CH703307A2 - Brennkraftmaschine. - Google Patents

Abstract

Brennkraftmaschine, umfassend drei Module, deren Ventile über mindestens eine gemeinsame Nockenwelle (11a) betätigt werden, wobei ein Modul zur Verbrennung von Kraftstoff (1) dient, eines zur Komprimierung von Luft (2) und eines zur Entspannung von komprimierter Luft (3).

Description

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung betrifft eine verbesserte Brennkraftmaschine, welche zusätzlich zum Verbrennungsbetrieb Luft komprimieren und komprimierte Luft entspannen kann.

[0002] Eine Brennkraftmaschine kann derart verbessert werden, dass sie während einem Bremsmanöver eines Fahrzeugs Luft komprimieren und in einem Drucklufttank speichern und mit dieser komprimierten Luft gestartet, aufgeladen oder angetrieben werden kann. Der Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs kann verringert werden, wenn die Brennkraftmaschine bei Stillstand des Fahrzeugs gestoppt und anschliessend mittels komprimierter Luft schnell gestartet wird und wenn die Brennkraftmaschine zeitweise mittels reiner komprimierter Luft angetrieben wird.

[0003] In WO2009 036 992 von ETH Zürich (CH) wird eine verbesserte Brennkraftmaschine beschrieben, die über mindestens eine Brennkammer verfügt, welche über ein vollvariables Ventil direkt an einen Drucklufttank angeschlossen ist, während Ein- und Auslassventile der Brennkraftmaschine über Nockenwellen betätigt werden. Nachteilig ist jedoch, dass die Einbindung eines vollvariablen Ventils die Komplexität, den Entwicklungs- und Steuerungsaufwand sowie die Kosten besagter Brennkraftmaschine erhöht.

[0004] Jacques Lavy (FR) beschreibt in US6178 933 ein Verfahren, bei dem über einen der Brennkraftmaschine angeschlossenen Drucktank eine Abgasrückführung vorgenommen wird. Die Abgase werden während des Arbeitstaktes durch ein spezielles Ventil in einen Drucktank übergeführt und in einem folgenden Zyklus während des Kompressionstaktes über dasselbe Ventil in die Brennkammer zurückgeführt. Nachteilig ist jedoch, dass die Öffnung des Ventils während des Arbeitstaktes den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verringert.

[0005] FR 2 865 769 von der Univ. Orleans (FR) beschreibt ein Verfahren zum Aufladen einer Brennkraftmaschine, von welcher mindestens eine Brennkammer über ein zusätzliches Ventil verfügt, welches auf mechanische, elektrische oder magnetische Weise betätigt wird und an einen Drucklufttank angeschlossen ist. Das Verfahren beschreibt ebenfalls die Kompression von Luft in derselben Brennkammer. Nachteilig ist jedoch, dass die Steuerzeiten von besagtem zusätzlichem Ventil unabhängig von Ein- und Auslassventil verändert werden, was eine zusätzliche Nockenwelle oder den Einsatz hochvariabler Ventiltriebe erfordert und die Konstruktion einer entsprechenden Brennkraftmaschine ausserordentlich aufwändig und unrentabel macht.

[0006] In US 7 353 786 von Scuderi Group (US) wird eine verbesserte Brennkraftmaschine beschrieben, bei welcher die vier Takte einer Brennkraftmaschine jeweils auf zwei Zylinder aufgeteilt werden, einen Kompressions- und einen Leistungszylinder. Der Kompressionszylinder kann für die Kompression reiner Luft verwendet werden und der Leistungszylinder kann für das Entspannen komprimierter Luft verwendet werden. Nachteilig ist jedoch, dass das Aufteilen der vier Takte einer Brennkraftmaschine auf zwei Zylinder die Komplexität und die Kosten der Brennkraftmaschine unverhältnismässig erhöht.

[0007] WO 2009 021 469 von Libor Herber (CZ) beschreibt eine verbesserte Brennkraftmaschine, bei der eine Brennkammer Luft komprimieren oder komprimierte Luft entspannen kann, wenn Einlass- und Auslassventil der Brennkammer über ein alternatives Nockenwellenprofil angesteuert werden und der Einlass- beziehungsweise der Auslasstrakt über ein Ventil mit einem Drucklufttank verbunden wird. Nachteilig ist jedoch, dass die Brennkraftmaschine über keine direkte Verbindung von Drucklufttank und Brennkammern verfügt, was den Wirkungsgrad beim Komprimieren von Luft und dem Entspannen komprimierter Luft negativ beeinflusst.

Offenbarung der Erfindung

[0008] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäss dem Patentanspruch 1. Besagte Brennkraftmaschine verfügt über mindestens ein Modul zum Verbrennen von Kraftstoff mit Luft, ein Modul zur Kompression von Luft sowie ein Modul zur Entspannung von komprimierter Luft. Die Module werden vorzugsweise in der Form von Zylindern mit darin beweglichen Kolben realisiert. Die Ventile der verschiedenen Modultypen werden über mindestens eine gemeinsame Nockenwelle betätigt, was eine besonders einfache und kostengünstige Konstruktion besagter Brennkraftmaschine ermöglicht.

[0009] Das Modul zur Verbrennung von Kraftstoff mit Luft verfügt über mindestens ein Einlass- und mindestens ein Auslassventil und wird in einem Vier-Takte-Zyklus wie eine klassische Brennkraftmaschine betrieben.

[0010] Das Modul zur Kompression von Luft verfügt über mindestens ein Einlassventil und ein zusätzliches Ventil, welches an einen Drucklufttank angeschlossen ist. Das Modul kann je nach Ausgestaltung in einem Vier- oder Zweitakt - Zyklus betrieben werden. Frische Luft gelangt durch das Einlassventil in den Zylinder, wird durch die Kolbenbewegung komprimiert und gelangt durch das zusätzliche Ventil in den Drucklufttank, wenn der Druck im Zylinder während der Ventilöffnung höher als der Druck im Drucklufttank ist.

[0011] Das Modul zur Entspannung von Luft verfügt über mindestens ein Auslassventil und ein zusätzliches Ventil, welches an einen Drucklufttank angeschlossen ist. Das Modul kann je nach Ausgestaltung in einem Vier- oder Zweitakt-Zyklus betrieben werden. Die komprimierte Luft aus dem Drucklufttank gelangt durch das zusätzliche Ventil in den Zylinder, wenn der Druck im Drucklufttank während der Ventilöffnung höher als der Druck im Zylinder ist, und übt eine Druckkraft auf den darin befindlichen Kolben aus, was die Brennkraftmaschine antreibt.

[0012] Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung werden die drei genannten Module in einer Brennkammer vereint. Besagte Brennkammer verfügt über mindestens ein Einlass- und mindestens ein Auslassventil sowie über ein zusätzliches Ventil, welches an einen Drucklufttank angeschlossen ist und wahlweise aktiviert werden kann, so dass es einem Nockenwellenprofil folgt, oder deaktiviert werden kann, so dass es stets geschlossen bleibt. Die Brennkammer kann für das Verbrennen von Kraftstoff mit Luft verwendet werden, wenn besagtes zusätzliches Ventil stets geschlossen bleibt; sie kann für die Kompression von Luft verwendet werden, wenn die Kraftstoffzufuhr unterbrochen wird und das zusätzliche Ventil aktiviert wird; und sie kann für die Entspannung von komprimierter Luft verwendet werden, wenn die Kraftstoffzufuhr unterbrochen wird, das zusätzliche Ventil aktiviert wird und ausserdem die Steuerzeiten des zusätzlichen Ventils verspätet werden. Die Steuerzeiten aller von derselben Nockenwelle betätigten Ventile werden in diesem Fall ebenfalls verspätet, was grundsätzlich den Wirkungsgrad beim Antreiben der Brennkraftmaschine mit komprimierter Luft erhöht.

[0013] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, die sowohl für das Komprimieren von Luft, das Entspannen komprimierter Luft und für den Verbrennungsbetrieb geeignet ist, zu vereinfachen und dadurch eine kostengünstige Konstruktion solch einer Brennkraftmaschine zu ermöglichen.

[0014] Diese Aufgabe löst die Erfindung durch das Verwenden einer minimalen Anzahl an Nockenwellen. Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung wird nur eine Nockenwelle für sämtliche Ventile der Brennkraftmaschine verwendet, welche über eine Vorrichtung zum Verändern der Steuerzeiten verfügt (Phasensteiler). Zusätzlich müssen die an den Drucktank angeschlossenen Ventile wahlweise während eines ganzen Zyklus geschlossen gehalten oder einem Nockenwellenprofil folgen können (z.B. deaktivierbare Ventile).

[0015] Je nach Verstellwinkel der Nockenwelle wird in den mit zusätzlichen Ventilen ausgestatteten Brennkammern entweder Luft komprimiert oder komprimierte Luft entspannt. Ein bevorzugtes Verfahren zum Betrieb der beschriebenen Brennkraftmaschine besteht darin, dass die Nockenwelle, welche die zusätzlichen Ventile betätigt, nur für das Entspannen von Luft verstellt wird und ansonsten in der Ausgangsposition ist.

[0016] Die vorliegende Erfindung erlaubt eine platzsparende Konstruktion des Ventiltriebs, was eine Kombination mit weiteren, im Zylinderkopf untergebrachten Technologien ermöglicht wie zum Beispiel einem System zur Direkteinspritzung von Kraftstoff.

[0017] Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung unterscheidet sich von der oben beschriebenen Ausgestaltung dadurch, dass anstelle einer einzigen Nockenwelle zwei Nockenwellen verwendet werden. Dies erlaubt das unabhängige Verstellen der Steuerzeiten von Einlass- und Auslassventil im Verbrennungsbetrieb und eine weitere Senkung des Kraftstoffverbrauchs.

Kurzbeschreibung der Figuren

[0018] <tb>Fig. 1<sep>Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine mit drei separaten Modulen <tb>Fig. 2<sep>Bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine, die drei Module in einer Brennkammer vereint und über eine Nockenwelle verfügt <tb>Fig. 3<sep>Bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine, die drei Module in einer Brennkammer vereint und über zwei Nockenwellen verfügt <tb>Fig. 4<sep>Ausführungsbeispiel der peripheren Komponenten der Brennkraftmaschine

Detaillierte Beschreibung der Figuren

[0019] Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine mit drei separaten Modulen zum Verbrennen von Kraftstoff (1), zum Komprimieren von Luft (2) und zum Entspannen komprimierter Luft (3). Das Modul zum Verbrennen von Kraftstoff (1) beinhaltet ein Einlassventil (5) und ein Auslassventil (4), welche durch die gemeinsame Nockenwelle (11a) der Module über Rollenkipphebel (19) betätigt werden, sowie je nach Ausführung eine Zündkerze (6), falls diese zum Zünden des Luft-Kraftstoffgemischs benötigt wird. Das Modul zum Komprimieren von Luft (2) beinhaltet ein Einlassventil (8) und ein an einen Drucklufttank (24) angeschlossenes zusätzliches Ventil (7), welches in diesem Ausführungsbeispiel über einen deaktivierbaren Rollenkipphebel (20) betätigt wird, welcher mittels eines Sperrstifts (12) aktiviert oder deaktiviert werden kann. Im deaktivierten Zustand bleibt das Ventil stets geschlossen, im aktivierten Zustand folgt es einem Nockenwellenprofil (14a), welches das Ventil hauptsächlich während des Kompressionstaktes öffnet. Das Modul zum Entspannen komprimierter Luft (3) beinhaltet ein Auslassventil (9) und ein zusätzliches Ventil (10), welches an einen Drucklufttank (24) angeschlossen ist und in diesem Ausführungsbeispiel über einen deaktivierbaren Rollenkipphebel (20) betätigt wird, welcher mittels eines Sperrstifts (12) aktiviert oder deaktiviert werden kann. In aktiviertem Zustand folgt das zusätzliche Ventil (10) einem Nockenwellenprofil (13), welches das Ventil hauptsächlich während des Arbeitstaktes öffnet.

[0020] Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine, welche die in Fig. 1 dargestellten Module in einem Zylinder (18a) vereint. Dieser verfügt wie das Modul zum Verbrennen von Kraftstoff in Fig. 1 über ein Einlassventil (5) und ein Auslassventil (4), welche über Rollenkipphebel durch die Nockenwelle (11a) betätigt werden, sowie je nach Ausführung eine Zündkerze (6), falls diese zum Zünden des Luft-Kraftstoffgemischs benötigt wird. Zusätzlich verfügt diese Ausführung über ein mittels einem Sperrstift (12) aktivierbares und an einen Drucklufttank (24) angeschlossenes Ventil (15a), welches in aktiviertem Zustand einem Nockenwellenprofil (14b) folgt und in deaktiviertem Zustand stets geschlossen bleibt. Das Nockenwellenprofil (14b) des zusätzlichen Ventils kann mit dem Nockenwellenprofil (14a) des zusätzlichen Ventils des Moduls zur Kompression von Luft (2) in Fig. 1 identisch sein. In diesem Falle wird bei Aktivierung des zusätzlichen Ventils und Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr Luft komprimiert und in den Drucklufttank (24) übergeführt. Mittels eines Phasenstellers (16), welcher die Bewegung eines Kettentriebs (17) auf die Nockenwelle (11a) überträgt und die Nockenwelle gegenüber dem Kettentrieb leicht verdrehen kann, können die Steuerzeiten sämtlicher Ventile verspätet werden. Dies verschiebt die Öffnung des zusätzlichen Ventils vom Kompressions- zum Arbeitstakt. Das Einlassventil schliesst dann später, wodurch der Kompressionstakt verkürzt wird, und das Auslassventil öffnet später. Während der Öffnung des zusätzlichen Ventils strömt komprimierte Luft in den Zylinder und übt Kraft auf den darin befindlichen Kolben aus, wodurch die Brennkraftmaschine angetrieben wird. Der verkürzte Kompressionstakt wirkt sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad beim Antreiben der Brennkraftmaschine mit komprimierter Luft aus.

[0021] Fig. 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine, welche die in Fig. 1 dargestellten Module in einem Zylinder (18b) vereint. Dieser verfügt über zwei Einlassventile (5), welche über Tassenstössel (21) durch die Einlassnockenwelle (11b) betätigt werden, sowie über ein Auslassventil (4) und ein zusätzliches, an einen Drucklufttank (24) angeschlossenes zusätzliches Ventil (15b), welche über die Auslassnockenwelle (11c) betätigt werden, sowie je nach Ausführung über eine Zündkerze (6), falls diese zum Zünden des Luft-Kraftstoffgemischs benötigt wird. Das zusätzliche Ventil (15b) wird über einen mittels einem Sperrstift (23) aktivierbaren Tassenstössel (22) von der Auslassnockenwelle (11c) betätigt, wobei das Ventil in deaktiviertem Zustand stets geschlossen bleibt und in aktiviertem Zustand einem Nockenwellenprofil folgt (14c), welches mit den Nockenwellenprofilen der Ausführungsbeispiele in Fig. 1 oder Fig. 2identisch sein kann. In diesem Falle wird bei Aktivierung des zusätzlichen Ventils und Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr Luft komprimiert und in den Drucklufttank (24) übergeführt. Zum Entspannen von komprimierter Luft müssen die Steuerzeiten des zusätzlichen Ventils verspätet werden, wozu die Auslassnockenwelle (11c) über eine Vorrichtung zum Verstellen der Ventilsteuerzeiten verfügen muss (z.B. einen Phasensteller). Es ist von Vorteil, wenn die Einlassnockenwelle (11b) ebenfalls über eine Vorrichtung zum Verstellen der Ventilsteuerzeiten verfügt. Somit kann das Schliessen des Einlassventils während des Entspannens komprimierter Luft verzögert werden, was den Kompressionstakt verkürzt und sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad beim Antreiben der Brennkraftmaschine mit komprimierter Luft auswirkt. Ausserdem kann der Wirkungsgrad und die Leistung der Brennkraftmaschine beim Verbrennen von Kraftstoff durch das individuelle Verstellen der beiden Nockenwellen verbessert werden.

[0022] Fig. 4 zeigt die peripheren Komponenten für eine Ausführung der Brennkraftmaschine wie in Fig. 2 dargestellt. Die dargestellte Brennkraftmaschine verfügt über 4 Zylinder (18a), in welchen jeweils die in Fig. 1 dargestellten Module vereint werden. Jeder Zylinder verfügt über ein Einlassventil (5), welches an einen Einlasstrakt angeschlossen ist (25), welcher mit einer Drosselklappe (27) zur Regulierung des Einlassdrucks ausgestattet ist. Ausserdem verfügt jeder Zylinder über ein an den Auslasstrakt (26) angeschlossenes Auslassventil (4) und ein zusätzliches, an einen Drucklufttank (24) angeschlossenes Ventil (15a). In der Zuleitung zum Drucklufttank (24) befindet sich eine Drosselklappe (28), mit welcher beim Antreiben der Brennkraftmaschine mit komprimierter Luft die aus dem Drucklufttank (24) strömende Luftmenge eingestellt werden kann.

Claims (7)

1. Brennkraftmaschine umfassend drei Module, deren Ventile über mindestens eine gemeinsame Nockenwelle betätigt werden, wobei ein Modul zur Verbrennung von Kraftstoff dient, eines zur Komprimierung von Luft und eines zur Entspannung von komprimierter Luft.

2. Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Module zum Verbrennen von Kraftstoff, zum Komprimieren von Luft und zum Entspannen von komprimierter Luft in einem Zylinder vereint werden, welcher einen darin beweglichen Kolben beinhaltet.

3. Brennkraftmaschine gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zylinderbank nur über eine Nockenwelle verfügt, welche sämtliche Ventile der Zylinderbank betätigt.

4. Brennkraftmaschine gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zylinderbank über eine Einlassnockenwelle und eine Auslassnockenwelle verfügt und die zusätzlichen, an den Drucklufttank angeschlossenen Ventile von einer dieser Nockenwellen betätigt werden.

5. Brennkraftmaschine gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen, an den Drucklufttank angeschlossenen Ventile über eine Vorrichtung zum Verstellen des Ventilhubs verfügen und die Menge der komprimierten Luft, welche vom Drucklufttank in den Zylinder strömt, durch den Ventilhub eingestellt wird.

6. Brennkraftmaschine gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem Drucklufttank und der Brennkraftmaschine eine Drosselklappe beinhaltet und dass die Menge der komprimierten Luft, welche vom Drucklufttank in den Zylinder strömt, durch diese Drosselklappe eingestellt wird.

7. Brennkraftmaschine gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle, von welcher die zusätzlichen, an den Drucklufttank angeschlossenen Ventile betätigt werden, über eine Vorrichtung zum Verstellen des Phasenwinkels verfügt und die Nockenwelle bei Stillstand der Brennkraftmaschine z.B. mittels einer Feder um den grösstmöglichen Verstellwinkel verspätet wird.