DE10004528A1 - Wahlweise mit 4-Takt-Betrieb oder 2-Takt-Betrieb betreibbare Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Brennkraftmaschine mit einem Zylinderblock mit mindestens einem Zylinder und einem in dem Zylinder oszillierenden Kolben, einem Zylinderkopf mit mindestens einem Ansaugkanal und einem Auslaßkanal, mindestens einem Einlaßventil pro Zylinder, das den Ansaugkanal zum Zylinder hin verschließt, und mindestens einem Auslaßventil pro Zylinder, das den Ansaugkanal zum Zylinder hin verschließt, wobei die Brennkraftmaschine wahlweise im 4-Takt-Betrieb oder 2-Takt-Betrieb betreibbar ist und wobei pro Zylinder mindestens ein Einspritzventil vorgesehen ist, das Brennstoff in den Zylinder einspritzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderblock mit mindestens einem Zylinder und einem in dem Zylinder oszillierenden Kolben, einem Zylinderkopf mit mindestens einem Ansaugkanal und einem Auslaßkanal, mindestens einem Einlaßventil pro Zylinder, das den Ansaugkanal zum Zylinder hin verschließt, und mindestens einem Auslaßventil pro Zylinder, das den Auslaßkanal zum Zylinder hin verschließt, wobei die Brennkraftmaschine wahlweise im 4-Takt-Betrieb oder 2-Takt-Betrieb betreibbar ist.

Herkömmliche Brennkraftmaschinen werden in der Regel entweder im 4-Takt-Betrieb oder im sogenannten 2-Takt-Betrieb betrieben. Beim 4-Takt-Betrieb wird in dem jeweiligen Zylinder jeweils nach zwei Umdrehungen der Kurbelwelle gezündet, während im 2-Takt-Betrieb pro Zylinder das in dem Zylinder befindliche Luft-Brennstoff-Gemisch nach jeweils einer Umdrehung der Kurbelwelle gezündet wird. Da in Brennkraftmaschinen im 2-Takt-Betrieb die Zündung bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle erfolgt, unterliegt die Umdrehungsgeschwindigkeit der Auslaßwelle geringeren Schwankungen, da sie durch die regelmäßiger erfolgenden Zündungen im Zylinder gleichmäßiger angetrieben wird. 2-Takt-Brennkraftmaschinen laufen somit besonders ruhig.

Auch kann mit Brennkraftmaschinen im 2-Takt-Betrieb ein größeres Drehmoment an der Abtriebswelle erzeugt werden, als dies bei 4-Takt-Brennkraftmaschinen möglich ist, da beim 2-Takt-Betrieb die doppelte Anzahl von Verbrennungen erfolgt. Da im 2-Takt- Betrieb jedoch der Ansaug- und Ausstoß-Takt gleichzeitig erfolgen, werden das Frischgas und das Abgas nicht vollständig ausgetauscht, so daß bei der Zündung ein Frischgas-Abgas-Gemisch gezündet wird, bei dem der Grad der Verbrennung schlechter ist. Somit ist die 2-Takt-Brennkraftmaschine in ihrer Energieumwandlungsrate schlechter und hat einen größeren Brennstoffbedarf.

Bei 4-Takt-Brennkraftmaschinen erfolgt die Zündung alle zwei Umdrehungen der Kurbelwelle. Der Ansaug- und Ausstoß-Takt sind in diesem Betrieb voneinander getrennt. Somit kann das Abgas in jedem 4-Takt-Zyklus vollständig ausgestoßen werden und Frischgas in der für eine optimale Verbrennung notwendigen Menge in den Zylinder eingebracht werden, wodurch eine gute Energieumwandlungsrate möglich wird. 4-Takt- Brennkraftmaschinen weisen aufgrund ihrer guten Energieumwandlungsrate einen niedrigeren Brennstoffverbrauch auf. Nachteilig bei 4-Takt-Brennkraftmaschinen ist jedoch, daß die Umdrehungsgeschwindigkeit der Abtriebswelle aufgrund der verminderten Anzahl von Zündungen großen Schwankungen unterliegt, so daß 4-Takt- Brennkraftmaschinen im Vergleich zu 2-Takt-Brennkraftmaschinen unruhiger laufen. Ferner ist das von 4-Takt-Brennkraftmaschinen erzeugte Drehmoment niedriger.

Um in Abhängigkeit der Betriebssituation die gute Effizienz der 4-Takt- Brennkraftmaschine und das große Drehmoment der 2-Takt-Brennkraftmaschine zu nutzen, ist in der US-PS 55 17 951 vorgeschlagen worden, eine Brennkraftmaschine wahlweise im 4-Takt-Betrieb oder 2-Takt-Betrieb zu betreiben.

Die bekannte Brennkraftmaschine weist einen Zylinderblock mit mindestens einem Zylinder und einem in dem Zylinder oszillierenden Kolben auf, sowie einen Zylinderkopf mit mindestens einem Ansaugkanal und einem Auslaßkanal, mindestens einem Einlaßventil pro Zylinder, das den Ansaugkanal zum Zylinder hin verschließt, und mindestens einem Auslaßventil pro Zylinder, das den Auslaßkanal zum Zylinder hin verschließt.

Die Einlaß- und Auslaßventile werden über elektro-hydraulisch angetriebene Geber individuell gesteuert. Dadurch wird es möglich, das Einlaß- und Auslaßventil zu den für 4- Takt-Brennkraftmaschinen üblichen Steuerzeiten alle zwei Umdrehungen der Kurbelwelle zu öffnen, oder aber das Einlaß- und Auslaßventil zu den für einen 2-Takt-Betrieb notwendigen Steuerzeiten jeweils einmal pro Umdrehung der Kurbelwelle zu öffnen.

Bei der vorbekannten Brennkraftmaschine wird der Brennstoff in dem Fachmann bekannter Weise im Ansaugkanal mit der Luft vermischt, bzw. in diese eingespritzt, so daß aus dem Ansaugkanal bei geöffnetem Einlaßventil vorgemischtes Frischgas in den Zylinder eingesaugt werden kann. Dies bringt den Vorteil, daß der Zylinder gleichmäßig mit Frischgas der gleichen Mischung gefüllt wird und somit unabhängig von der Gemischbewegung im Zylinder bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine zum Zeitpunkt der Zündung in der Nähe der Zündkerze ein zündfähiges Gemisch bildet. Dadurch ist bei jedem Zündtakt eine Verbrennung des Frischgases im Zylinder möglich. Nachteilig ist jedoch, daß mit dem vorgemischten Frischgas häufig mehr Brennstoff in den Zylinder eingeführt wird, als in einem Verbrennungstakt verbrannt werden kann. Somit kann der im Zylinder befindliche Brennstoff nicht vollständig umgesetzt werden, wodurch derartige Brennkraftmaschinen eine geringere Energieumwandlungsrate haben als bei Verbrennung des gesamten im Zylinder befindlichen Brennstoffs.

Ein weiterer Mechanismus zum Umschalten von einem 4-Takt-Betrieb auf einen 2-Takt- Betrieb ist aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 584 575 A1 bekannt. Die mit diesem Mechanismus ausgerüstete Brennkraftmaschine weist pro Zylinder ein Einlaß- und ein Auslaßventil auf, wobei die Ventile über Stößelstangen betätigt werden. Die Kraftübertragung von einer Nockenwelle auf die beiden Stößelstangen erfolgt mittels hydraulischer Gestänge, wobei jedes der Gestänge aus Geberkolben, Nehmerkolben und einem Rundschieber mit Steuerbohrungen gebildet wird. Pro Ventil sind mindestens zwei dieser hydraulischen Gestängeanordnungen vorgesehen.

Durch den Nocken der Nockenwelle wird der diesem Teil der Nockenwelle zugeordnete Geberkolben betätigt. Der Geberkolben wird zusammengedrückt, wodurch eine in ihm gespeicherte Flüssigkeit durch eine Steuerbohrung des Rundschiebers zu dem Nehmerkolben gefördert wird. Diese Flüssigkeitsbewegung führt dazu, daß der Nehmerkolben sich ausdehnt und somit das an ihm angeschlossene Ventil öffnet.

Neben dem beschriebenen Geberkolben ist ein weiterer Geberkolben angeordnet, der über eine neben der zuerst beschriebenen Nocke angeordnete weitere Nocke gesteuert wird. Je nach Stellung des Rundschiebers verbindet eine im Rundschieber vorgesehene Steuerbohrung entweder den ersten oder den zweiten Geberkolben mit dem Nehmerkolben.

Auf diese Weise kann durch Verschiebung des Rundschiebers die Bewegung jeweils eines Geberkolbens auf den Nehmerkolben übertragen werden. Da die Geberkolben von unterschiedlichen Nocken der Nockenwelle gesteuert werden, ist es auf diese Weise möglich, unterschiedliche Steuerzeiten, wie sie beispielsweise für einen 4-Takt-Betrieb oder 2-Takt-Betrieb notwendig sind, zu verwirklichen.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß sie eine gute Energieausbeute ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß pro Zylinder mindestens ein Einspritzventil vorgesehen ist, das Brennstoff in den Zylinder einspritzt.

Durch die direkte Einspritzung von Brennstoff in den Zylinder muß der Brennstoff nicht mehr, wie aus dem Stand der Technik bekannt, im Ansaugkanal mit der Luft vermischt werden sondern der Brennstoff kann gezielt in den Zylinder eingebracht werden.

So kann mit der direkten Brennstoffeinspritzung beispielsweise eine sogenannte "Ladungsschichtung" erreicht werden, bei der der Brennstoff in dem Zylinder teilweise in einer Gemischwolke, deren Mischverhältnis von Brennstoff zu Luft oberhalb des für eine vollständige Verbrennung notwendigen stöchiometrischen Verhältnisses liegt (fettes Gemisch), vorliegt und in den restlichen Teilen des Zylinders in einem Mischverhältnis vorliegt, das unterhalb des stöchiometrischen Verhältnisses liegt (mageres Gemisch). Die Verbrennung breitet sich ausgehend von der fetten Gemischwolke in den restlichen Raum des Zylinders aus, wobei die Mischverhältnisse in der Gemischwolke und im restlichen Zylinder so gewählt sind, daß sie in der Gemischwolke genügen, um die Verbrennung zu starten, und außerhalb der Gemischwolke ausreichen, um eine weitere Ausbreitung der Verbrennung zu ermöglichen.

Mit der Direkteinspritzung von Brennstoff in den Zylinders ist es somit möglich, gerade soviel Brennstoff in den Zylinder einzubringen, wie für eine Verbrennung notwendig ist. Der Nachteil des Standes der Technik, bei dem der gesamte Brennraum mit Gemisch im stöchiometrischen Verhältnis gefüllt wird, das aber nicht vollständig verbrannt werden kann und somit zu einem erhöhten Brennstoffverbrauch führt, kann so verhindert werden.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann dabei sowohl eine fremdgezündete Brennkraftmaschine sein, bei der es sich dann empfiehlt, eine Gemischwolke zu schaffen, die zum Zeitpunkt der Zündung in der Nähe der Zündkerze ist, oder aber als selbstzündende Brennkraftmaschine ausgeführt sein.

Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist es sinnvoll, das Einlaß- und das Auslaßventil über eine variable Nockenwelle zu steuern. Die Nockenwelle sollte dabei pro Ventil zwei nebeneinander liegende Nockenwellenkreise haben. Auf der Nockenwelle sollten demnach nebeneinander zwei Nocken pro Zylinder liegen, die die Ansteuerung der Ventile zu den für den jeweiligen Betrieb notwendigen Steuerzeiten ermöglichen. Beispielsweise kann hier ein Mechanismus, wie er aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 584 575 A1 bekannt ist, eingesetzt werden.

Alternativ ist es möglich, daß Magnetspulen das Einlaßventil und das Auslaßventil einzeln ansteuern. Bei einer derartigen Anordnung ist beispielsweise am oberen Ende des Schafts des Ventils ein Permanentmagnet vorgesehen, der in zwei übereinanderliegenden Magnetspulen geführt wird. Je nachdem welche Magnetspule durch Beaufschlagung mit Strom magnetisiert wird, wird der Permanentmagnet von der oberen zur unteren Magnetspule oder in umgekehrter Richtung bewegt. Auf diese Weise wird das Ventil geöffnet und geschlossen. Die elektrische Ansteuerung der Magnetspulen ermöglicht es, das Öffnen und Schließen des Ventils zu den für einen optimalen Gasaustausch in dem Zylinder notwendigen Zeiten zu öffnen und zu schließen.

Alternativ zu den beiden oben genannten Möglichkeiten ist es jedoch auch denkbar, die Ventile mit elektro-hydraulischen Gebern zu steuern, wie dies aus der US-PS 55 17 951 bekannt ist.

Der Gaswechsel in dem Zylinder, der das Einbringen von Frischgas in den Zylinder durch das geöffnete Einlaßventil und das Ausstoßen von Abgas aus dem geöffneten Auslaßventil beinhaltet, kann insbesondere beim 2-Takt-Betrieb verbessert werden, wenn in dem Ansaugkanal ein Kompressor vorgesehen ist, so daß die Frischluft mit Überdruck in den Zylinder einströmt.

Da beim 2-Takt-Betrieb der Ansaug- und Ausstoßtakt nahezu zusammenfallen, ist es zweckmäßig, daß die über das geöffnete Einlaßventil einströmende Frischluft das im Zylinder vorhandene Abgas aus dem geöffneten Auslaßventil herausdrückt. Dies geschieht besonders vorteilhaft dann, wenn die Frischluft mit Überdruck in den Zylinder einströmt und das darin befindliche Abgas verdrängt und aus dem Auslaßventil hinausdrückt.

Im Ansaugkanal kann ein Kompressor vorgesehenen sein, für den entweder ein eigener Antrieb vorgesehen sein kann, beispielsweise ein Elektroantrieb, oder ein an die rotierende Kurbelwelle gekuppelter Antrieb vorgesehen sein kann. Es ist jedoch auch denkbar, daß der Kompressor Teil eines Abgasturboladers ist und somit durch eine im Auslaßkanal vorgesehene Abgasturbine angetrieben wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1, A-D den Ablauf des 4-Takt-Betnebs einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung und

Fig. 2, A-D den Ablauf des 2-Takt-Betriebs der Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung.

Bei der in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellten Brennkraftmaschine handelt es sich um eine fremdgezündete Brennkraftmaschine. Der Aufbau der Brennkraftmaschine ist in den Fig. 1 und 2 gleich, so daß er lediglich anhand der Fig. 1A unter Zuhilfenahme der Bezugszeichen näher erläutert wird.

Die Brennkraftmaschine weist einen Zylinderblock 1 auf, in dem mindestens ein Zylinder 2 vorgesehen ist, in dem ein Kolben 3 oszilliert. Nach oben hin wird der Zylinderblock 1 durch einen Zylinderkopf 4 abgeschlossen. In dem Zylinderkopf 4 ist ein Ansaugkanal 5 vorgesehen, der zum Zylinder 2 hin durch ein Einlaßventil 6 verschließbar ist. Ferner ist im Zylinderkopf 4 ein Auslaßkanal 7 vorgesehen, der zum Zylinder 2 hin durch ein Auslaßventil 8 verschließbar ist. Ein Einspritzventil 9 ist zwischen dem Einlaßventil 6 und dem Auslaßventil 8 angeordnet. Der Zylinder weist ferner eine nicht dargestellte Zündkerze auf.

Nachfolgend wird anhand der Fig. 1A bis 1D der Ablauf des 4-Takt-Betriebs beschrieben. Aus Gründen der Übersicht wurden lediglich die für die Beschreibung notwendigen Bezugszeichen in die Fig. 1B bis 1D übernommen.

In Fig. 1A ist der sogenannte Ansaug-Takt des 4-Takt-Betriebs dargestellt. Der Kolben 3 bewegt sich nach unten und saugt durch das geöffnete Einlaßventil 6 Frischluft in den Zylinder 2.

Während des sogenannten Kompressions-Takts, der in Fig. 1B dargestellt ist, sind sowohl das Einlaßventil 6 als auch das Auslaßventil 8 geschlossen. Der sich nach oben bewegende Kolben 3 komprimiert das im Zylinder 2 befindliche Gas, während durch das Einspritzventil 9 Kraftstoff in den Zylinder 2 eingespritzt wird. Der Kraftstoff wird dabei so über das Einspritzventil 9 eingespritzt, daß sich zum Zeitpunkt der am Ende des Kompressionstakts erfolgenden Zündung des Gemischs durch die nicht dargestellte Zündkerze um diese herum eine Gemischwolke bildet, die zumindestens stöchiometrisches Gemisch enthält.

In Fig. 1C ist der sogenannte Verbrennungstakt dargestellt, in dem das Gemisch im Zylinder 2 verbrannt wird und die durch die Verbrennung freiwerdende Energie den Kolben 3 nach unten drückt.

Im anschließenden Ausstoß-Takt gemäß Fig. 1D öffnet das Auslaßventil 8 und der sich nach oben bewegende Kolben 3 stößt das verbrannte Gas aus dem Zylinder 2 aus. Am Ende des Ausstoßtakts schließt das Auslaßventil 8 und das Einlaßventil 6 wird geöffnet, worauf sich der in Fig. 1A dargestellte Ansaugtakt erneut anschließt.

In den Fig. 2A bis D ist der Ablauf des 2-Takt-Betriebs dargestellt.

Am Ende der Bewegung des Kolben 3 nach unten, wie sie in Fig. 2A dargestellt ist, wird kurz vor dem unteren Totpunkt (UT) des Kolbens 3 das Auslaßventil 8 geöffnet. Das verbrannte Gemisch im Zylinder kann durch das geöffnete Auslaßventil 8 entweichen.

Kurz darauf wird das Einlaßventil 6 ebenfalls geöffnet und die durch einen nicht dargestellten Kompressor verdichtete Frischluft in den Zylinder 2 gedrückt. Bei dieser Einströmung in den Zylinder 2 schiebt die unter Überdruck stehende Frischluft das Abgas aus dem geöffneten Auslaßventil 8 hinaus.

Kurz nach Erreichen des unteren Totpunkts des Kolbens 3 wird das Auslaßventil 8 und kurz darauf das Einlaßventil 6 geschlossen. Während seiner Aufwärtsbewegung, wie sie in Fig. 2B dargestellt ist, verdichtet der Kolben 3 das in dem durch das geschlossene Einlaßventil 6 und das geschlossene Auslaßventil 8 nunmehr vollständig geschlossenen Zylinder 2 befindliche Gas. Kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunkts des Kolbens 3 spritzt das Einspritzventil 9 Kraftstoff in den Zylinder 2, so daß eine Gemischwolke um die nicht dargestellte Zündkerze gebildet wird. Die Zündkerze zündet das Gemisch und der Kolben wird, wie in Fig. 2C dargestellt, nach unten gedrückt. Am Ende dieser Bewegung wird erneut das Auslaßventil 8 und das Einlaßventil 6 geöffnet, so daß der Zylinder 2 gespült und mit neuem Frischgas gefüllt werden kann. Daran schließt sich ein erneuter Kompressionstakt an, wie in Fig. 2D dargestellt, an dessen Ende erneut eine Einspritzung von Kraftstoff erfolgt und eine Zündung des entstandenen Gemisches.

Aus dem Vergleich der Fig. 1 und 2 wird ersichtlich, daß die Brennkraftmaschine im in Fig. 2 dargestellten 2-Takt-Betrieb doppelt so viele Zündungen durchführt, wie die Brennkraftmaschine in dem in Fig. 1 dargestellten 4-Takt-Betrieb. Auf diese Weise kann bei gleicher Umdrehungsgeschwindigkeit der an den Kolben 3 angeschlossenen Abtriebswelle das doppelte Drehmoment erzeugt werden. Durch die aufgrund der direkten Einspritzung des Kraftstoffs in den Zylinder 2 mögliche Ladungsschichtung im Zylinder 2, kann der Zylinder 2 mit weniger Brennstoff gefüllt werden, als dies bei vorgemischten Betriebsweisen der Fall ist, so daß durch die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine Brennstoffersparnis erzielt wird.

Claims (6)

1. Brennkraftmaschine mit einem Zylinderblock (1) mit mindestens einem Zylinder (2) und einem in dem Zylinder (2) oszillierenden Kolben (3), einem Zylinderkopf (4) mit mindestens einem Ansaugkanal (5) und einem Auslaßkanal (7), mindestens einem Einlaßventil (6) pro Zylinder (2), das den Ansaugkanal (5) zum Zylinder (2) hin verschließt, und mindestens einem Auslaßventil (8) pro Zylinder (2), das den Auslaßkanal (7) zum Zylinder (2) hin verschließt, wobei die Brennkraftmaschine wahlweise im 4-Takt-Betrieb oder 2-Takt-Betrieb betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß pro Zylinder (2) mindestens ein Einspritzventil (4) vorgesehen ist, das Brennstoff in den Zylinder (2) einspritzt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine variable Nockenwelle das Einlaßventil (6) und das Auslaßventil (8) steuert.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Magnetspulen das Einlaßventil (6) und das Auslaßventil (8) einzeln steuern.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß elektro- hydraulisch angetriebene Geber das Einlaßventil (6) und das Auslaßventil (8) einzeln steuern.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Ansaugkanal (5) ein Kompressor vorgesehen ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor Teil eines Abgasturboladers ist.