds of the supercharged reciprocating engine is lacking air in the supercharged system, which results in a bad response.

[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. By connecting a compressed air tank to the cylinder, this problem can be solved: If the driver requires high torque, additional air can be directly introduced (!) Into the cylinder by opening the charging valve, in addition to the air already over the inlet valves was introduced. This additional air makes it possible to inject more fuel for the corresponding cycle (the 4 strokes of the reciprocating piston engine: intake of fresh gas - compression - combustion / expansion - emission of burned gases). This not only instantly results in a higher torque for the combustion but an increased Abgasenthalpiestrom that drives the turbine and thus the compressor of the turbocharger. The compressor thus compresses more air to a higher pressure level. The increased pressure on the intake side of the reciprocating engine causes more air to enter the reciprocating engine during the intake process, thus creating the "vicious circle of missing air" (initially, the engine produces little torque, producing little exhaust enthalpy, thus not sufficiently powering the turbocharger; the compressor of the turbocharger promotes little fresh air, so that only a limited amount of air enters the cylinders, so you can inject only a limited amount of fuel and consequently produce little torque, ...) is broken. As a result, the additionally introduced air from the compressed air tank is only necessary for a short period of time. Once the turbocharger has reached high speeds, it will provide sufficient air to produce the maximum torque.

[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. Connecting a pressure tank to the combustion chambers of a reciprocating piston engine (hereinafter called "pneumatic hybridization") serves in many patents and scientific publications the purpose of recuperating energy that is available during braking and dissipated in conventional vehicle brakes Pumping and storing air in the compressed air tank (without the introduction of fuel). This compressed air can be used at a different time, in which the reciprocating engine is driven exclusively by air (without the introduction of fuel). This also allows a pneumatic start. However, these advantages are of secondary importance, as extensive studies have shown (publication list at www.hpe.ethz.ch). The concept described in the previous section is responsible for fuel savings of about 25%, while the benefits described in this section only increase overall savings to about 32%. The present invention thus focuses on pneumatic hybridization for bypassing the turbo lag.

[0007] Übersicht relevanter bestehender Patente zum Stand der Technik im Bereich der pneumatischen Hybridisierung, zeitlich geordnet von alt nach neu: Overview relevant existing patents to the prior art in the field of pneumatic hybridization, arranged in order from old to new:

[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. US 1 013 528 is the first patent on a pneumatic hybrid engine. Here, a reciprocating engine is additionally used as a compressed air expansion engine. The pneumatic engine start is also described. The compressed air tank is charged as soon as two cylinders burn and two cylinders pump, a charging of the tank by exploiting the energy released during braking is not provided.

[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. US 3,765,180 also describes a reciprocating internal combustion engine which can be operated both as an internal combustion engine and as a pneumatic motor. For the production of compressed air, an external electric compressor is used.

[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. US 3 963 379 is based in part on US 1 013 528, but here the braking energy for the production of compressed air (pumps in two-stroke cycle) can be used. The patent provides axially adjustable camshaft profiles for all intake, exhaust and charging valves that allow operation as an internal combustion engine, pump and pneumatic engine. The charging valve is always controlled via one of three cam profiles: a zero cam that keeps the valve closed, a double cam for the two-stroke pumping cycle and a single cam for engine start, which opens the charging valve when the combustion cycle take place in the combustion cycle would. The Hubkolbenkraftmaschine described also works in both directions.

[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. US 5 529 549 is the first patent for a pneumatic hybrid engine in which the use of a motor control device is provided for controlling the valves based on sensor signals. The patent also describes (as a first patent) a "supercharged" mode that is possible for this (uncharged) engine. In this case, only air from the pressure tank is used to fill the engine, no air from the environment (normal intake path) is used, the fuel is injected directly into the combustion chamber. Thus, more air can enter the cylinder and more fuel can be injected compared to a normal internal combustion engine. The design provides controllable valves that either or not connect the inlet channel with compressed air, to the inlet path (from ambient), so there is a volume that is alternately used by the inlet path and the high pressure path on the way to the combustor. The engine also provides a pneumatic engine mode, a normal combustion mode, a pump mode, and a cylinder deactivation mode. For the engine no fluid dynamic device for charging the engine is provided.

[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. GB 2 402 169 describes a reciprocating internal combustion engine, which in addition to the combustion mode additionally allows a pump mode and a pneumatic motor mode (two-stroke and four-stroke modes). For the pneumatic motor mode, a method is described in which the expanded air is pushed out to the inlet so that the air causes no problems for the catalyst operation. All valves are fully variable (electrohydraulic) controlled and allow different cylinders to operate in different modes. It also describes what scientific publication also refers to as "air power assist (APA) mode". During an intake stroke, air is first introduced via the intake valve and air is then added from the pressure tank during the same intake stroke.

[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. FR 2 865 769A1 describes a charged with a turbocharger, reciprocating internal combustion engine in which the pneumatic hybridization is used to bridge the turbo lag. The "supercharged" mode used here differs from the "supercharged" mode in US 5 529 549 in that the inlet path and the pressure tank path do not share volume on the way to the combustion chamber. In addition, air is first removed from the inlet and then air from the pressure tank. In contrast to GB 2402169, the air from the pressure tank is not introduced during the intake stroke, but during the compression phase of the cylinder. Fully variable valve controls are used for all valves, allowing pneumatic motor mode and pump mode, respectively, in two-stroke mode.

[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. EP 07 018 673.9 describes as FR 2 865 769A1, charged with a turbocharger, reciprocating internal combustion engine, in which the compressed air tank is connected directly to the combustion chambers by means of fully variable, preferably electrohydraulically controlled charging valves. In contrast, the intake and exhaust valves are driven by camshafts that always have the same lift profile on each four-stroke cycle. Thus, pump mode and pneumatic motor mode can be operated in four-stroke mode. In addition, the charging valve is used to enable the "supercharged" mode analogous to FR 2 865 769A1 in order to bridge the turbo lag. In a further embodiment, an exhaust gas pressure tank is used in addition to a compressed air tank. The exhaust gas tank is used for a new combustion cycle in which burnt gases are transferred to the exhaust gas tank at the end of the expansion. The pressurized exhaust gases can be used for a four-stroke pneumatic motor mode.

Detaillierte BeschreibungDetailed description

[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. The invention aims at the most important advantage of the pneumatic hybridization of reciprocating engines, which has already been described above: The substantial reduction of the stroke volume of a reciprocating engine while maintaining the rated power with the help of a turbocharger by bridging the turbo lag by means of compressed air introduced directly into the combustion chambers ,

[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. A high variability of control systems of valves represents a major hurdle for car manufacturers, since complexity and thus costs compared to a conventional reciprocating piston engine increase. In EP 07 018 673.9 this has been solved by using conventional non-variable camshafts for all intake and exhaust valves. The fully variable charge valve control system which is still required there is bypassed in the present patent by also using a camshaft-based system for the charge valves. In the basic version (version 1), the charging valve is actuated with a fixed camshaft profile, but the mechanical connection between the camshaft responsible for the charging valves and the charging valve offers a possibility for rapid deactivation or activation. Various deactivation mechanisms based on camshaft systems are inexpensive and are used in production vehicles. Thus, the "supercharged" mode similar to EP 07 018 673.9 and FR 2 865 769A1 be enabled. This cost-effective configuration allows the turbo lag to be bridged in a supercharged engine. All other versions are based on this configuration. However, the turbo lag requires special measures that are substantial to the present invention: By setting a lift profile for the cam of the charge valve, the air mass in the cylinder can no longer be determined sufficiently by the charge valve control. For gasoline engines, the air mass in the cylinder is proportional to the torque that can be generated, since they always require a near-stoichiometric fuel-air mixture for the use of a 3-way catalyst for exhaust gas aftertreatment. Thus, the air mass in the cylinder must now be controlled by an electronically or electromechanically controllable throttle. The engine control unit (part of the reciprocating piston engine) receives via a pedal encoder a desired torque, from which a fuel quantity required for the current state of the reciprocating engine is calculated. From this, the amount of air required for the stoichiometric combustion of the fuel is calculated. If the air mass available via the intake valves is not available in the instantaneous state of the reciprocating engine for that particular engine cycle, the engine control automatically sends commands to activate the respective charge valve, throttle plate (s), and respective fuel injection unit so that after the charge valve closes a nearly stoichiometric combustion mixture is achieved. In the case of port injection, a very rich mixture (ie high fuel surplus) would be introduced into the cylinder during the opening phase of the intake valves, and only the additional air from the compressed air tank will provide a near-stoichiometric (or at least combustible) mixture.

[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. The overall concept for the reciprocating piston engine is shown in Fig. 1. The associated engine control unit with sensors and actuators is shown in FIG. The embodiments described below differ essentially in the complexity of the valve control of the charging valves. This variability of the loading valves for the different embodiments are shown in FIGS. 3, 4, 5 and 6.

[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. Embodiment 1 (Fig. 3): The air path is as follows: The air is sucked from the environment (1) and cleaned by an air filter (2). The fluid dynamic compressor of the turbocharger (4) compresses the air and conveys it into the next volume in the air path (5). If the pressure ratio between volume (5) and that before the compressor (3) is too large (which is calculated taking into account the air mass flow through the compressor), the spill valve (6) is used to return a certain mass air flow back to the volume (3) lead, said spill valve either mechanically (pressure difference-dependent) works, or preferably electronically via the engine control unit (17) is controlled. The air compressed by the compressor is cooled by means of an intercooler (air-water or air-air) to increase the density of the compressed air. The cooled air is throttled by an electronically or electromechanically controllable throttle valve (8), so that the pressure in the subsequent intake volume (9) is usually lower or equal to the volume in front of the throttle valve. This part of the air path may be split into multiple parallel paths with possibly multiple turbochargers, throttle bodies, and intake volumes. The intake valves (10) are activated via a camshaft so that all intake valves have exactly one opening and closing operation per two revolutions of the crankshaft (25). The intake valves are each opened mainly during a volume-increasing piston movement. The Hubkolbenkraftmaschine has devices for metering injection of fuel, preferably such a device is used per cylinder. The devices are either in the intake ports or placed in the cylinder head so that they can inject the fuel directly into the combustion chambers (not shown). If the reciprocating engine uses gasoline as the fuel, each combustion chamber has a spark generating unit (12). All exhaust valves (13) are also driven by a camshaft, each exhaust valve once every two revolutions of the crankshaft. The exhaust valves connect the combustion chambers to an exhaust volume (15), which in turn is connected to the turbine of the turbocharger (4) so that the enthalpy flow through the turbine drives it which is on a shaft with the supercharger of the turbocharger. The turbocharger can have a variable turbine geometry (not shown) or a so-called wastegate (16), which can bypass gases on the turbine as soon as it is controlled mechanically or electromechanically. The gases which have passed through the turbine and the wastegate are passed through a catalyst (18) (gasoline engine: 3-way catalyst) before flowing out into the environment (19). The exhaust path, like the intake air path, may be split in parallel with multiple exhaust volumes and turbochargers. In braking phases or even when the engine control unit (17) requests it, a compressor (24) can be connected to the crankshaft (25) via an electronically shiftable clutch (22). The compressor draws in ambient air via a filter (23) and conveys the compressed air into the compressed air tank (14). The compressed air may possibly be cooled by a cooling device (27). A valve (28) prevents the return of air from the compressed air tank (14), which is directly connected to the combustion chambers via the charging valves (11). The load valves are controlled for these embodiments via a camshaft, which is mechanically connected to the crankshaft, so that said camshaft rotates half as fast as said crankshaft. The cams of the said camshaft drive the charging valves in such a way that the charging valves are opened approximately at the beginning of the compression, when the respective intake valves are just closed or almost closed. The charging valves close during each compression process. The mechanical connection of the camshaft to the load valves is quickly deactivated, i. maximum within 10 revolutions of the crankshaft, the activation and deactivation processes are initiated by the engine control unit (17).

[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. Embodiment 2 (FIG. 4): This embodiment differs from embodiment 1 only in the variability of the charging valve control. Here, the mechanical connection of the ladeventanansteuernden camshafts and the charging valves can not only be disabled, but the lift profile of the charging valves can be changed so that the maximum stroke of the charging valves and the stroke time (based on the crank angle difference) can be changed. This can be realized with series-capable technologies such as Valvetronic from BMW AG. The opening time of the charging valves preferably remains unchanged. This design allows for more accurate control of the air mass that is in the combustion chamber prior to initiation of combustion.

[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). Embodiment 3 (FIG. 5): This embodiment differs from Embodiment 1 in the variability of the charging valve driving and in the elimination of the external compressor (24) and its required components (23), (27), (28) and ( 22). Here, in comparison to embodiment 1, the mechanical connection of the loading valve-driving camshafts and the charging valves can not only be deactivated, but the lift profile of the charging valves can also be phase-shifted so that the charging valves are open towards the end of the compression stroke. This is done if the engine control unit registers a driver's braking request (eg pressing a brake pedal). In this case, fuel injection is disabled and the throttle fully open. This allows air to be pumped into the connected compressed-air tank. Systems for phase shifting camshaft-based valve controls are frequently encountered in production vehicles (for example, VANOS from 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. Embodiment 4 (FIG. 6): This embodiment differs from Embodiment 1 in the variability of the charging valve driving and in the elimination of the external compressor (24) and its required components (23), (27), (28) and ( 22). Here, compared to Embodiment 1, the mechanical connection of the charge valve-driving camshafts and the charge valves can not only be deactivated, but the lift profile of the charge valves can be phase-shifted, so that the charge valves are open towards the end of the compression stroke and the lift profile of the charge valves can be changed in such a way that the maximum stroke of the load valves and the duration of the stroke (based on the crank angle difference) can be changed. This can be achieved with a combination of series-capable technologies such as Valvetronic and VANOS from BMW AG. This design allows for more accurate control of the air mass prior to initiation of combustion in the combustion chamber ("supercharged" mode) and more precise control of the pumping mode in which fuel injection is disabled.

[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. Comments on the embodiments: The embodiments 1 and 2 allow the "supercharged" mode in addition to the normal engine mode, while a recovery of energy that is released when braking the vehicle by means of an external compressor can be accomplished. Models 3 and 4 do not require an additional compressor (here it is optional), as they can also represent a pump mode on four-stroke basis in addition to the "supercharged" mode. For the "supercharged" mode it is important that not hot air is injected as cold as possible. This can be achieved by making the tank of metal and laying out for good heat transfer to the ambient air (large surfaces), in addition, the exiting from the external compressor air can still be cooled (similar intercooler as in the intake). In addition, it should be ensured that the charging valve (or the volume in front of the charging valve) is not overheated. Thus, it is suitable for all versions to include the charging valve in the engine cooling (water cooling around the volume and / or the supply channel to the charging valve) or you can arrange the charging valve between two inlet valves.

[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. The invention is entirely without the pneumatic motor mode. The pneumatic engine mode would increase the requirements for variable valve timing such that a camshaft-based solution for all valves could no longer be accomplished. In addition, the use of the pneumatic motor mode is a disadvantage when intake valves and exhaust valves can not be controlled variably, since an excess air in the exhaust tract, as it occurs when using the pneumatic motor mode, may affect the performance of a 3-way catalyst.

[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. Since it must be dispensed with the pneumatic start of the reciprocating engine, another solution comes into consideration: You can put on the crankshaft, an electric starter-generator (20), as it is already installed as standard in some vehicles. This starter generator replaces a small conventional starter and can accelerate the reciprocating engine from standstill to a speed suitable for combustion so quickly that instead of idling the reciprocating engine, the engine can be stopped as soon as the vehicle comes to a standstill. Such a starter-generator is connected to the vehicle battery (21). The starter-generator may also provide additional positive torque to the drivetrain while driving to provide engine assistance. This can be used, above all, to soften the turbo lag process (i.e., torque crack reduction upon activation or deactivation of the charge valve). The starter generator can also convert kinetic energy of the powertrain to electrical energy (negative torque at the crankshaft). This allows the further recuperation of energy that is released when braking the vehicle. In the case of the embodiments 3 and 4, with the aid of the pump mode on four-stroke basis, not all of the energy released during braking may be recuperated, here the electrical recuperation is a good supplement. The electrically stored energy is used primarily for operating electronic consumers in the vehicle. In addition, at low battery level, the battery can be recharged, in which the reciprocating engine gives a positive torque to the crankshaft, so that the excess torque can be used to generate electrical energy.

[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. The "supercharged" mode is very demanding in terms of control technology and requires the sensor / engine control unit / actuator architecture described above. It will also only be activated if, with the help of the air tank pressure sensor signal from the engine control unit, it can be calculated that the tank pressure during the opening of the charge valve for the current engine cycle will always be greater than the cylinder pressure and thus the transfer of combustible fuel-air mixture into the compressed air tank can be prevented. This check can be done for example by the use of cylinder pressure sensors. When bypassing the turbo lag, the pressure in front of the throttle increases by the high acceleration of the turbocharger, so that the throttle must regulate the pressure difference of volume (5) and the intake volume (9) so that after blowing the air from the pressure tank desired air mass, which can almost completely burn the fuel (at near-stoichiometric ratio) to produce the torque desired by the driver. As soon as the pressure in front of the throttle valve is high enough to fill the cylinders with sufficient air, the throttle valve is opened and the charge valves are deactivated again. During turbocharger bridging, high pressure ratios may occur over the compressor, with relatively low mass airflows (since some of the required air will come from the pressure tank). Therefore, the spill valve must be controlled so that the compressor does not exceed the surge limit.

[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. In principle, the described invention is an advance also for diesel engines. Here, the turbo lag to be bridged is not so great, but still the driveability of the vehicle can be improved. In diesel, the air mass is of minor importance, diesel engines are always operated lean. However, additional pressurized air injection may allow for reduced build-up of soot as well as a higher possible injection amount immediately after the driver requests the increased torque. Diesel engines have no spark-generating units in the cylinder head, they are diesel. Otherwise, the description of the invention also applies to diesel engines.

[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)Explanation to the numbers in Fig. 1 <tb> 1. <sep> Fresh air intake <tb> 2. <sep> air filter (optional) <tb> 3. <sep> Volume before compressor <Tb> 4 <sep> turbocharger <tb> 5. <sep> volume after compressor <tb> 6. <sep> Overflow valve, controllable, can also be branched off after the intercooler <tb> 7. <sep> Intercooler (air-air or air-water) <tb> 8. <sep> Throttle valve (electronically controlled) <Tb> 9 <sep> intake volume <Tb> 10 <sep> intake valves <Tb> 11 <sep> charging valves <tb> 12. <sep> Ignition Generating Units <Tb> 13 <sep> exhaust <Tb> 14 <sep> Compressed air tank <Tb> 15 <sep> discharge volume <tb> 16. <sep> Control device for turbine (wastegate) <Tb> 17 <sep> engine control unit <tb> 18. <sep> 3-way catalyst <Tb> 19 <sep> Exhaust <tb> 20. <sep> Electric starter generator <tb> 21. <sep> Battery that can power other electronic on-board systems <tb> 22. <sep> External compressor clutch <tb> 23. <sep> Air filter for sucked compressor air (optional) <tb> 24. <sep> external mechanical compressor <tb> 25. <sep> crankshaft, to gearbox <Tb> 26 <sep> flywheel <tb> 27. <sep> Compressed air coolers (air-air or air-water) <tb> 28. <sep> valve (to prevent air backflow from compressed air tank)

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.A reciprocating piston engine having a plurality of cylinders (cylindrical combustion chambers), the pistons of which are mechanically connected to a common crankshaft (25) a. at least one inlet valve (10) per cylinder, b. at least one exhaust valve (13) per cylinder, c. an optionally split intake volume (9), which can be connected to the respective cylinder volume by opening the respective inlet valves (10), d. an optionally split outlet volume (15) which can be connected to the respective cylinder volume by opening the respective outlet valves (15); e. at least one camshaft mechanically connected to the crankshaft and the intake and exhaust valves (10, 13) such that the intake and exhaust valves are opened and closed once per two stroke cycles of the associated cylinder, f. a device for the metered injection of fuel into the cylinders, G. one spark-generating unit per cylinder, H. at least one fluid dynamic device (turbocharger, 4) for increasing the pressure in a volume (5) upstream of the intake volume (9), driven by the exhaust gas enthalpy of the reciprocating piston engine, i. a device for cooling the compressed air (7), j. at least one electrically or electromechanically controlled throttle valve (8), which can reduce the pressure in the inlet volume (9) relative to the pressure of the previously flowed through volume (5) and characterized in that at least one cylinder additionally contains at least one charge valve (11), which connects the associated cylinder with an optionally split compressed air tank (14) and which is also connected to a camshaft mechanically connected to the crankshaft such that it is opened during two stroke cycles of the associated cylinder when the intake valve associated with the cylinder is in closing or already closed, and is closed again before the associated piston has completed the cylinder volume-reducing movement, and such that the charging valve by a mechanism in its mechanical connection to the crankshaft can be deactivated so that it remains closed during two or more lifting cycles. 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.2. A reciprocating engine according to claim 1, further characterized by an engine control unit (17), which from the input variables - requested torque, - air pressure in the compressed air tank (14), - Air pressure in front of the throttle valve (8) located volume (5) and - The, for example, determined by a crankshaft position sensor, expected opening times of the mechanically connected to the crankshaft valves or derived therefrom - how far the throttle valve (8) must be opened, - whether the charging valves must be activated and - how much fuel to inject so that the appropriate amount of a stoichiometric or near-stoichiometric fuel-air mixture is produced which produces the requested torque during combustion and which the throttle valve (8), - The respective mechanical, deactivatable connection of the charging valve to the crankshaft and - The device for metered injection of fuel into the cylinder drives accordingly. 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.3. A reciprocating internal combustion engine according to claim 1 or 2, further comprising a preferably electronically controllable spill valve (6) on the fluid dynamic device (compressor of the turbocharger, 4), so that compressed air at too high a pressure in the volume (5) before the intake volume (9) can flow back before said fluid dynamic device (3). 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.4. A reciprocating engine as in any one of the preceding claims, which additionally has a compressor (24), which a. is connected to the crankshaft via a deactivatable clutch (22), b. is connected at its output to the compressed air tank (14). 5. Eine Hubkolbenkraftmaschine gemäss Anspruch 4, die ein schaltbares Ventil (28) aufweist, welches den Drucklufttank (14) mit dem Verdichter (24) verbindet.5. A reciprocating engine according to claim 4, comprising a switchable valve (28) connecting the compressed air tank (14) to the compressor (24). 6. Eine Hubkolbenkraftmaschine gemäss Anspruch 4 oder 5, die eine Kühlvorrichtung (27) zur Kühlung der vom Verdichter (24) verdichteten Luft aufweist.6. A reciprocating engine according to claim 4 or 5, comprising a cooling device (27) for cooling the compressed air from the compressor (24). 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.7. A Hubkolbenkraftmaschine according to any one of the preceding claims, characterized in that the lifting profile of the charging valve (11) can be varied by phase shifting the camshafts so that, depending on the setting of the variation, the charging valve either closer to the bottom dead center of the respective cylinder is, so that the air pressure in the respective cylinder during the opening period of the charging valve is lower than in the compressed air tank, or closer to top dead center of the respective cylinder in the closing process, so that the air pressure in the respective cylinder during the opening period of the charging valve is greater than in the compressed air tank , 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 kann8. A reciprocating piston engine according to one of the preceding claims, characterized in that the stroke profile of the charging valve (11) can be varied in duration and maximum stroke, so that the amount of air transferred between the cylinder and tank can be adjusted 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.9. A reciprocating internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that each cylinder with a loading valve (11) has at least 2 inlet valves (10), and the loading valve is positioned between the inlet valves, so that the thermal influence of the exhaust valves ( 13) flowing gases is reduced to the front of the loading valves (11) located air. 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.10. A reciprocating engine according to one of the preceding claims, characterized in that the ignition-generating unit (12) is removed and fuel is injected only in the vicinity of the top dead center, and characterized in that the control of the requested air and fuel quantities not to a Lamba - Value of about 1 but is designed for a lambda value greater than 1.1. 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.11. A method of operating a reciprocating internal combustion engine which passes through the following cycle in at least one cylinder: a. Intake of fresh air or fuel-air mixture during a first cylinder volume-increasing piston movement, b. Compressing the in-cylinder gases during a first cylinder volume reducing piston movement, c. Ignition of the fuel-air mixture near top dead center after this first cylinder volume decreasing piston movement, d. Expansion and working phase of the cylinder where the gases in it burn (second cylinder volume increasing piston movement) e. Output of the burned gases in a second cylinder volume reducing piston movement and characterized in that in the vicinity of the beginning of the first cylinder volume reducing piston movement, the charging valve (11) is opened and additional compressed air from the compressed air tank (14) is injected into the cylinder and previously the throttle valve (8) and the metered injection of fuel so be actuated that a near-stoichiometric combustion mixture is formed before near top dead center, ie towards the end of the first cylinder volume-reducing piston movement, the mixture is ignited. 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.12. A method of operating a reciprocating engine according to claim 11, wherein in the vicinity of the top dead center (c) after the first cylinder volume-reducing piston movement (b) the ignition of the fuel-air mixture is achieved by auto-ignition when injecting the fuel, and air and Fuel should be designed so that a lean air-fuel ratio (lambda> 1.1) is produced. 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.13. A method for operating a reciprocating piston engine according to any one of claims 11 or 12, characterized in that in the first cylinder volume-increasing piston movement only fresh air, without fuel, is sucked into the cylinder, and the charging valve (11) towards the end of a subsequent cylinder volume-increasing piston movement is opened when the pressure in the cylinder during most of the opening period of the charging valve is greater than the pressure in the compressed air tank, so that the compressed air tank is charged with air. 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.14. A method of operating a reciprocating engine according to any one of claims 11 to 13, characterized in that the clutch (22) establishes a connection between the compressor (24) and crankshaft (25) when fuel is burned in the cylinders. 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.A method of operating a reciprocating engine according to any one of claims 11 to 14, characterized in that the clutch (22) establishes a connection between the compressor (24) and crankshaft (25) when no fuel is burned in the cylinders and the compressor (24) generates a torque for the movement of the crankshaft (25) opposite to the crankshaft (25), whereby the crankshaft (25) is braked.
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