DE10036020A1 - Anordnung zur Beeinflussung des Brennraumfüllgrades von Verbrennungskraftmaschinen, betrieben durch Hilfsenergie und Verfahren zum Betreiben dieser Anordnung - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird eine Anordnung zum Laden/Nachladen einer Verbrennungskraftmaschine durch kontrolliert auf elektrischem Weg erzeugte Druckstöße. Dadurch lassen sich je nach aktuellem Bedarf die für eine optimale Verbrennung gewünschten, bzw. erforderlichen Brennraumfüllungen erreichen. Auch Verminderungen des Füllgrades sind möglich. Diese Anordnung benötigt keine solch hohen Mengen an Fremdenergie wie vergleichbare vorbekannte Anordnungen und arbeitet effektiver.

Description

Um Verbrennungskraftmaschinen in ihrer Leistung zu steigern oder in ihrem Wirkungsgrad zu verbessern sind mehrere Möglichkeiten denkbar. Neben der Erhöhung der Drehzahl ist die Zufuhr von Frischluft höherer Dichte ein Mittel dafür. Diese Dichteerhöhung wird durch verschiedene technische Vorrichtungen möglich.

Oft werden Abgasturbolader oder mechanische Lader benutzt, um den Druck im Ansaugtrakt der Verbrennungsmaschine zu erhöhen. Auch Systeme wie der Druckwellenlader (Comprexlader) oder Kolbenlader sind vorbekannt. Diesen Systemen, ausgenommen der Comprexlader, ist gemein, daß von einer Arbeitsmaschine Luft komprimiert und mit einem bestimmten Druck an die Einlaßseite des Verbrennungsmotors weitergegeben wird. Dazu ist ein kontinuierlicher Zufluß von Energie an die Arbeitsmaschine nötig, der entweder aus dem Abgasstrom oder von der mechanischen Abtriebsseite der Verbrennungskraftmaschine selbst oder von einer Hilfsenergiequelle kommt.

Der Komprexlader wiederum liefert zu abgestimmten Zeiten, dann wenn die Einlaßventile der Verbrennungsmaschine geöffnet sind, und nachdem das Abgas ausgestoßen wurde, einen Druckstoß mit Frischgas.

In der Literatur sind ebenfalls Anordnungen und Verfahren beschrieben, bei denen durch einen Hub eines externen Hilfskolbens zum Ende den Einlaßzyklus eine bestimmte Menge Frischgas noch zusätzlich in den Verbrennungsraum gebracht wurde, Frischluft nachgeladen wurde.

Wünschenswert ist eine Vorrichtung, die zu wählbaren Zeitpunkten eine bestimmte Menge Frischgas mit einem bestimmten Druck bereitzustellen in der Lage ist und dies möglichst nicht direkt auf Kosten der von Verbrennungsmotor abgegebenen mechanischen Leistung.

So ist es möglich, mit definierten Druckimpulsen mit definierter Amplitude und kurzer Zeitdauer, die durch den Ansaugtrakt in den Verbrennungsmotor einströmende Frischluft so zu beschleunigen, daß eine Mehrfüllung des/der Zylinder im Vergleich zum nicht nachgeladenen Fall möglich wird.

Hergebrachte Druckwellenlader, die diesen Effekt erbringen, funktionieren mittels eines Zellenrades, das die Druckstöße der aus dem Zylinder entweichenden Abgase reflektiert und damit das Frischgas im Ansaugtrakt beschleunigt.

Leider ist der Vorgang des Ladens bzw. Nachladens hier immer starr mit dem Vorgang des Ausstossens verbunden, so daß eine externe und willkürliche Steuerung des Lade- bzw. Nachladeeffektes sehr schwer, wenn nicht gar unmöglich ist.

Eine Vorrichtung, die den Vorgang des Ladens bzw. Nachladens vom Zustand des Verbrennungsmotors abkoppelt ist demnach dem zuletzt genannten Druckwellenlader überlegen.

Diese Entkopplung wird in der vorliegenden Erfindung dadurch ermöglicht, daß der Ladeprozess vollständig mittels Fremdenergie durchgeführt wird.

Der Einsatz von Elektroenergie aus dem Bordnetz eines Kraftfahrzeuges und Umwandlung in einer Elektromaschine ist hierfür geeignet. Dies ist für den allgemeinen Fall einer konstanten Aufladung ebenfalls durch diverse Patente und Veröffentlichungen vorbekannt.

Auch die künstliche Erzeugung von Druckwellen mittels Fremdenergie ist offengelegt. In GB 2203488 A wird zum Beispiel eine Vorrichtung beschrieben, die einen Lautsprecher oder eine fremdgespeiste Druckkammer zur Erzeugung von Druckwellen nutzt. So sollen sich Druckstöße vom Lautsprecher bzw. Druckkammer lösen, den Ansaugkanal durchqueren und zu einer Beeinflussung des Füllgrades im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine führen. Dieses dort beschriebene Prinzip ist jedoch nur beschränkt zu diesem Zweck nutzbar, da durch das Druckwellen erzeugende Bauteil Longitudinalwellen erzeugt werden, die sich erstens in der dargelegten Anordnung sehr schlecht in den Ansaugkanal fortpflanzen zweitens von sehr kurzer Dauer sind und drittens keine unidirektionale Bewegungsrichtung aufweisen. Zu erstens: die dargestellte Anbringung des Lautsprechers mit einem gewissen Abstand vor einer sich wieder verjüngenden Aufweitung des Ansaugkanals führt zu sehr starken Reflexionen der Schallwellen(n) an der sich verjüngenden Struktur. Das resultiert daraus, da die sich von Lautsprecher bzw. druckerzeugendem Bauelement ablösenden Schallwellen bei einer solch tiefen Frequenz liegen, daß diese Wellen sich kugelförmig von Ort ihrer Entstehung ablösen. Die Frequenz muß so tief sein, da sich bei höheren Frequenzen keine nutzbringenden, das heißt füllgradverändernden, Druckschwankungen erzeugen lassen. Zu zweitens: die Wirkdauer der entstehenden Wellenfronten ist so kurz, das kein zur Beeinflussung des Füllgrades führender Massentransport möglich ist. Drittens bildet sich in der vorgeschlagenen Anordnung kein gerichteter Massenstrom aus. Die Membran erzeugt nur Schwingungen im Ansaugrohr.

Diese nachteiligen Eigenschaften werden durch die im Nachfolgenden beschriebene Erfindung behoben. Neu ist eine elektrische Ausführung eines Druckwellenladers mit einer strömungsdynamischen Transformatorstruktur und einer Druckwelleninjektion in einen Kanal. Diese Ausführung besteht hier aus einem Teil zur initialen Beschleunigung von Frischgas, dem strömungsdynamischen Transformator, einem strömungsdynamischen Gleichrichter und einem Teil zur Ausbildung einer ebenen Wirbelfront.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, welche durch Nutzung von Hilfsenergie eine Druckwelle im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine erzeugt, die zur Beeinflussung des Zylinderfüllgrades führt. Weiterhin soll ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung geschaffen werden, das eine gezielte Steuerung des Zylinderfüllgrades ermöglicht.

Dabei wird eine Membran, die auf verschiedenste Arten elektrisch bewegt werden kann, zur initialen Beschleunigung des Frischgases herangezogen. Eine konische Struktur in Form einer Hornkontur (Transformator), die direkt an die Membran gekoppelt ist, transformiert hier eine relativ geringe Auslenkung auf einem großen Querschnitt in eine große Auslenkung auf einem geringen Querschnitt, und damit in eine hohe Geschwindigkeit des Gases am Auslaß dieser Struktur. Zirkular auf der Fläche der Transformators verteilte Ventile sorgen für eine gerichtete Luftbewegung von Außen in das Innere der Hornkontur (Transformator) bei einer Saugbewegung der Membran (Ventile offen) bzw. für eine Luftbewegung durch der Transformator bei einer Stoßbewegung der Membran (Ventile geschlossen). Die Ventile sind vorzugsweise als Flatterventile ausgebildet, es sind jedoch auch andere Ventilarten einsetzbar. Ebenfalls sind Ausführungen möglich, bei denen es vorteilhaft ist, auch auf der Membran mindestens 1 Ventil anzuordnen.

Das Ende der Transformatorstruktur wird durch eine optimierte Abrisskante gebildet, die dafür sorgt, daß der an dem Ort aus der Transformatorstruktur austretende Gasstrahl eine sich mit der hohen Geschwindigkeit, die er an diesem Ort besitzt weiterbewegt und in einiger Entfernung aufweitet (Diffusor). Die Ansaugleitung der Verbrennungskraftmaschine umschließt das Ende des Transformators vollständig. Der Diffusor wird nach sich am ausgeführten Transformator einstellenden Bedingungen, wie Geschwindigkeit der Druckwelle am Ausgang der Transformatorstuktur, Wandrauhigkeit und damit einhergehendes Strömungsprofil und weiteren geometrischen Randbedingungen entwickelt.

Als Ergebnis wird diese Anordnung einen auf elektrischen Wege zugeführten Impuls in eine hohe Geschwindigkeit von durch ihn beschleunigtem Frischgas überführen. Es entsteht ein nadelförmiger Gasstrahl, der in den Ansaugkanal eintritt und sich dort weiter fortsetzt.

Der sich aufweitende Frischgasstrahl führt in einer Entfernung, die von der Geometrie des Diffusors, der Ansaugleitung und vom Druck des Gasstrahls am Austrittsort am Diffusor abhängt, zu einem stabilen Wirbel, der sich durch die Ansaugleitung fortbewegt und dabei das in diesem Kanal befindliche Frischgas vor sich her schiebt. Gleichzeitig saugt dieser Wirbel auch Frischgas aus Richtung Luftfilter nach.

Dieses bewegte Frischgas führt nach dem Eintreten in das/die Einlaßventile im Brennraum zu einer Beeinflussung des dortigen Füllgrades.

Ausschlaggebend für die Menge des transportierten und beschleunigten Frischgases, ist neben der Membranauslenkung der Durchmesser und die Länge des Ansaugkanales. So ist eine Steuerung der Anordnung auch durch eine gezielte Aufweitung bzw. Verengung des Ansaugkanals möglich.

Um nach der Reflexion der Druckwelle am Kolben des Verbrennungsmotors das sich wieder in Richtung Luftfilter bewegende Frischgas so zu bemessen, daß die gewünschte und erforderliche Menge im Zylinder verbleibt, ist eine exakte Steuerung der Membranbewegung und die Einhaltung eines strikten Zeitregimes notwendig.

Die die sich aufbauende Druckwelle bestimmenden Größen sind neben der Geometrie der Bauteile die Amplitude, die Frequenz und die Anstiegszeit der Membranbewegung. Durch gezielte Abstimmung dieser Kenngrößen untereinander kann die Höhe und der Zeitpunkt des Auftretens des Druckstoßes eingestellt werden. Betreibbar ist die Anordnung mittels einer Regelung, die ihre Istwerte aus mindestens einem Drucksensor im Ansaugtrakt bezieht, als auch durch eine Kennfeldsteuerung, in der die Betriebskenngrößen des Verbrennungsmotors als auch des elektromechanischen Laders referenziert sind.

Eine mögliche Ausführungsform der Erfindung wird anhand folgender Figur beschrieben (Fig. 1):
Die Membran (M) wird mittels eines elektrodynamischen Antriebes, bestehend aus einer Schwingspule (SSp), die sich im Magnetfeld eines Magneten (PM) befindet, durch einen Stromfluß durch die Spule (Ssp) in Richtung B angetrieben (M→B).

Die sich auf Seite B der Membran befindliche Luft wird dadurch beschleunigt und versucht, da die geschlossenen Ventile (Vent) keinen anderen Weg zulassen, durch die hornförmige Kontur des Transformators zu entweichen. Dabei verringert sich kontinuierlich der zur Verfügung stehende Querschnitt und somit erfährt die Luft eine Beschleunigung in Richtung Ende der Transformatorstruktur (Ort_E1).

Diese Beschleunigung ist, abgesehen von Kompression des Gases, etwa proportional zur Verminderung der Querschnittes der Transformatorstruktur. Ab Ende des Transformators ist ein Bauteil mit optimierter Geometrie und Oberfläche (Di) angeordnet, das dafür sorgt, daß sich ein nadelförmiger Strahl aus beschleunigtem Frischgas vom Transformator löst und in die Ansaugleitung eintritt. Nach kurzem im Ansaugkanal zurückgelegtem Weg divergiert dieser Gasstrahl und führt zur Ausbildung eines Wirbels, der sich weiter in Richtung Einlaßventile vorwärts bewegt, und dabei rückwärts rotiert. Dieser Wirbel schiebt eine Frischgasmenge vor sich her. Diese Luft wird in Richtung der Verbrennungsmaschine bewegt und führt dort einerseits zu einer Beeinflussung der Frischgasmenge in einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine. Andererseits wird verstärkt Frischluft in den Ansaugkanal nachgesogen, da nach der Druckwellen-front (P_Ü), die eine Verdichtungswelle ist, eine Verdünnungswelle (P_U) folgt.

Nach Erreichen der maximalen Auslenkung der Membran kehrt diese in ihre Ruhelage zurück und überschreitet diese in Richtung negative Auslenkung, Seite A. Dadurch und weil die Druckwelle den Transformator verlassen hat, öffnen die Ventile in der Wandung der Transformatorstruktur und lassen Frischgas in das Innere dieses Bauteils nachströmen. Ein kompletter Zyklus ist damit abgeschlossen.

Eine Möglichkeit zum Betreiben der Anordnung soll folgender Ablaufplan verdeutlichen.

Der vorbekannte Betriebsfall stellt sich wie folgt dar. Der Kolben der Verbrennungsmaschine befindet sich am Anfang des Ansaugzyklus, das/die Einlaßventile öffnen sich. Das im Ansaugtrakt befindliche Frischgas wird von einer Unterdruckwelle (Verdünnungswelle) durchlaufen, die sich in Richtung Luftfilter zubewegt. Diese Unterdruckwelle wird im Luftfilter reflektiert und durchläuft den Ansaugtrakt in umgekehrter Richtung zum Motor hin als Überdruckwelle. Am Ende des Ansaugzyklus schließt das/die Einlaßventil(e) und im Motor ist bei guter Bemessung des Saugrohres eine Mehrfüllung des Brennraumes mit Frischgas verglichen zum reinen Zylinderhubvolumen festzustellen.

Die in der Erfindung beschriebene Anordnung kann nun in zwei Varianten die Füllung des ansaugenden Zylinders mit Frischgas beeinflussen:

• a) die Verdünnungswelle des Ansaughubes ist schon in Richtung Luftfilter gewandert und wird gerade an diesem reflektiert. Die Membran erzeugt einen Druckimpuls, der von der Transformatorstruktur verstärkt wird und in das Ansaugrohr einen Druckstoß abgibt. Dieser Druckstoß läuft dem am Luftfilter als Verdichtungswelle reflektierten Impuls der Verdünnungswelle des Ansaughubes voraus und tritt durch das/die Einlassventile in den Zylinder ein. Am Kolben wird dieser künstlich erzeugte Druckstoß reflektiert und verläßt durch das/die immer noch geöffnete(n) Einlassventil(e) den Zylinder. Dabei wird Frischgas aus dem Zylinder herausgetrieben und die nun eintreffende Verdichtungswelle des Ansaughubes beim Eintreten in den Brennraum behindert. Danach schließt das/die Einlassventil(e) und der Ansaugtrakt ist abgeschlossen. Als Ergebnis dieses Ablaufes ist eine verminderte Zylinderfüllung, entsprechend einer Drosselung auf konventionelle Art, festzustellen.
• b) ausgehend von dem unter a) beschriebenen Vorgang erzeugt hier die Membran zu einem späteren Zeitpunkt den künstlichen Druckimpuls. Dieser Zeitpunkt stimmt etwa mit dem Zeitpunkt des Passierens der vom Luftfilter als Verdichtungswelle reflektierten Verdünnungswelle des Ansaugtraktes überein, bzw. läuft diesem etwas hinterher. Als Resultat ist am Ende des Ansaugzyklus, dann wenn das/die Einlassventil(e) schließt bzw. schliessen die am Kolben reflektierte künstlich erzeugte Verdichtungswelle vollständig im Brennraum eingeschlossen und hat dort eine Mehrfüllung mit Frischgas ausgelöst.

Auf die unter a) beschriebene Weise kann eine Drosselung des Motors erfolgen, ohne eine Drosselklappe zu verwenden.

Die Menge des von der Anordnung bei einer Membranbewegung gelieferten Frischgases, das zur Beeinflussung des Brennraumfüllgrades führt, kann in folgenden Varianten beeinflusst werden:

• - durch Vergrößerung des Querschnittes des Ansaugkanals verlagert sich der Ort der Entstehung des stabilen Wirbels weiter weg vom Diffusor. Das führt dazu, daß sich später als im nicht aufgeweiteten Zustand eine nutzbare Luftbewegung in Richtung Einlaßventile einstellt, die geforderte Luftmenge wird kleiner.
• - durch Verringerung des Querschnittes des Ansaugkanals verlagert sich der Ort der Entstehung des stabilen Wirbels näher an den Diffusor heran. Dabei entsteht die nutzbare Luftbewegung früher, die geförderte Luftmenge wird größer.
• - durch Erhöhung der Kraft, mit welcher die Membran bewegt wird findet eine Vergrößerung der Geschwindigkeit des die Transformatorstruktur verlassenden Frischgases statt. Der Frischgasstrahl kann einen weiteren Weg im Ansaugkanal zurücklegen, ohne sich aufzuweiten. Der stabile, nachladende Wirbel bildet sich später aus. Das führt zu einer Verminderung der in den Brennraum gelieferten Frischgasmenge.
• - Durch Verlängerung des Membranhubes bei eine bestimmten Kraft und der sich dabei einstellenden Geschwindigkeit der Membran wird mehr Frischgas durch die Transformatorstruktur in den Ansaugkanal gedrückt. Dieses sich mit hoher Geschwindigkeit im Ansaugkanal bewegende Gas erzeugt im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eine Mehrfüllung. Das durch den sich einstellenden Wirbel zusätzlich in der Brennraum geschobene Frischgas bleibt bei dieser Annahme unberücksichtigt.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer transient und turbulent gerechneten ANSYS/Floatran Simulation der Anordnung. Das Model ist rotationssymetrisch. Zu sehen ist zu einem Zeitpunkt 22 ms nach Anlegen eines Druckes von 1500 Pa an die Membran die Gasgeschwindigkeit in der Ansaugleitung in Längsrichtung (vx). Der sich bis dahin ausgebildete Frischgasstrahl hat sich soweit aufgeweitet, daß sich der erwähnte Wirbel gut sichtbar ausbildet.

Claims (13)

1. Anordnung zur Beeinflussung des Brennraumfüllgrades von Verbrennungskraftmaschinen, betrieben durch Hilfsenergie, dadurch gekennzeichnet daß, mittels mindestens einer durch Hilfsenergie bewegten Membran im Zusammenwirken mit mindestens einer strömungsdynamischen Transformatorstruktur Druckstöße erzeugbar sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran an eine sich in ihrem Querschnitt zum Ansaugrohr hin verjüngende strömungsdynamische, hornähnliche Transformatorstruktur direkt gekoppelt ist.

3. Anordnung nach einer der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Anordnung aus mindestens einem Ventil an der Außenhülle der Transformatorstruktur und/oder auf der Membran die Ausbildung einer Folge von zum Verbrennungsmotor hin gerichteten Druckstößen ermöglicht wird.

4. Anordnung nach einer der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der den Druckstoß erzeugenden Transformatorstruktur auf die Ausbildung eines durch die Ansaugleitung hindurchlaufenden Wirbels hin optimiert ist.

5. Anordnung nach einer der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der den Druckstoß erzeugenden Transformatorstruktur vollständig von einer/der Ansaugleitung der Verbrennungskraftmaschine umschlossen wird.

6. Anordnung nach einer der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Anordnung durch verschiedene Drucksensoren im Ansaugtrakt und eine Auswertung deren Daten in einer Steuerelektronik erfolgt.

7. Anordnung nach einer der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Anordnung mittels eines in einer elektronischen Steuerung hinterlegten Kennfeldes erfolgt.

8. Anordnung nach einer der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die geförderte Frischgasmenge durch den Druchmesser des das Ende der Anordnung umschließenden Ansaugleitung beeinflußt wird.

9. Anordnung nach einer der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Membran durch reluktante, elektrodynamische oder piezielektrische Wirkprinzipien erfolgen kann.

10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese zusätzlich zu anderen Aufladeverfahren am Verbrennungsmotor anwendbar ist.

11. Verfahren zum Betreiben einer Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membransteuerung in Abhängigkeit von Betriebskenngrößen der Verbrennungskraftmaschine und der Stellung mindestens eines Ein- bzw. Auslaßventiles erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt des Eintreffens der Druckwelle im Brennraum so gewählt wird, daß eine Erhöhung der Zylinderfüllung mit Frischgas erreicht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt des Eintreffens der Druckwelle im Brennraum so gewählt wird, daß eine Verminderung der Zylinderfüllung mit Frischgas erreicht wird.