DE10118888B4

DE10118888B4 - Zusatzeinlaßsteuerung durch einen Zusatzeinlaßkanal, Zwischenventil, Auslaßkanal und das Auslaßventil

Info

Publication number: DE10118888B4
Application number: DE10118888A
Authority: DE
Inventors: Josef Radermacher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-04-18
Filing date: 2001-04-18
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2021-04-19
Also published as: DE10118888A1

Abstract

Nach dem Viertakt-Prinzip arbeitende Hubkolbenverbrennungskraftmaschine, bei dem die Frischladung, die zur Verbrennung benötigt wird, durch einen Einlasskanal in einen Verbrennungsraum geleitet wird und die nach der Verbrennung entstandenen Abgase durch einen Auslasskanal in eine Auspuffanlage abgeleitet werden, wobei die Steuerung des Ladungswechsels durch Einlass- und Auslassventil, die zwischen dem Einlasskanal und dem Verbrennungsraum, bzw. dem Verbrennungsraum und dem Auslasskanal angeordnet sind, erfolgt und wobei, während der Verdichtungs- und Verbrennungstakte, beide Einlass- und Auslassventile geschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (3) nach dem Auslasskanal, an ein in einen Abgaskrümmer integriertes Zwischenventil (2) angeschlossen ist und das Zwischenventil von einem Motorsteuergerät gesteuert wird, das Auslassventil (3) während des Ansaugtaktes über das Zwischenventil und einen Zusatzeinlasskanal (1) mit einem Luftsammler (4) verbunden ist, sowie das Einlassventil konventionell, über den Einlasskanal, mit dem Luftsammler (4) in Verbindung steht, wobei sowohl das Einlassventil ganz und das Auslassventil ganz oder teilweise geöffnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine nach dem Viertakt-Prinzip arbeitende Hubkolbenverbrennungskraftmaschine, wobei ein Auslassventil während des Ansaugtaktes mit einem Luftsammler verbunden ist und ganz oder teilweise geöffnet ist.

Bei den heute in Verwendung befindlichen Verbrennungskraftmaschinen erfolgt der Ladungswechsel über eine oder zwei, mechanisch angetriebene Nockenwelle(n) die wiederum über Hilfselemente (Tassenstößel, Kipphebel, usw.) die Aus- und Einlassventile betätigen. Bei neueren Verbrennugsmotoren findet überwiegen die Mehrventiltechnik, mit Phasenverstellung Anwendung, wobei mehrere Ein- und Auslassventile den Ladungswechsel bewirken. Hierbei beginnt nach dem Öffnen des/der Einlassventile(s) die Frischladung über einen Einlasskanal in den Zylinder zu strömen, nach der Verbrennung werden die verbrannten Gas über das/die Auslassventil(e) und einen Auslasskanal in einen Abgaskrümmer und die angeschlossene Abgasanlage ausgestoßen.

Weiterhin zeigt die Patentanmeldung DE 195 14 559 A1 von Herrn Dipl.-Phys. Dr. Horst Bähring, eine Steuerung zum Ladungswechsel für Verbrennungsmotoren.

Bei einem Idealprozess (theoretisch berechenbarer Kreisprozess) würde eine vollkommene (ideale) Maschine unter folgenden Bedingungen arbeiten. Vollständige Verbrennung des Kraftstoffes.

Keine Wärmeübergänge des Arbeitsgases auf die umgebenden Motorbauteile.

Keine Strömungsverluste beim Ladungswechsel.

Keine Gasverluste durch Undichtigkeiten.

Reine Ladung (keine Restgase.)

Keine Reibverluste.

Da ausgeführte Motoren keine dieser oben genannten Kriterien zur genüge erfüllen, ist deren Leistungsvermögen nicht beliebig zu steigern.

Um der heutigen Ansprüchen, der Verbraucher, nach immer höherer Leistung gerecht zu werden, werden immer mehr großvolumige Motoren gebaut um genügend Leistung zur Verfügung zu stellen.

Da aber ca. 80% des Motorbetriebs im gedrosselten Zustand erfolgt, ergeben sich daraus einige Nachteile die wiederum zu einer höheren Schadstoffemission und höherem Kraftstoffverbrauch führen. Was sich letztlich in einer höheren Umweltbelastung niederschlägt.

Bedingt durch ihr höheres Hubvolumen werden diese Motoren, besonders im Stadtverkehr, eher im relativ ungünstigen unteren Teillastbetrieb betrieben. In diesem Betriebszustand ergeben sich eine Reihe von Nachteilen, die bei hubraumstärkeren Motoren im Vergleich zu kleineren Aggregaten stärker ausgeprägt sind.

Zum einen ist die Negativarbeit (p-V-Diagramm) bei Motoren mit größeren Hubvolumen höher, durch die Konstruktion bedingt ergibt sich eine höhere Reibung und durch die relativ geringe Zylindertemperatur verdampft der Kraftstoff nur unvollständig, was zu einem höheren Verbrauch und Emissionsbelastung beiträgt.

Des weiteren erfolgt, bedingt durch die geringe Strömungsgeschwindigkeit; eine nur unzureichende Spülung von Vc (Verbrennungsraum), wodurch Restgase in der Frischladung verbleiben.

Ebenso erlischt die Flamme im relativ kalten wandnahem Bereich eher, da durch die geometrischen Abmessungen der Verbrennungsraum weniger kompakt ist. Folge: geringerer Verbrennungsdruck, höherer Verbrauch und höhere Emissionsbelastung

Fazit:

Motoren mit relativ großen Hubräumen arbeiten im unteren Teillastbetrieb mit einem schlechteren Wirkungsgrad, da sie, bedingt durch die geringe Leistung die sie erzeugen müssen, nicht im Bereich des Maximaldrehmoments betrieben werden. Da beim Maximaldrehmoment eines Motors auch der höchste Wirkungsgrad erreicht wird, ist umgekehrt proportional be (spezifischer Kraftstoff verbrauch) in diesem Punkt am geringsten.

Als Folge daraus, müssten überwiegend kleinvolumige Motoren zum Einsatz gelangen, da sie, obwohl ihr Drehzahlniveau etwas höher läge, näher um den Bereieh von be-best betrieben würden und somit zur Verbrauchsminderung und Reduzierung von Abgasen beitragen wurden. Als hauptsächlichen Nachteil kleinvolumiger Motoren ist, bei dieser Betrachtung, deren geringere Leistung bei Hohen Drehzahlen/Volllast zu sehen. Bedingt durch die immer größer werdenden Strömungswiderstände und kürzeren Zeitintervalle für das Ansaugen der Frischladung, nimmt der Liefergrad immer weiter ab.
(be-best = geringster spezifischer Kraftstoffverbrauch in einem definierten Lastpunkt)

Gewerbliche Anwendbarkeit:

Grundsätzlich sehe ich die Möglichkeit dieses Verfahren bei alle nicht aufgeladenen Luft- oder Flüssigkeitsgekühlten Viertakt Otto- und Dieselmotoren anzuwenden. Des weiteren ist die Anwendbarkeit nicht an Zylinderzahl, Anordnung der Zylinder (Reihen/V-Motoren usw.) sowie an der Lage oder Anzahl der Nockenwellen (OHC/HC/DOHC usw.) gebunden. Bei der Gemischaufbereitung sollte bei Ottomotoren die Direkteinspritzung oder, um Kondensationsverluste möglichst zu vermeiden, eine sequentielle Einspritzung vor die Ventile gewählt werden. Hierbei ist zu Prüfen, ob eine Einspritzung vor die Auslassventile sinnvoll ist.

Bei Dieselmotoren ist die innere Gemischbildung gegeben, so das sich hier eine Realisierung einfacher gestalten würde.

Bei aufgeladenen Motoren ist dieses Verfahren wenig sinnvoll da ihr Liefergrad über 1 liegt.

Vorteilhafte Wirkung:

Durch die zusätzliche Erhöhung des Liefergrades im Vollastbereich sehe ich den Hauptvorteil darin, aus einem kleineren Hubvolumen eine höhere Spitzenleistung zu erzielen. Dabei könnte man ausgeführte Motoren mit relativ geringem konstruktiven und finanziellem Aufwand modifizieren, so dass man auf bestehende bereits vorhandene Technik zurück greifen kann (geringere Kosten).

Bei kleineren Motoren ergibt sich ein günstigeres Leistungsgewicht ebenso ein geringerer Bauraum des Motors, dies gibt größere Gestaltungsmöglichkeiten bei der Ausführung des Gesamtfahrzeugs (Karosseriegestaltung, Achslastverteilung, Gesamtschwerpunktlage, Luftwiderstandsbeiwert.) Durch das geringere Hubvolumen wird der Kraftstoffverbrauch reduziert, gleichzeitig erfolgt eine Verringerung der Abgasemissionen sowie des CO₂-Ausstoßes.

Dies führt zu einer höheren Wirtschaftlichkeit des Fahrzeugs und einer Verringerung der Umweltbelastung.

Einen weiteren Vorteil sehe ich in der Verringerung des Gesamtgewicht des Fahrzeugs. Was wiederum den Kraftstoffverbrauch reduziert oder bei gleichem Verbrauch den zusätzlichen Einbau von Sicherheits- oder Komfortsystemen ermöglicht.

Es ist auch möglich, großvolumige Motoren mit dieser Technik zu versehen, was bei diesen, aufgrund des größeren Hubraums, zu einer höheren Leistungssteigerung führen würde. Allerdings ist hier ein höherer Kraftstoffverbrauch zu erwarten.

Kein Restgas im Vc (Verbrennungsraum) durch vollständige Spülung.

Bedingt durch das Zeitversetzte öffnen des Zwischenventils, während des Ansaugtaktes, nach Ende der Ventilüberschneidung (siehe 2.) ist mit einer höheren Beschleunigung der Frischladungsmasse im Zusatzeinlasskanal zu rechnen. Was zum einen, zu einer besseren Gemischaufbereitung innerhalb des Zylinders führt. Folge: geringerer Kraftstoffverbrauch und weniger Schadstoffbelastung. Zum anderen, gegen Ende des Einlassvorgangs zu einem Nachladeeffekt führt, der einen höheren Liefergrad zur Folge hat.

Ergebnis: weitere Leistungszunahme
Die Zusatzeinlasssteuerung beruht auf der Überlegung das 1 die Auslassventil/e für das Ansaugen der Frischladung mit zu nutzen.
Aufbau:
Bei dieser Betrachtung gehe ich von einem 4-Ventil DOHC 1 Zylinder Viertakt-Ottomotor mit sequentieller Einspritzung vor die Einlassventile aus, jedoch ist es möglich diese Betrachtung auf beliebige Mehrzylindermotoren zu übertragen.
Ausgehend vom Luftsammler 1 (4) verläuft ein Zusatzansaugkanal (1) der in den Auspuffkrümmer direkt am Zylinderkopf mündet. Dieser ist mit einem Zwischenventil (2) versehen. Dieses Ventil ermöglicht ein öffnen oder verschließen des Zusatzeinlasskanals gegenüber dem Auspuffkrümmer. Wobei bei geöffnetem Zwischenventil der Auspuffkanal verschlossen ist und bei gleichzeitig geöffnetem Auslassventil (3) eine Verbindung zum Verbrennungsraum besteht.
Bei geschlossenem Zwischenventil ist die Funktion eines normalen Auspuffkrümmers gegeben. Die Kontur des Auslassnockenwellenexzenters muss so verändert werden, dass die Auslassventile, während des Ansaugvorgangs, (Einlassventile ganz geöffnet) teilweise oder ganz geöffnet werden.
Dies ist vom Ventilwinkel und vom Ventildurchmesser abhängig, es muss gewährleistet sein, dass eine Berührung der Aus- und Einlassventile während des Betriebs unterbleibt. Des weiteren muss ein Kontakt mit dem Kolbenboden verhindert werden (ggf. Ventiltaschen).
Die Ansteuerung des Zwischenventils kann über eine Einbindung dieser Funktion in das Motorsteuergerät erfolgen.
Das Ventil selbst, kann elektromechanisch oder elektropneumatisch betätigt werden.
Bauteile bzw. konstruktive Veränderungen:
Anpassung des Luftmassen-Messers und des Einspritzventils an die höhere Luftmasse.
Applikation des Motorsteuergeräts an die veränderten Parameter.
Veränderung des Luftsammlers.
Einbau eines Zusatzansaugkanals.
Einbau des Zwischenventils, ggf. sollte dieses Ventil luft- oder ölgekühlt werden, um eine übermäßige Aufheizung der Frischladung zu vermeiden.
Modifikation des Auslassnockenexzenters, je nach Ventilwinkel oder Ventiltellergröße.
Abhängig vom Ventilwinkel und der Ventiltellergröße ist der Ventilhub der Auslassventile, über die Kontur des Auslassexzenters zu bestimmen.
Dabei ist es anzustreben ein möglichst große Ventilöffnungsfläche zu erhalten, ggf. ist durch konstruktive Änderungen der Ventilwinkel zu verändern.
Was aber ein völlige Neugestaltung des Verbrennungsraumes erfordert und zu erheblichen Mehrkosten führen würde. Anpassung des Kolbenbodens und Ermittlung des Verdichtungsverhältnisses.
Bei Dieselmotoren mit paralleler Ventilanordnung besteht dieses Problem nicht, so dass die/das Ventil/e ganz öffnet und die größtmöglichen Ventil öffnungsfläche zur Verfügung steht.
Aufgrund der längeren Öffnungsphase der Auslassventile und der damit verbundenen höheren thermischen Belastung, sollten diese Natrium gefüllt sein und die Ventilsitzbreite erhöht werden.
Um die thermische Belastung der Zylinderkopfauslassseite zu senken und ein übermäßiges aufheizen der Frischladung zu vermeiden, sollte die Kühlwasserführung im Zylinderkopf so gestaltet werden, dass die einströmende Kühlflüssigkeit zuerst die Auslassseite durchströmt.

Claims

Nach dem Viertakt-Prinzip arbeitende Hubkolbenverbrennungskraftmaschine, bei dem die Frischladung, die zur Verbrennung benötigt wird, durch einen Einlasskanal in einen Verbrennungsraum geleitet wird und die nach der Verbrennung entstandenen Abgase durch einen Auslasskanal in eine Auspuffanlage abgeleitet werden, wobei die Steuerung des Ladungswechsels durch Einlass- und Auslassventil, die zwischen dem Einlasskanal und dem Verbrennungsraum, bzw. dem Verbrennungsraum und dem Auslasskanal angeordnet sind, erfolgt und wobei, während der Verdichtungs- und Verbrennungstakte, beide Einlass- und Auslassventile geschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (3) nach dem Auslasskanal, an ein in einen Abgaskrümmer integriertes Zwischenventil (2) angeschlossen ist und das Zwischenventil von einem Motorsteuergerät gesteuert wird, das Auslassventil (3) während des Ansaugtaktes über das Zwischenventil und einen Zusatzeinlasskanal (1) mit einem Luftsammler (4) verbunden ist, sowie das Einlassventil konventionell, über den Einlasskanal, mit dem Luftsammler (4) in Verbindung steht, wobei sowohl das Einlassventil ganz und das Auslassventil ganz oder teilweise geöffnet sind.
Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenventil (2) während einer Ventilüberschneidung der Einlass- und Auslassventile den Zusatzeinlasskanal (1) verschließt und gleichzeitig den Auslasskanal freigibt.
Motor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (3) mit dem Zwischenventil verbunden ist.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenventil ein linear bewegliches Tellerventil ist, das in zwei Endpositionen verschiebbar ist und dabei jeweils den Zusatzeinlasskanal (1) öffnet bzw. den Auslasskanal verschließt wobei in der anderen Endlage der Auslasskanal geöffnet und der Zusatzeinlasskanal (1) geschlossen ist, aber immer, in beiden Endlagen eine Verbindung zum Auslassventil besteht.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (3) durch einen modifizierten Auslassnockenexzenter gesteuert wird.