DE10002486A1 - Verfahren zur Erzeugung von Leistung mit Otto-Motoren unter Anwendung von zusätzlicher variabler Schichtfüllung der Zylinder der Otto-Motoren, insbesondere im Teillastbetrieb, und Vorrichtung hierzu - Google Patents

Abstract

Otto-Motore arbeiten, insbesondere im Viertakterbetrieb, mit Schichtfüllung in den Zylindern, da von der je vorherigen Verbrennung ein Rest Abgas im Zylinder verbleibt. DOLLAR A Die erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von Leistung mit Otto-Motoren zeigen auf, bei der Frischmenge zusätzlich variable Schichtfüllung, insbesondere im Teillastbereich, zu bewirken. Durch diesen verfahrenstechnischen Einfluß kann der Kraftstoffverbrauch der Otto-Motoren deutlich reduziert werden. Un die Folge wird als Nebeneffekt die Menge unerwünschter Emissionskomponenten im Abgas reduziert. Und wird, wie erfindungsgemäß auch vorgesehen, im Betrieb der Bereiche mit fast voller und voller Last ohne zusätzliche variable Schichtfüllung gearbeitet, bleibt in diesen Betriebsbereichen die maximale Literleistung der Otto-Motoren erhalten. DOLLAR A Ferner zeigt die Erfindung Vorrichtungen auf für die Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von Leistung mit Otto-Motoren.

Description

Otto-Motore arbeiten, insbesondere im Viertakterbetrieb, mit Schichtfüllung in den Zylindern, da von der je vor­ herigen Verbrennung ein Rest Abgas im Zylinder verbleibt.

Die erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von Leistung mit Otto-Motoren zeigen auf, bei der Frischmenge zusätzlich variable Schichtfüllung, insbesondere im Teillastbereich, zu bewirken. Durch diesen verfahrenstechnischen Einfluß kann der Kraftstoffverbrauch der Otto-Motoren deutlich re­ duziert werden. Und in Folge wird als Nebeneffekt die Menge unerwünschter Emissionskomponenten im Abgas reduziert. Und wird, wie erfindungsgemäß auch vorgesehen, im Betrieb der Bereiche mit fast voller und voller Last ohne zusätzliche variable Schichtfüllung gearbeitet, bleibt in diesen Be­ triebsbereichen die maximale Literleistung der Otto-Motoren erhalten.

Ferner zeigt die Erfindung Vorrichtungen auf für die Durch­ führung der erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von Leistung mit Otto-Motoren.

Die betroffenen Otto-Motoren werden in der Praxis meist in Großserien hergestellt, bevorzugt für den Einbau in Kraft­ fahrzeugen und dort betrieben nach dem Viertaktersystem. An­ fangs waren pro Zylinder der betroffenen Otto-Motoren zwei Ventile installiert, davon eines als Einlaßventil und das andere als Auslaßventil. Im Zuge der Feinoptimierung der letzten Jahre ergaben sich auch Ausführungen mit vier und neuerdings auch drei Ventilen pro Zylinder. Ferner wurde die Kraftstoffzuführung inklusive -verteilung per Vergaser­ system fast vollkommen abgelöst durch die exaktere Kraft­ stoffzuführung inklusive -verteilung mittels Einspritzsystem in den Raum vor dem oder den Einlaßventilen.

Dadurch wurden sehr beträchtliche Optimierungsergebnisse erzielt. Aber anders als bei nach dem Dieselprinzip betrie­ benen Motoren gibt es bei den mit Benzin betriebenen Otto- Motoren das physikalische Problem der Zündgrenzen des Ge­ mischen Luft/Kraftstoff in den Zylindern der Otto-Motoren. Diese Zündgrenzen engen die Variationsmöglichkeit Luftmenge zu Kraftstoffmenge im Gemisch ein und behindern damit insbe­ sondere beim Teillastbetrieb eine ähnlich sparsame Regelung des Verbrauchs an Kraftstoff wie es bei Motoren mit Diesel­ prinzip möglich ist.

Die Erfindung hat nun die Aufgabe, den vorgenannten Haupt­ nachteil der Otto-Motoren im Teillastbereich wesentlich zu reduzieren. Und betreffend die Otto-Motoren, die mit Kraftstoffzuführung inklusive -verteilung mittels Einspritz­ system in den Raum vor dem oder den Einlaßventilen betrieben werden.

Erfindungsgemäß wird die Hauptaufgabe dadurch gelöst, daß verfahrenstechnisch die betroffenen Otto-Motoren unter An­ wendung von zusätzliche variabler Schichtfüllung der Zylinder betrieben werden. Dabei wird die jeweilige Frischmenge je Zylinder diesem so zugeführt, daß sich insbesondere im Teil­ lastbereich eine zusätzliche variable Schichtfüllung ergibt. Der später im Zylinder der Zündkerze(n) abgewandten Schicht wird so variabel Kraftstoff zugeführt, daß der Anteil Kraft­ stoff insbesondere im Teillastbetrieb auch außerhalb der Zündgrenzen, ja sogar bei Null sein kann. Der spätem der Zündkerze(n) zugewandten Schicht im Zylinder wird ebenfalls vorzugsweise variabel Kraftstoff zugeführt, aber bei allen Betriebsbereichen so, daß das Gemisch dieser Schicht immer im Bereich der Zündgrenzen liegt. Letzteres gewährleistet eine sichere Zündung in dieser Schicht und bei der dann sofort steigenden Temperatur auch im ganzen Innenraum des Zylinders, noch begünstigt dadurch, daß die Temperatur des Weiterbrennungspunktes deutlich unter der des Zündpunktes liegt.

Für die Erzielung der erfindungsgemäßen variablen zusätz­ lichen Schichtfüllung der Zylinder gibt es zwei Grundmög­ lichkeiten:

• a) Der je neuen Frischmenge wird der Anteil Kraftstoff mengen­ variabel bekannter Art und zusätzlich zeitvariabel zuge­ teilt, so daß sich im Zylinder eine zusätzliche, variable Schichtfüllung ergibt.
• b) Es wird mit zwei oder mehr Einlaßventilen je Zylinder ge­ arbeitet, die zueinander versetzte Öffnungszeiten haben können und ferner je separate Kraftstoffzuführung bekannter Art aufweisen.
  Ferner kann bei mindestens einer Kraftstoffzuführung zu­ sätzlich das unter a) beschriebene System angewandt sein. Die Grundmöglichkeiten nach a) oder b) können somit er­ findungsgemäß kombiniert werden.

Die erfindungsgemäßen Verfahren des Betreibens von Otto-Motoren eröffnet die Möglichkeit der Variation der Mengen Kraftstoff­ zuteilung je Füllschicht in der Weise, daß insbesondere im Teillastbetrieb sehr viel länger im günstigen spezifischen Verbrauchsbereich von Kraftstoff pro PSh gearbeitet werden kann. Übertragen auf Abb. 1 kann möglichst lange im günstigen Bereich des unteren Teils des spezifischen Verbrauchs von Kraftstoff gearbeitet werden.

Als Nebeneffekt führen die erfindungsgemäßen Verfahren des Be­ treibens von Otto-Motoren, insbesondere im Teillastbereich zur Reduzierung der Menge unerwünschter Emissionskomponenten im Abgas. Einmal, weil der spezifische Kraftstoffverbrauch über einen gegenüber bisher sehr größeren Betriebsbereich niedriger ist. Zweitens, ebenfalls über einen gegenüber bisher sehr grö­ ßeren Betriebsbereich mehr Luftüberschuß vorliegt, was zu bes­ serer Restverbrennung des zugeführten Kraftstoffes führt.

Die Erfindung zeigt ferner Vorrichtungen auf für die Erreichung der verfahrenstechnischen Ziele:

Otto-Motore mit Kraftstoffzuführung inklusive -verteilung mit­ tels Einspritzsystem in den Raum vor dem oder den Einlaßventilen, bei denen die Zuteilung des Anteils Kraftstoff mengenvariabel bekannter Art ist, aber zusätzlich zeitvariabel geregelt wird, so daß sich im Zylinder eine zusätzliche variable Schichtfüllung ergibt. Und zusätzlich ist es erfindungsgemäß auch möglich, die Regelrampe der zeitvariablen Regelung selbst auch variabel ge­ regelt so zu verändern, daß sie bei Belastung und Entlastung als Regelkennlinie verschieden ist. Damit kann dann den ver­ schiedenen Leistungsansprüchen beispielsweise beim Beschleunigen oder Verzögern eines Fahrzeuges entsprochen werden.

Otto-Motore mit Kraftstoffzuführung inklusive -verteilung mit­ tels Einspritzsystem in den Raum vor dem oder den Einlaßventilen, bei denen je Zylinder mindestens zwei Einlaßventile mit je ge­ trennter Zuleitung Frischmenge mit je separater Kraftstoffzu­ führung und -verteilung angebracht sind. Desweiteren ist erfindungs­ gemäß vorgesehen, daß von den separaten Kraftstoffzuführungen je Zylinder mindestens bei einer die Zuteilung des Anteiles Kraftstoff mengenvariabel bekannter Art ist, aber zusätzlich zeitvariabel geregelt wird, so daß sich im Zylinder eine zusätz­ liche variable Schichtfüllung ergibt. Und zusätzlich ist es er­ findungsgemäß auch möglich, die Regelrampe der zeitvariablen Regelung selbst auch variabel geregelt so zu verändern, daß sie bei Belastung und Entlastung als Regelkennlinie verschieden ist.

Ferner ist es erfindungsgemäß auch möglich, daß die mindestens zwei Einlaßventile je Zylinder zusätzlich in versetzter Zeit­ folge und gegebenenfalls auch Zeitdauer zueinander öffnen und schließen.

Die Abbildungen zeigen technologische Abhängigkeiten als auch ein Schema als Beispiele zu den erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen:

Die Abb. 1 zeigt als Kurven 1 und 2 den spezifischen Kraft­ stoffbedarf in Abhängigkeit vom Gemisch Luft/Kraftstoff. Senk­ recht ist der spezifische Kraftstoffbedarf in g/PSh, ansteigend, aufgetragen, waagrecht das variable Verhältnis des Gemisches Luft/Kraftstoff, für zunehmenden Luftanteil. Mit mehr zunehmen­ dem Luftanteil ist man bald im Bereich verringerter Literleistung. Die Kurve 1 für Otto-Motoren zeigt auf, daß bei bisherigem Be­ trieb im Bereich verringerter Literleistung wenig Variationsmög­ lichkeit bezüglich Minimierung des spezifischen Kraftstoffbedarfs besteht. Die Kurve 2 für Dieselmotoren zeigt dagegen im Bereich verringerter Literleistung gegenüber Otto-Motoren große Ein­ sparung auf. Das Hauptziel der erfindungsgemäßen Verfahren ist es, im Bereich verringerter Literleistung die Kurve 1 für Otto- Motoren der Kurve 2 für Dieselmotoren zumindest etwas anzunähern.

Die Abb. 2 zeigt schematisch als Kurve die Zündgrenze 3 für Otto-Motoren auf. Im Bereich über der Kurve 3 erfolgt Zündung, darunter nicht. Senkrecht ist die Temperatur, ansteigend, aufge­ tragen, waagrecht, wie in Abb. 1 auch, das Verhältnis des Gemisches Luft/Kraftstoff, für zunehmenden Luftanteil. Die Tem­ peratur des Weiterbrennungspunktes liegt aber weit unter der der Zündgrenze 3, so daß bei erfolgter Zündung bei den dann auch noch sofort stark steigenden Temperaturen eine Verbrennung im ganzen Innenraum des Zylinders gewährleistet ist. Erfindungsgemäß wird dies ausgenützt, indem insbesondere im Bereich verringerter Liter­ leistung nur im Raum bei der Zündkerze(n) sich ein zündfähiges Gemisch befinden muß und im Rest des Zylinderraumes deutlicher Luftüberschuß vorherrschen kann.

Die Abb. 3 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Ge­ mischschichtung, insbesondere im Bereich verringerter Liter­ leistung, im Innern eines Zylinders, für radial getrennte Schichtung. Das Volumen 4 ist der nicht ausgedrückte Rest Abgas von der je vorausgegangenen Verbrennung. Das Volumen 5 ist der dem Zylinder zuerst zugeführte Anteil Frischmenge mit insbesondere im Bereich verringerter Literleistung deutlichem Luftüberschuß. Das Volumen 6 ist der dem Zylinder zuletzt zugeführte Anteil Frischmenge mit einem zündfähigen Gemisch Luft/Kraftstoff im Bereich der Zündkerze(n). Es versteht sich, daß die einzelnen Schichten an Ihren Grenzen als Mischung in­ einander übergehen.

Die Abb. 3 zeigt desweiteren als symbolische Darstellungen den Zylinder 7, den Kolben 8 mit der Kolbenstange 9 sowie zwei Einlaßventile 10 und ein Auslaßventil 11.

Claims (6)

1. Verfahren zur Erzeugung von Leistung mit Otto-Motoren, die mit Kraftstoffzuführung inklusive -verteilung mittels Ein­ spritzsystem in den Raum vor dem oder den Einlaßventilen betrieben werden, gekennzeichnet dadurch, daß in den Zylin­ dern mit zusätzlicher variabel regelbarer Schichtfüllung der Frischmenge gearbeitet werden kann, indem je Schicht Frisch­ menge der Anteil Kraftstoff variabel regelbar ist.

2. Verfahren zur Erzeugung von Leistung mit Otto-Motoren nach Anspruch 1 und gekennzeichnet dadurch, daß die einzelnen Schichten Frischmenge verschiedene, variable Volumina haben können.

3. Otto-Motore mit Kraftstoffzuführung inklusive -verteilung mittels Einspritzsystem in den Raum vor dem oder den Einlaß­ ventilen, gekennzeichnet dadurch, daß die Zugabe des Anteils Kraftstoff mengenvariabel bekannter Art, aber zusätzlich zeit­ variablel geregelt werden kann.

4. Otto-Motore mit Kraftstoffzuführung inklusive -verteilung mittels Einspritzsystem in den Raum vor dem oder den Einlaß­ ventilen, gekennzeichnet dadurch, daß pro Zylinder mindestens zwei Einlaßventile mit je getrennter Zuleitung Frischmenge und mit je vorgelagerter Kraftstoffzuführung inklusive -verteilung angebracht sind und mindestens bei einer der getrennten Zu­ leitungen pro Zylinder der Anteil Kraftstoff mengenvariabel bekannter Art, aber zusätzlich zeitvariabel geregelt werden kann.

5. Otto-Motore nach Anspruch 3 oder 4 und gekennzeichnet dadurch, daß die Regelrampe der zeitvariablen Regelung für die Zugabe des Anteils Kraftstoff selbst auch variabel regelbar ist.

6. Otto-Motore nach Anspruch 3 oder 4 oder 5 und gekennzeichnet dadurch, daß bei mindestens zwei Einlaßventilen je Zylinder diese in versetzter Reihenfolge öffnen und schließen.