DE102004005518A1

DE102004005518A1 - Verfahren zum Steuern des Betriebes einer aufgeladenen Kolbenbrennkraftmaschine sowie Kolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004005518A1
Application number: DE102004005518A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. Kreuter
Original assignee: Meta Motoren und Energie Technik GmbH
Current assignee: Meta Motoren und Energie Technik GmbH
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2005-09-01

Abstract

Ein Verfahren zum Steuern des Betriebes einer aufgeladenen Kolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens einem durch Bewegung eines Kolbens in seinem Volumen zyklisch veränderbaren Brennraum (12), welcher Brennraum über wenigstens ein Einlassventil (20) mit einem Einlasskanal (14) und über wenigstens ein Auslassventil (24) mit einem Auslasskanal (22) verbunden ist, bei welchem Verfahren zumindest in einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine dem Brennraum durch das geöffnete Einlassventil hindurch verdichtete Frischladung zugeführt wird und eine Verbrennung der in dem Brennraum befindlichen, verdichteten Ladung bei zumindest annähernd minimalem Brennraumvolumen und geschlossenen Ventilen beginnt, zeichnet sich dadurch aus, dass die außerhalb des Brennraums erfolgende Verdichtung der dem Brennraum durch das offene Einlassventil (20) zugeführten Ladung unter gleichzeitiger Abfuhr wenigstens eines Teils der durch die Verdichtung entstehenden Wärme erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Betriebes einer aufgeladenen Kolbenbrennkraftmaschine sowie eine nach diesem Verfahren betriebene Kolbenbrennkraftmaschine.

Eine Eigenart herkömmlicher Kolbenbrennkraftmaschinen mit wenigstens einem, durch Bewegung eines Kolbens in seinem Volumen zyklisch veränderbaren Brennraum, der über wenigstens ein Einlassventil mit einem Einlasskanal und über wenigstens ein Auslassventil mit einem Auslasskanal verbunden ist, liegt darin, dass die Verdichtung der in einem Arbeitstakt verbrennenden Ladung während der Verminderung des Volumens des Brennraums im wesentlichen bei geschlossenem Einlassventil und Auslassventil im Brennraum selbst bei den hohen dort herrschenden Wandtemperaturen erfolgt. Dies erfordert einerseits eine hohe Verdichtungsarbeit und führt andererseits zu hohen Temperaturen am Ende der Verdichtung, was bei ottomotorischem Betrieb die Klopfgefahr vergrößert und insgesamt zu hohen Verbrennungstemperaturen führt, durch die der Stickoxidausstoß erhöht wird. Des weiteren ist die innerhalb eines Zyklus verarbeitbare Frischladungsmasse begrenzt, wenn die Kompressionsarbeit nicht unverhältnismäßig ansteigen soll.

Zur Steigerung des Drehmoments bzw. der Leistung solcher Brennkraftmaschinen ist bekannt, sie aufzuladen, indem ein von der Kurbelwelle, dem Abgas oder sonstwie angetriebener Lader die Frischladung vorverdichtet. Dazu ist eine relativ hohe Verdichtungsarbeit erforderlich. Zusätzlich erhöht die hohe im Brennraum erzielte Kompressionsendtemperatur die Klopfgefahr. Um Klopfen zu vermeiden, wird das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine vermindert, der Zündzeitpunkt verschoben, oder es werden andere Maßnahmen ergriffen, die allesamt den Verbrauch negativ beeinflussen. Um die Temperatur der vom Lader der Brennkraftmaschine zugeführten Ladung abzusenken, ist bekannt, zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine einen Wärmetauscher anzuordnen, in dem die Temperatur der verdichteten Ladung nach deren Verdichtung abgesenkt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine nach dem Verfahren arbeitende Kolbenbrennkraftmaschine zu schaffen, mit dem bzw. der hohe spezifische Leistungen bei geringem Verbrauch und geringem Schadstoffgehalt im Abgas realisierbar sind.

Der das Verfahren betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem ein wesentlicher Teil der geometrischen Verdichtung der Frischladung bzw. Frischluft einer konventionellen Hubkolbenbrennkraftmaschine aus der eigentlichen Brennkraftmaschine ausgelagert ist und vor dem Einlass der Brennkraftmaschine erfolgt, wird die Frischladung bei ihrer Verdichtung außerhalb der Brennkraftmaschine gekühlt, d.h. die entstehende Kompressionswärme wird unmittelbar abgeführt, so dass der Verdichtungsprozess an einen bezüglich der aufzubringenden mechanischen Verdichtungsarbeit günstigen isothermen Prozess angenähert wird. In der Realität lässt sich eine vollständig isotherme Kompression in einem stömungsoberhalb der Brennkraftmaschine angeordneten Verdichter i.A. nicht ausführen; das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch, insbesondere betr. die Vollasteigenschaften eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Motors, i.A. um so vorteilhafter, je besser es gelingt, die Verdichtung an eine isotherme Verdichtung anzunähern.

Während bei nach konventionellen Verfahren arbeitenden Kolbenbrennkraftmaschinen zumindest ein Teil der Ladung durch die nachströmende Frischladung verdrängt bzw. ausgespült wird, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Brennraum mit der ihm bereits verdichtet zugeführten Ladung befüllt, ohne dass die Frischladung zum Ausspülen der verbrannten Ladung beitragen muss. Im Grenzfall füllt die verdichtete Ladung wegen ihres Überdrucks den Brennraum bei bereits geschlossenem Auslassventil, so dass noch vorhandenes Abgas im Brennraum verbleibt.

Mit geometrischer Verdichtung ist vorstehend die räumliche Verdichtung bzw. Verkleinerung gemeint, die ein jeweiliges Volumen der Frischladung erfährt, wenn es beispielsweise in einem geschlossenen Raum aufgenommen ist, dessen Volumen sich verkleinert, wobei das Verhältnis zwischen dem anfänglichen Volumen zum verkleinerten Volumen gleich der geometrischen Verdichtung ist. Die bei dieser Verdichtung geleistete mechanische Arbeit hängt von der Prozessführung ab und ist bei isothermer Verdichtung kleiner als bei adiabatischer Verdichtung.

Die Unteransprüche 2 bis 8 sind auf vorteilhafte Durchführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet.

Der die Brennkraftmaschine betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine wird mit den Merkmalen der Ansprüche 10 bis 15 in vorteilhafter Weise weitergebildet.

Vorteilhafterweise ist die geometrische Verdichtung der dem Einlass des Brennraums zugeführten verdichteten Ladung außerhalb des Brennraums wenigstens 0,3 mal so groß wie die geometrische Verdichtung, die vom Kolben nach Schließen des Einlassventils bei der Verkleinerung des Brennraums bewirkt wird. Der angegebene Wert dient der Abgrenzung gegenüber bekannten aufgeladenen Motoren, bei denen die Verdichtung, die die Ladung außerhalb des Brennraums erfährt, kleiner ist als 30% der Verdichtung, die die Ladung zusätzlich im Verdichtungstakt innerhalb des Motors erfährt. Der Betriebsbereich, innerhalb dessen ein wesentlicher Teil der Verdichtung außerhalb des Brennraums erfolgt, kann der gesamte Betriebsbereich der Brennkraftmaschine sein. Ebenso kann der Verdichtungsanteil, der außerhalb des Brennraums auf die Ladung aufgebracht wird, erheblich größer als die genannten 30% sein, wobei die außerhalb des Brennraums auf die Ladung aufgebrachte Verdichtung gleich, größer oder sogar wesentlich größer sein kann als die innerhalb des Brennraums auf die bereits verdichtete Ladung aufgebrachte Verdichtung. Im Grenzfall kann die gesamte Verdichtung ausserhalb des Brennraums erfolgen. Als untere Grenze für die außerhalb des Brennraums erfolgende Verdichtung wird jeder Wert > 0,3 beansprucht. Insbesondere bei ottomotorischem Betrieb, bei dem sehr hohe Mitteldrücke bzw. Drehmomente erzielt werden sollen, ist es vorteilhaft, die Ladung im wesentlichen vollständig außerhalb des Brennraums zu verdichten.

Durch die Auslagerung zumindest eines wesentlichen Teils der geometrischen Verdichtung bei gleichzeitiger Ableitung der entstehenden Kompressionswärme, d.h. Annäherung an eine isotherme Prozessführung, aus dem Brennraum kann die Verdichtungsarbeit vermindert werden und kann die Brennkraftmaschine bei verminderter Kompressionsendtemperatur mit sehr hoher Füllung betrieben werden. Bei Ottomotoren lassen sich bisher nicht mögliche Mitteldrucke erzielen. Wegen der hohen Füllung ist ein Magerbetrieb möglich, wobei für die Erfüllung strengster Abgasbestimmungen relativ einfache Katalysatoren ausreichen. Bei Dieselmotoren kann das Ansteigen der Verbrennungstemperatur auf bezüglich die Entstehung von Stickoxiden unzulässig hohe Temperaturen vermieden werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
In den Zeichnungen stellen dar:
1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
2 ein Funktionsdiagramm zur Erläuterung der Steuerung der Ventile der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
3 bis 6 Arbeitsdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Maschine,
7 ein Blockschaltbild einer abgeänderten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Maschine,
8 einen schematischen Querschnitt durch einen Zylinder eines vorteilhafterweise für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verwendbaren Hubkolbenverdichters,
9 und 10 unterschiedliche perspektivische Ansichten eines Kolbens mit den Kolben durchragenden Kurbelwellen des Verdichters gemäß 1,
11 eine perspektivische Ansicht zweier Kurbelwellen für einen zweizylindrigen Hubkolbenverdichter,
12 die Kurbelwellen gemäß 11 mit zugehörigen Kolben,
13 bis 15 unterschiedliche perspektivische Ansichten eines an einer Seite der Kurbelwellen angeordneten, einem Zylinder zugehörenden Kurbel-/Ventiltriebs,
16 ein Einlassventil im Zusammenwirken mit einem Ventilglied,
17 ein Auslassventil im Zusammenwirken mit einem Ventilglied,
18 eine perspektivische Ansicht eines Rollenstößels,
19 eine perspektivische Ansicht des Rollenstößels gemäß 18 aus anderer Perspektive,
20 einen Teil eines Nocken- und Kurbeltriebs und
21 eine perspektivische Ansicht eines am Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine angeflanschten Verdichters.
Gemäß 1, die ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine zeigt, ist eine schematisch dargestellte und insgesamt mit 10 bezeichnete, in ihrem konstruktiven Aufbau an sich bekannte Hubkolbenbrennkraftmaschine vorgesehen. Ein Brennraum 12 der Brennkraftmaschine 10 ist über einen durch einen Wärmetauscher 14 führenden Einlasskanal 16 mit dem Auslass eines Verdichters 18 verbunden, dessen Einlass mit der Umgebung verbunden ist. In der Mündung des Einlasskanals 16 in den Brennraum 12 arbeitet ein Einlassventil 20.
Der Auslasskanal 20 der Brennkraftmaschine, in dessen Mündung in den Brennraum 12 ein Auslassventil 24 arbeitet, führt durch den Wärmetauscher 14 hindurch in die Atmosphäre.
Der Verdichter 18 ist gekühlt, indem er beispielsweise von einem Kühlmedium 25 (strichpunktiert dargestellt) durchströmt wird, das zumindest einen Teil der im Verdichter entstehenden Kompressionswärme in einem Kühler 28 an die Umgebung abgibt. Das Kühlmedium kann Wasser sein, das einen Luft-/Wasserkühler durchströmt. Der Verdichter kann mit Wandungen ausgebildet sein, die vom Kühlmedium durchströmt werden, wobei für den Wärmeübergang große Flächen und kurze Wege vorteilhaft sind. Zusätzlich oder ausschließlich kann im Strömungspfad innerhalb des Verdichters ein vom Kühlmedium durchströmter Wärmetauscher angeordnet sein. Es kann zweckmäßig sein, das Kühlmedium zumindest in bestimmten Betriebsbereichen zusätzlich durch einen zur Klimaanlage des Fahrzeugs gehörenden Wärmetauscher zu leiten. Das Kühlsystem muß nicht zwingend ein System mit geschlossenem Kreislauf sein; der Verdichter kann auch unmittelbar an zweckentsprechender Stelle im Außenluftstrom angeordnet sein. Vorteilhaft ist in jedem Fall, die Kühlung des Verdichters zumindest energetisch von der der Brennkraftmaschine zu trennen, da der Kühlungsbedarf des Verdichters erheblich kleiner ist als der der Brennkraftmaschine und der Verdichter deshalb auf deutlich niedrigeren Temperaturen gehalten werden kann als die Brennkraftmaschine, für die eine bestimmte, weit über der Umgebungstemperatur liegende Betriebstemperatur vorteilhaft ist.
Der Verdichter 18 ist vorteilhafterweise ein zwangsfördernder Verdichter, beispielsweise ein Kolbenverdichter. Für eine möglichst wirksame Kühlung ist es vorteilhaft, die Arbeitskammer (u) mit im Verhältnis zum Volumen grossflächigen und mittels Fluidkanälen gekühlten Wandungen auszubilden. Kurzhubigkeit ist von Vorteil, beispielsweise Bohrungen zwischen 110 und 140 mm bei Hüben zwischen 14 und 22 mm. Die Kolbenoberseite und die Kopfunterseite können verrippt sein, wobei die Rippen im OT ineinander greifen.
Der Förderstrom (Massenstrom) des Verdichters ist mit Hilfe einer Strömungsstelleinrichtung 28 einstellbar. Wenn der Verdichter 18 ein Kolbenverdichter ist, kann die Strömungsstelleinrichtung 28 beispielsweise die Steuerzeiten von den einzelnen Kolben zugeordneten Einlass- und/oder Auslassventilen einstellen, den Durchströmquerschnitt einer den Verdichter 18 umgehenden Bypassleitung verändern oder eine eingangsseitig des Verdichters 18 angeordnete Drosseleinrichtung mit veränderbarem Querschnitt einstellen.
Die Schließzeit der Einlassventile 20 oder die Steuerzeiten der Ventile 20, 24 der Brennkraftmaschine 10 können mit Hilfe einer Steuerzeitstelleinrichtung 30 verstellbar sein, die in ihrem Aufbau an sich bekannt sein kann.
Die Verstellung der Steuerzeiten der Ventile des Verdichters und/oder der Brennkraftmaschine kann durch mechanischen Eingriff in den Ventilbetätigungsmechanismus oder vollelektronisch erfolgen, wenn die Ventile beispielsweise mittels eines elektromagnetischen Mechanismus betätigt werden.
Zur Steuerung der Strömungsstelleinrichtung 28 und der Steuerzeitstelleinrichtung 30 dient eine elektronische Stelleinrichtung 32, die vorteilhafterweise wenigstens einen Mikroprozessor mit zugehörigen Programm- und Datenspeichern enthält. Eingänge der Steuereinrichtung 32 sind mit Sensoren zum Erfassen von Betriebsparametern der geschilderten Komponenten, wie Drehzahl der Brennkraftmaschine, Temperatur des Kühlmittels der Brennkraftmaschine, durch den Einlasskanal 16 strömender Volumenstrom, Temperatur des Volumenstroms und Druck des Volumenstroms sowie ggf. weitere Parameter, und zum Erfassen der Stellung eines Lastanforderungsgliedes 34, beispielsweise eines Fahrpedals, verbunden.
Ausgänge der Steuereinrichtung 32 sind mit der Strömungsstelleinrichtung 28 und der Steuerzeitstelleinrichtung 30 verbunden.
Der Aufbau und die Funktion der beschriebenen Komponenten und Baugruppen sind an sich bekannt und werden daher nicht im Einzelnen erläutert.
Anhand der 2 werden erfindungsgemäße Prinzipien des Betriebs der Anordnung gemäß 1 erläutert:
In 2 ist auf der Abszisse die Winkelstellung der Kurbelwelle dargestellt, wobei 0° der oberen Totpunktstellung des Kolbens und 180° der unteren Totpunktstellung des Kolbens entspricht. Weiter sind angegeben der Öffnungszeitpunkt des Einlassventils (EÖ), der Schließzeitpunkt des Einlassventils (ES), der Öffnungszeitpunkt des Auslassventils (AÖ) und der Schließzeitpunkt des Auslassventils (AS). Dabei gelten die Angaben oberhalb der Abszisse für Viertaktbetrieb und unterhalb der Abszisse für Zweitaktbetrieb.
Wie ersichtlich, liegen bei Viertaktbetrieb der Einlassöffnungszeitpunkt, der Auslassöffnungszeitpunkt und der Auslassschließzeitpunkt in an sich bekannter Weise vorteilhafterweise vor dem oberen Totpunkt, vor dem unteren Totpunkt und nach dem oberen Totpunkt, so dass im dargestellten Beispiel, in dem die Brennkraftmaschine im Viertaktbetrieb betrieben wird, eine ggf. veränderbare Überlappung zwischen der Öffnung des Auslassventils und der des Einlassventils im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens am Ende des Auspuffvorgangs bzw. zu Beginn des Frischladungseinströmvorgangs vorhanden ist. Im Unterschied zu herkömmlichen Kolbenbrennkraftmaschinen wird das Einlassventil, das herkömmlicherweise spätestens 50° nach UT (im Beispiel der 2 bei 230°) geschlossen wird, erst nach 270° geschlossen, d.h. wenn der Kolben mehr als die Hälfte des Weges zwischen UT und OT zurückgelegt hat. Dieses späte Schließen des Einlassventils geschieht in Verbindung damit, dass die bei offenem Einlassventil einströmende Frischladung von dem Verdichter 18 bereits auf ein hohes Druckniveau verdichtet wurde, so dass die auf die nach Schließen des Einlassventils im Bereich des oberen Totpunktes in der Brennkammer 12 befindliche Ladung insgesamt aufgebrachte geometrische Verdichtung zu einem größeren Teil vom Verdichter 18 aufgebracht wurde und nur zu einem kleineren Teil durch den Kolben bei dessen weiterem Hub nach Schließen des Einlassventils. Die Verdichtung der Frischladung im Verdichter 18 erfolgt unter gleichzeitiger Kühlung des Verdichters 18, so dass der Verdichter eine Massenströmung hoher Dichte und niedriger Temperatur liefert. Diese Massenströmung hoher Dichte kann im Wärmetauscher 14 vom Abgas der Brennkraftmaschine aufgeheizt werden, wobei die zugeführte Wärmeenergie zwar nicht mit gleicher Effizienz, aber ähnlich wirkt, wie die im Brennraum 12 der Ladung in Folge von deren Verbrennung zugeführte Energie.
Unterhalb der Abszisse sind in 2 die Steuerzeiten der Ventile für einen Betrieb der Brennkraftmaschine als Zweitaktmotor angegeben. Wie ersichtlich, öffnet das Auslassventil vor UT und schließt bei etwa 90° nach UT. Das Einlassventil öffnet leicht vor dem Schließen des Auslassventils und schließt kurz vor dem oberen Totpunkt. Infolge des hohen Drucks, auf den der Verdichter 18 die Ladung verdichtet, wird diese bei offenem Einlassventil innerhalb von dessen relativ kurzer Öffnungsphase in den Brennraum gedrückt und dort nach Schließen des Einlassventils gezündet. Wenn das Einlassventil vor UT schließt, kann die Kompression auf den Druck im UT noch zu einem kleinen Teil durch den Kolben erfolgen. Der Restgasanteil kann durch Verschieben des Schließzeitpunktes des Auslassventils nach Früh erhöht werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Brennraum mit unter Druck stehender Frischladung befüllt, ohne dass diese wesentlich (im Grenzfall gar nicht) zur Verdrängung der verbrannten Ladung oder Spülung beiträgt. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich somit sehr gut für Zweitaktbetrieb, wobei auch ein dieselmotorischer Betrieb möglich ist.
3 stellt den in der Anordnung gemäß 1 bzw. gemäß 2 (Viertakt-Verfahren) ablaufenden Prozess in P-V-Diagramm dar; 4 zeigt den Prozess im T-S-Diagramm, wobei der Prozess ohne die Wirkung des Wärmetauschers 14 dargestellt ist.
Frischluft wird von 1 nach 2 im gekühlten Verdichter 18 isotherm verdichtet. Im dargestellten Beispiel wird angenommen, dass das Einlassventil im Wesentlichen erst bei 360°, d.h. im oberen Totpunkt schließt, so dass die gesamte Verdichtungsarbeit im Verdichter 18 geleistet wird. Von 2 nach 3 erfolgt durch Verbrennen des der Luft zugesetzten Brennstoffs (die Brennstoffzumischung kann außerhalb oder innerhalb des Brennraums erfolgen) eine isochore Wärmezufuhr, die sich von 3 nach 3b während des ersten Teils der Abwärtsbewegung des Kolbens in einer isobaren Wärmezufuhr fortsetzt. Von 3b nach 4 erfolgt dann eine isentrope Expansion, der wiederum von 4 nach 1 eine isochore Wärmeabfuhr durch das Abgas folgt.
Ein wesentlicher Unterschied zwischen den Arbeitsdiagrammen gemäß 3 und 4 und den Arbeitsdiagrammen einer herkömmlichen Kolbenbrennkraftmaschine liegt darin, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zumindest der größte Teil der Verdichtung außerhalb des Brennraums und je nach Kühlung des Verdichters 18 mehr oder weniger isotherm (die Diagramme gemäß 3 und 4 sind idealisierte Diagramme) erfolgt, wodurch bei größerer Füllung mit erheblich geringerer Verdichtungsarbeit und damit insgesamt besserem Wirkungsgrad im motorischen Prozess gearbeitet wird.
Die 5 und 6 entsprechen den 3 und 4 und zeigen die Arbeitsweise der Anordnung gemäß 1 mit zusätzlicher Berücksichtigung des Wärmetauschers 14. In den 5 und 6 erfolgt der Übergang von 2 nach 3 nicht direkt, sondern über den Umweg 2b. Dabei ist der Übergang von 2 nach 2b einmal isobar und einmal (gestrichelt) isochor eingezeichnet, wobei diesen Schritten ein isochorer bzw. isobarer Übergang von 2b nach 3 folgt. Die genannten Übergänge sind idealisierte Grenzen, entsprechend denen die die Nutzung der Abgaswärme erfolgt. Der tatsächliche Prozess der Aufheizung der Ladung durch Nutzung der Abgaswärme findet innerhalb der dargestellten Grenzen statt.
7 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, die sich von der der 1 durch einen zusätzlichen Abgasturbolader mit einer Abgasturbine 36 und einem von diesem angetriebenen Verdichter 38 unterscheidet, wobei zwischen dem Verdichter 38 und dem Verdichter 18 ein Ladeluftkühler 40 angeordnet ist, der beispielsweise mit dem gleichen Medium wie der Verdichter 18 gekühlt werden kann. Die Wirksamkeit des Abgasturboladers 36, 38 kann ggf. in an sich bekannter Weise durch eine Stelleinrichtung 42, beispielsweise ein Bypassventil, eine Verstellung der Schaufelgeometrie usw. von der Steuereinrichtung 32 gesteuert werden.
Mit der Anordnung gemäß 7 kann die Füllung des Brennraums 12 weiter erhöht werden.
Anhand der 8 bis 21 wird im Folgenden ein Verdichter erläutert, wie er vorteilhafterweise als Verdichter 18 verwendet werden kann.
Gemäß 8 weist ein erfindungsgemäßer Hubkolbenverdichter einen beidseitigen durch Stirnwände verschlossenen Zylinder 43 auf, in dem ein Kolben 44 hin und her beweglich ist. Der Kolben 44 enthält zwei in gegenseitigem Abstand angeordnete Kolbenböden 46 und 48, die vorteilhafterweise an ihren Umfangsrändern zur Abdichtung mit Kolbenringen bestückt sind und die im Inneren des Zylinders 43 zwei Arbeitskammern 210 und 212 abtrennen. Die beiden Kolbenböden 46 und 48 sind über Streben 214 starr miteinander verbunden, beispielsweise verschraubt. An den einander zugewandten Innenseiten der Kolbenböden 46 und 48 sind Führungsflächen 216 und 217 ausgebildet, die zur Führung von Gleitsteinen 218 dienen.
In den Stirnwänden des Zylinders 43 sind Öffnungen für jeweils wenigstens ein Einlassventil 220 bzw. 222 und Auslassventil 224 bzw. 226 ausgebildet.
Der Zylinder 43 ist mittels Halterungen, die Trennwände 228 und 230 bilden, in einem Gehäuse 232 aufgenommen. Das Gehäuse 232 weist wenigstens eine Ansaugöffnung 234 und eine Ausstoßöffnung 236 auf, wobei, wie ersichtlich, ein zwischen dem Außengehäuse 232 und dem Zylinder 43 gebildeter Zwischenraum durch die Trennwände 228 und 230 derart unterteilt ist, dass ein Einlasskanal 238 gebildet ist, der die Ansaugöffnung 234 mit den Einlassventilen 220 und 222 bzw. von diesen wahlweise geöffneten oder geschlossenen, in die Arbeitskammern 210 und 212 führenden Einlassöffnungen verbindet, und ein Auslasskanal 240 gebildet ist, der die Auslassventile 224, 226 bzw. von diesen wahlweise geöffneten oder verschlossenen Auslassöffnungen der Arbeitskammern 210 und 212 mit der Ausstoßöffnung 236 verbindet.
In 8 ist die Bewegungsrichtung des Kolbens 4 waagerecht. In den 8 bis 15 ist sie senkrecht, so dass die Darstellungen der 9 bis 16 in Anwendung auf die Anordnung gem. 8 um 90° gedreht werden.
Die 9 und 10 zeigen perspektivische Ansichten des Kolbens 44 mit jeweils zwei den Kolben durchquerenden Kurbelwellen 242 und 244. Die relativ zum Zylinder 43 bzw. dem Gehäuse 232 ortsfesten Achsen der Kurbelwellen sind in 8 mit A bezeichnet. Jede Kurbelwelle weist wenigstens je eine exzentrisch zu ihrer Achse angeordnete Kurbelscheibe 246 bzw. 248 auf, die mit den Gleitsteinen 218 zusammenwirkt, die längs der Führungsflächen 216, 217 der Kolbenböden 46 und 48 linear senkrecht zu den Achsen der Kurbelwellen verschiebbar sind, so dass eine Gleitstein- bzw. Kulissenführung geschaffen ist, mit der die umlaufende exzentrische Bewegung der Kurbelscheiben in an sich bekannter Weise in eine oszillierende Bewegung des innerhalb des Zylinders 43 geführten Kolbens umgewandelt werden kann. Die Gleitsteine sind vorteilhafterweise zur einfachen Montierbarkeit unterteilt.
11 zeigt die Kurbelwellen 242 und 244 in einer Ausbildung für jeweils zwei innerhalb eines Gehäuses 232 (8) hintereinander angeordnete Zylinder 43, in denen jeweils ein Kolben 44 arbeitet. Im dargestellten Beispiel sind jedem Kolben an der Kurbelwelle 242 zwei Kurbelscheiben 246 und an der Kurbelwelle 244 eine Kurbelscheibe 248 zugeordnet, die mit entsprechenden Gleitsteinen 218 zusammenarbeiten. Wie ersichtlich, sind die Kurbelscheiben 246 und 248 axial gegeneinander versetzt, so dass sich ihre Bewegungsbahnen radial durchdringen, wodurch ein kleinerer Abstand zwischen den Kurbelwellen 242 und 244 möglich ist. Zum Massenausgleich der oszillierenden Kräfte sind die Kurbelwellen 242 und 244 in an sich bekannter Weise mit Ausgleichsmassen 250 bzw. 252 versehen.
Die Kurbelwellen 242 und 244 können beispielsweise jeweils in der Wandung der Zylinder 43 gelagert sein.
Zum Antrieb der Ventile 220, 222, 224 und 226 weisen die Kurbelwellen Nocken 254 und 256 auf, mit denen über Betätigungsglieder die Ventile betätigt werden. Damit von extern nur eine der Kurbelwellen 242, 244 angetrieben werden muss, ist an jeweils einem Ende der Kurbelwelle drehfest ein Zahnrad 258 bzw. 260 mit der jeweiligen Kurbelwelle verbunden. Die Zahnräder 258 und 260 sind gleich groß und kämmen ineinander, so dass die Kurbelwellen 242 und 244 sich gegensinnig mit gleicher Drehzahl drehen. Vorteilhafterweise dienen die Zahnräder 258, 260 als Elemente einer Zahnradpumpe, die in einem Kühlmittel- und/oder Schmiermittelkreislauf des Verdichters angeordnet ist.
Die 12 zeigt die mit den Kurbelwellen gem. 11 zusammengebauten Kolben.
Die 13 zeigt in perspektivischer Ansicht Ausschnitte eines gemäß der Figur linksseitig der Kurbelwellen 242, 244 angeordneten, einem Zylinder zugeordneten Kurbel-/Ventiltriebs.
Im dargestellten Beispiel sind an jeder Kurbelwelle 242 bzw. 244 beidseitig außerhalb des Zylinders Nocken 254 bzw. 256 ausgebildet, mit denen Rollenstößel 262 bzw. 264 zusammen arbeiten, die jeweils ein den Zylinder brückenartig übergreifendes Ventilglied 266 bzw. 268 betätigen. Das gemäß 13 linke Ventilglied 266 betätigt mehrere Einlassventile 220 (8). Das rechte Ventilglied 268 betätigt mehrere Auslassventile 224. Im dargestellten Beispiel sind die Ventile an den jeweiligen Ventilgliedern zwangsgeführt. Wie ersichtlich, sind im dargestellten Beispiel jeweils vier Einlassventile und vier Auslassventile an einer Stirnwand des Zylinders 43 angeordnet und werden mittels je eines Ventilgliedes betätigt.
Da sich, wie aus 8 ersichtlich, die Einlassventile 220, 222 und die Auslassventile 224, 226 jeweils gegenüberliegen, sind die linksseitig bzw. rechtsseitig (8) oder oberhalb bzw. unterhalb der Kolben (9 bis 16) angeordneten Ventiltriebe einander gleich bzw. spiegelsymmetrisch angeordnet.
Wenn der Verdichter im Zweitaktbetrieb betrieben wird, werden die Einlassventile und die Auslassventile bezüglich der Drehung der Kurbelwellen jeweils um etwa 180° phasenverschoben betätigt, so dass sich bei gegensinniger Drehung der nebeneinander angeordneten Kurbelwellen 242, 244 mit gleicher Drehzahl und zweckentsprechender Ausbildung der Nocken 254, 256 eine phasenrichtige Betätigung der jeweiligen Ventile ergibt.
Anhand der 16 bis 20 wird im Folgenden der Ventiltrieb genauer erläutert:
Die Ventilglieder 266 bzw. 268 sind in nicht dargestellten gehäusefesten Führungen linear beweglich geführt und werden von den Nocken 254 bzw. 256 gegen die Kraft der Federn 270 bzw. 272, die sich zwischen dem Gehäuse 232 und dem jeweiligen Ventilglied abstützen, hin- und herbewegt.
Das brückenartige Ventilglied 266 (16), das die Auslassventile 220 betätigt, enthält für jedes Auslassventil einen Führungsdurchlass 274, durch den sich der Schaft des Auslassventils 220 hindurch erstreckt und der in eine Ausnehmung 276 führt, in der der Schaft des Ventils endet. Zwischen einem Endflansch 278 des Ventilschafts und dem Ventilglied 266 stützt sich eine Ventilfeder 280 ab, die das Auslassventil 220 in Schließstellung drängt. Dem Endflansch 278 gegenüberliegend ist in das Ventilglied 266 eine Madenschraube 282 eingeschraubt, die zur Spieleinstellung dient.
Das die Auslassventile 224 betätigende Ventilglied 268 (17) weist ebenfalls für jedes Auslassventil 224 einen Führungsdurchlass 284 auf, durch den sich der Ventilschaft hindurch erstreckt. Der Ventilschaft 284 endet in einem beispielsweise mit ihm verschraubten Anschlag 286, dessen Abstand vom Ventilteller zur Spieleinstellung einstellbar ist. Zwischen dem Ventilglied 268 und dem Ventil stützt sich eine Ventilfeder 288 ab.
Mit der in den 16 und 17 beschriebenen Konstruktion, die in vielfältiger Weise abgeändert werden kann, wird erreicht, dass für die Ventilschäfte keine eigene gehäusefeste Führung erforderlich ist, dass die Einlassventile 220 gemäß 16 jeweils bei einer Bewegung nach unten des Ventilglieds 266 geöffnet werden und die Auslassventile 224 gemäß 17 bei einer Bewegung des Ventilglieds 268 nach oben geöffnet werden. Zusätzlich kann durch entsprechende Dimensionierung der Federn 280 bzw. 288 erreicht werden, dass das Einlassventil 220 bei starkem Unterdruck in der zugehörigen Arbeitskammer öffnet, ohne dass das Ventilglied 266 bewegt wird und/oder dass das Auslassventil 224 bei starkem Überdruck in der zugehörigen Arbeitskammer öffnet, ohne dass das Ventilglied 268 bewegt wird.
Die 18 und 19 zeigen einen Rollenstößel 262 mit in ihm gelagerte Rolle 288 und gehäusefester Führung 290.
Die 20 zeigt einen Ausschnitt der beiden Kurbelwellen 242 und 244 mit den Nocken 254 und 256. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 13 bis 15 hat die Kurbelwelle 242 nur eine Kurbelscheibe 246, wohingegen die Kurbelwelle 244 zwei Kurbelscheiben 248 aufweist. Wie ersichtlich, ist der Nocken 254, der die den Einlassventilen zugeordneten Rollenstößel bzw. Brückenglieder 266 betätigt, als „Negativnocken" ausgebildet, der das Brückenglied 266 normalerweise in die Stellung gem. 16 gegen die Federn 270 drängt und lediglich in seinem mit kleinerem Durchmesser ausgebildeten Nockenbereich eine gemäß 16 erfolgende Abwärtsbewegung des Ventilglieds 266 zur Öffnung des Einlassventils 220 bewirkt. Der den Auslassventilen zugeordnete Nocken 256 der Kurbelwelle 244 ist als normaler Nocken mit im Durchmesser vergrößerter Nockenerhebung ausgebildet.
21 zeigt einen Kolbenverdichter 292 an die Saugseite eines Motorgehäuses bzw. Zylinderkopfes 294 einer Brennkraftmaschine, beispielsweise der Kolbenbrennkraftmaschine, beispielsweise der Kolbenbrennkraftmaschine 10 der 1 angeflanscht, wobei bei Vorhanden sein des Wärmetauschers 14 dieser in einem nicht dargestellten Zwischenstück angeordnet ist. Mit 296 ist eine Riemenscheibe zum Antrieb einer der Kurbelwellen 242 oder 244 bezeichnet.
An der Ansaugöffnung 234 des Gehäuses 232 kann eine nicht dargestellte Ansaugbaugruppe angeflanscht sein, die beispielsweise eine Drosselklappe und/oder eine Einrichtung zum Messen der einströmenden Luftmenge und so weiter enthalten kann.
Die Funktion des beschriebenen Verdichters ist folgende:
Vorteilhafterweise wird der Verdichter im Zweitaktbetrieb betrieben. Wenn sich der Kolben 24 gemäß 8 von links nach rechts bewegt, werden vor allem das Einlassventil 220 und das Auslassventil 226 derart betätigt, dass in die Arbeitskammer 210 Frischluft bzw. Frischladung einströmt und aus der Arbeitskammer 220 komprimierte Frischluft bzw. Frischladung bei zweckentsprechendem Druckniveau ausgestoßen wird. Das Einlassventil 220 und das Auslassventil 224 sind bei der Bewegung von links nach rechts des Kolbens 24 vorteilhafterweise zu. Bei der Bewegung des Kolbens von rechts nach links erfolgen die Betätigungen der Ventile in entgegengesetzter Weise, d.h. die Frischladungsströmung wird dann vom Einlassventil 220 und Auslassventil 224 bestimmt, wobei die Ventile 220 und 226 bevorzugt geschlossen sind.
Durch geeignete, an sich bekannte Phasenverstelleinrichtungen und/oder Hubverstelleinrichtungen können die Einlassventile und Auslassventile derart gesteuert werden, dass der geförderte Luftmassenstrom an die jeweiligen, für die Brennkraftmaschine erforderlichen Betriebesbedingungen angepasst werden kann.
Im Folgenden werden einige Besonderheiten des geschilderten Kolbenverdichters erläutert:
1. Bauform insgesamt:
Der Verdichter arbeitet auch bei nur einem Zylinder mit darin angeordnetem doppelt wirkendem Kolben mit hohem Wirkungsgrad und geringen Druckpulsationen. Die Ausbildung des Kolbens mit zwei im gegenseitigen Abstand angeordneten Kolbenböden, zwischen denen der Kurbeltrieb angeordnet ist, hat nicht nur den Vorteil, dass die Kurbelwelle und deren Schmierung von den Arbeitsräumen völlig getrennt ist, sondern ermöglicht auch eine problem lose Lagerung der Kurbelwelle(n) in der Zylinderwand. Durch Verwendung mehrerer, zweckentsprechend phasenversetzter Zylinder können minimale Druckpulsationen erreicht werden.
Die Konstruktion ermöglicht bezogen auf den Zylinderquerschnitt große Querschnitte der Einlass- und Auslassventile, wodurch der Verdichter mit geringen Strömungswiderständen arbeitet.
2. Zum Kurbeltrieb:
Für die Umsetzung der Drehbewegung der Kurbelwelle(n) in eine Hubbewegung des Kolbens können unterschiedliche, an sich bekannte Mechanismen verwendet werden. Der beschriebene Mechanismus mittels Gleit- bzw. Kulissensteinen ist einfach montierbar, arbeitet reibungsgünstig und führt zu einer weichen, sinusförmigen Bewegung der Kolben.
Die beiden gegensinnig drehenden Kurbelwellen können als Lancester-Ausgleich arbeiten, wobei oszillierende, sinusförmige Massenkräfte von Kolben und Gleitsteinen im Kurbeltrieb jedes Kolbens komplett ausgeglichen werden. Weiter ist jeder einzelner Zylinder ausgeglichen, so dass keine dynamischen Massenkräfte in das Gehäuse eingeleitet werden. Auch gibt es keine nach außen wirkenden Massenkräfte außerhalb des Gehäuses, so dass der Verdichter sehr schwingungsarm arbeitet.
Dadurch, dass der bzw. die Kolben frei von Seitenkräften sind, arbeitet der Verdichter mit geringen Reibungsverlusten.
Die Zahnräder 258 und 260 an den Enden der Kurbelwellen (11) dienen zur Synchronisation und Leistungsübertragung zwischen den Kurbelwellen. Die Zahnräder können auch durch Umschlingungsmittel, wie einen Zahnriemen ersetzt sein.
3. Zur Kühlung/Schmierung:
Die freien Wege zwischen den Wänden des Gehäuses und des Zylinders sind kurz, so dass bei Kühlung der Wände mittels eines Kühlmediums, das durch Hohlräume der Wände bzw. in diesen ausgebildete Kanäle strömt (nicht dargestellt), Ladung bei ihrer Verdichtung wirksam gekühlt wird und die Verdichtung an eine isotherme Verdichtung angenähert werden kann. Mit entsprechender Kurzhubigkeit wird erreicht, dass der gesamte Innenraum der Arbeitskammern aus sich überlappenden Wandzonen besteht, in denen durch die Wandtemperatur beeinflusste Temperaturgradienten bestehen.
Die Zahnräder 258 und 260 können als Elemente einer Zahnradpumpe verwendet werden, mit der ein Kühl-/Schmierfluid gefördert wird, das in nicht dargestellten Kanälen des Verdichters umläuft. Vorteilhafterweise werden die die Arbeitskammern 210 und 212 begrenzenden Wände des Zylinders und die Kolbenböden, beispielsweise durch Anspritzen, gekühlt, wobei die kurzen Wege für eine effiziente Kühlung der Ladung während der Verdichtung sorgen. Vor der Ausstoßöffnung 236 kann zusätzlich ein interner Wärmetauscher vorgesehen sein, wobei dieser Wärmetauscher der Wärmetauscher 14 (1) sein kann.
Der Schmiermittel-/Kühlmittelkreislauf des Verdichters ist, wie bereits ausgeführt, zumindest energetisch (bezüglich der Kühlung und des Temperaturniveaus) von dem der Brennkraftmaschine getrennt.
Ein wichtiger Aspekt des Verdichters liegt darin, dass die durch die Ausstoßöffnung 236 strömende verdichtete Luft frei von jeglichem Schmiermittel ist und möglichst kühl ist. Für beides ist vorteilhaft, dass die beiden Kurbelwellen, die gleichzeitig Nockenwellen sind, zwischen den Kolbenböden durchgeführt sind und im Zylinder mittels einfach dichtbarer Lager gelagert sind. Innerhalb des Kolbens ist dadurch jeweils ein nach außen dichter Schmiermittelraum gebildet, dem flüssiges Schmiermittel, das gleichzeitig als Kühlmittel dienen kann, durch die Kurbelwellen hindurch zugeführt wird. Vorteilhaft führen durch die Zylinderwand, den Zwischenraum zwischen dem Zylinder und dem Gehäuse und das Gehäuse Kanäle hindurch, die einen Fluidrücklauf bilden, so dass Kühl-/Schmiermittel umläuft.
Schaftführungen für die Rollenstößel 4 können durch die Kurbelwellen hindurch benetzend derart geschmiert werden, dass das Schmiermittel nicht in die Frischluft gelangt.
4. Zur Ladungswechselsteuerung:
Die Einlass- und Auslassventile können auf unterschiedlichste Art betätigt werden. Im Ausführungsbeispiel können sie bei geeigneter Dimensionierung der Federn nicht nur über die Ventilglieder betätigt werden, sondern auch als Rückschlagventile arbeiten, wobei die Einlassventile bei Unterdruck in der jeweiligen Arbeitskammer öffnen und die Auslassventile bei Überdruck öffnen. In Alternativausführungsformen können nur die Einlassventile oder nur die Auslassventile als Rückschlagventile ausgebildet sein.
Auch bei Zwangssteuerung der Ventile, insbesondere der Auslassventile, lässt sich eine Selbststeuerungsfunktion verwirklichen, wenn der Druckabfall an den Ventilen einen vorbestimmten Wert übersteigt.
5. Zur Steuerung bzw. Regelung:
Die Einlass- und/oder Auslassventile können mittels an sich bekannter Ventilbetätigungsmechanismen, beispielsweise durch Änderung der wirksamen Abgriffshebel und/oder der Abgriffswinkel derart angesteuert werden, dass ihre Öffnungs- bzw. Schließfunktion variabel ist, und/oder können in Öffnungs- bzw. Schließstellung gehalten werden.
Die Drehzahl der Kurbelwellen des Verdichters kann starr mit der der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelt sein. Zwischen der aufzuladenden Brennkraftmaschine und dem Verdichter kann ein Getriebe mit veränderbarer Übersetzung angeordnet sein. Mittels einer Kupplung kann der Verdichter auch vollständig von der Brennkraftmaschine abgekoppelt werden.
Die Fördermenge des Verdichters kann auf unterschiedlichste Weise verändert werden, beispielsweise durch variable Ansteuerung der Ventile (wobei bei in Offenstellung befindlichen Ventilen ein strömungsarmer Weg von der Ansaugöffnung 234 zur Ausstoßöffnung 236 besteht), über eine den Verdichter umgehende Bypassleitung, ggf. mit variablen Querschnitt, durch Abschalten einzelner Zylinder, durch steuerbare Öffnung in den Trennwänden 228 und 230 oder durch eine Drosselklappe in der Einlassöffnung 234.
Die Ventile können völlig unabhängig von der Drehung der Kurbelwelle durch eigene Antriebe, wie elektromagnetische, hydraulische oder andere geeignete Antriebe betätigt werden. Anstelle der beiden Kurbelwellen kann sich durch jeden Kolben nur eine Kurbelwelle hindurch erstrecken.
Im Folgenden werden einige weitere Aspekte des anhand der 1 bis 7 geschilderten erfindungsgemäßen Verfahrens und der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Kolbenbrennkraftmaschine erläutert:
Ein grundsätzlicher Aspekt des Verfahrens liegt darin, dass insbesondere die Prozessabschnitte Ansaugen und Verdichten der fünf Prozessabschnitte Ansaugen, Verdichten, Wärmezufuhr, Expansion, Ausschieben einer klassischen Kolbenbrennkraftmaschine (Drehkolben, Kreiskolben, Hubkolben usw.) in Teilprozesse zerlegt werden, die außerhalb der eigentlichen Kolbenbrennkraftmaschine ablaufen. Insbesondere der Verdichtungsprozess wird ausgelagert, wobei in dem externen Verdichter eine an einen isothermen Prozess angenäherte Verdichtung erfolgt, die einen Großteil oder die gesamte Verdichtung ausmacht, der die im Brennraum befindliche Ladung vor deren Verbrennung unterworfen wird. Beispielsweise kann mit einem geometrischen Verdichtungsverhältnis des Verdichters 18 von 30 und mehr gearbeitet werden.
Das Einlassventil 20 (1) kann so spät schließen, dass der Beginn der Verbrennung mit dem Ende der Füllung des Brennraums zeitlich überlappt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem die Kompression im Wesentlichen außerhalb der Kolbenbrennkraftmaschine erfolgt, ist es unbedenklich oder sogar vorteilhaft, die Wandungen des Brennraums auf einem hohen Temperaturniveau zu halten und die Expansion mit einem hohen Expansionsverhältnis durchzuführen.
Für die Laststeuerung der Brennkraftmaschine 10 bestehen zwei Parameter, nämlich die Einstellung des Frischladungsmassenstroms durch den Verdichter 18 (ggf. zusätzlich mit dem Verdichter 38) und die Einstellung des „Schluckvermögens" des Brennraums 12 und damit in gewisser Weise des Druckniveaus im Einlasskanal 16 durch Einstellen des Schließzeitpunktes des Einlassventils 20. Der Massenstrom und der Einlassschluss werden in gegenseitiger Abstimmung derart eingestellt, dass die Kolbenbrennkraftmaschine mit geringem Verbrauch und geringen Emissionen an Schadstoffen arbeitet, die erforderlichenfalls durch Einsatz geeigneter Abgasnachbehandlungsverfahren, beispielsweise eines einfachen Katalysators, unter ein gesetzlich zulässiges Niveau gedrückt werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann an Ottomotoren und Dieselmotoren, Zweitaktmotoren, Viertaktmotoren oder n-Taktmotoren eingesetzt werden, wobei bei entsprechender Gestaltung des Ventiltriebs zwischen verschiedenen Takt-Betrieben umgeschaltet werden kann. Dies ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem der Brennraum mit unter Überdruck stehender Ladung befüllt wird, besonders vorteilhaft möglich, da durch die Spülerfordernisse herkömmlicher Motoren, insbesondere Zweitaktmotoren, bestehende Einschränkungen minimalisiert sind.
Im Folgenden werden einige beispielhafte Werte bzw. Parameter angegeben, mit denen die Erfindung durchgeführt wird:
Das geometrische Verdichtungsverhältnis des Verdichters liegt typischerweise zwischen 30 und 50; dieses Verdichtungsverhältnis entspricht der maximalen Verdichtung, die im Verdichter auf die Ladung aufgebracht werden kann. Der Hubraum des Verdichters liegt typischerweise bei dem 0,5 bis 2 fachen des Hubraums der Brennkraftmaschine. Der Verdichter läuft typischerweise mit der 1 bis 3 fachen Drehzahl der Brennkraftmaschine.
Insbesondere bei ottomotorischem Betrieb bei Vollast und oberer Teillast schließt das Einlassventil typischerweise zwischen 120° und 30° vor OT (konventionell: mehr als 120° vor OT). Das Verdichtungsverhältnis (Kompression) des Verdichters liegt zwischen 3:1 und 10:1 (konventionell: weniger als 3:1). Das Verdichtungsverhältnis (Kompression) im Verbrennungsmotor zwischen Einlass schließt bis Brennbeginn liegt zwischen 2:1 und 10:1 (konventionell: 10:1). Das Verhältnis zwischen Kompression im Verbrennungsmotor und Kompression im Verdichter beträgt weniger als 3 (konventionell: mehr als 3). (Es versteht sich, dass der Schließzeitpunkt des Einlassventils bis in den OT verschoben werden kann.)
Damit liegt bei ottomotorischem Betrieb die Verdichtungsendtemperatur im OT zwischen 150 und 350°C (konventionell: über 350°C). Es treten Spitzendrücke über 100 bis 150 bar auf, bei denen ein zündungsoptimaler und nicht klopflimitierter Betrieb möglich ist. Der Schwerpunkt der Verbrennung liegt wirkungsgradoptimal zwischen 7 und 15° nach OT. Die Verdichtung bei Hochaufladung ist nicht klopflimitiert, sondern durch Bauteilebeanspruchung begrenzt. P_me kann bereits ab 500 min^–1 über 30 bar liegen. In der oberen Teillast schließt das Einlassventil zwischen 90 und 40° vor OT. Der Druck vor dem Einlassschluss liegt über 3 bar.
Mit den vorgenannten Werten werden niedrige Prozessspitzentemperaturen erreicht. Der Betrieb ist nicht klopfbegrenzt. Die Stickoxidemissionen sind gering. Die Wandwärmeverluste durch die Brennraumwandung sind gering. Bei vergleichsweise niedrigen thermischen und mechanischen Belastungen sind hohe maximale Drehmomente und Leistungen möglich.
Bei Teillast arbeiten Verdichter und Verbrennungsmotor in geeigneter Weise zur Steuerung der Last zusammen. Durch Ändern der effektiven Fördermenge des Verdichters und des Schluckvermögens des Verbrennungsmotors (z. B. Änderung der Steuerzeiten, Zylinderabschaltung, Drosselung usw.) wird die gewünschte Ladungsmenge gesteuert. Der Druck vor dem Einlassventil resultiert somit aus der jeweiligen Fördermenge des Verdichters und der Schluckkurve des Verbrennungsmotors.
Die vorgenannten Maßnahmen ermöglichen eine Entdrosselung durch späten Einlassschluss, eine Stickoxidminderung durch Temperaturabsenkung sowie eine Verringerung der Wandwärmeverluste und hohe Abgasrückführraten.
Bei dieselmotorischem Betrieb schließt das Einlassventil (die Einlassventile) beispielsweise zwischen 120 und 90° vor OT. Der Druck vor Einlass beträgt im überwiegenden Betriebsbereich mehr als 3 bar. Die Zündtemperatur liegt über 550°C. Durch die weitgehend lastunabhängige Druck-/Temperatursteuerung können Probleme bisheriger Dieselmotoren, wie Rußbildung und Stickoxidentstehung deutlich vermindert werden.
Durch die gekühlte Kompression der Frischladung und die lastunabhängige Druck-/Temperatursteuerung ist die Schwerpunktlage der Verbrennung einstellbar, wodurch beim Ottomotor die Klopfgefahr zusätzlich vermindert werden kann und beim Dieselmotor hohe Spitzendrücke vermieden werden können.
Die trotz eines effektiven Mitteldruckes von 20 bar und mehr mögliche Absenkung des Temperaturniveaus ist zur Klopfvermeidung, für die Vermeidung von Stickoxiden und zur Senkung der vom Kühlwasser abzuführenden Wandwärmeverluste vorteilhaft.
Insbesondere bei ottomotorischem Betrieb kann es aus Gemischaufbereitungsgründen vorteilhaft sein, den Kraftstoff bereits stromoberhalb des Verdichters 18 (1) zuzusetzen.
Die Nutzung der Abgaswärme im Wärmetauscher 14 ist für die Gemischaufbereitung vorteilhaft und ermöglicht beim Diesel eine höhere Abgasrückführung.
Auch bei dem erfindungsgemäßen Motor kann es vorteilhaft sein, die klassischen Verfahren der Verbesserung der Ladungsbewegung durch Drall- und/oder Tumbleströmungen, gekoppelt mit einer bei kleinen Ventilhüben wirksamen Maskierung einzusetzen.
Insgesamt ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, den Wirkungsgrad von Ottomotoren und Dieselmotoren deutlich zu steigern, wobei gegenüber herkömmlichen Ottomotoren im Teillastbetrieb Wirkungsgradsteigerungen und damit Senkungen des spezifischen Verbrauches um mehr als 20% möglich sind.

10: Kolbenbrennkraftmaschine
14: Wärmetauscher
18: Verdichter
22: Auslasskanal
25: Kühlmedium
28: Strömungsstelleinrichtung
32: Steuereinrichtung
34: Lastanforderungsglied
38: Verdichter
42: Stelleinrichtung
44: Kolben
48: Kolbenboden
212: Arbeitskammer
216: Führungsfläche
218: Gleitstein
222: Einlassventil
226: Auslassventil
230: Trennwand
234: Ansaugöffnung
238: Einlasskanal
242: Kurbelwelle
246: Kurbelscheibe
250: Ausgleichsmasse
254: Nocken
258: Zahnrad
262: Rollenstößel
266: Ventilglied
270: Feder
274: Führungsdurchlass
278: Endflansch
282: Madenschraube
286: Anschlag
12: Brennraum
16: Einlasskammer
20: Einlassventil
24: Auslassventil
26: Kühler
30: Steuerzeitstelleinrichtung
36: Abgasturbine
40: Ladeluftkühler
43: Zylinder
46: Kolbenboden
210: Arbeitskammer
214: Strebe
217: Führungsfläche
220: Einlassventil
224: Auslassventil
228: Trennwand
232: Gehäuse
236: Ausstoßöffnung
240: Auslasskanal
244: Kurbelwelle
248: Kurbelscheibe
252: Ausgleichsmasse
256: Nocken
260: Zahnrad
264: Rollenstößel
268: Ventilglied
272: Feder
276: Ausnehmung
280: Ventilfeder
284: Führungsdurchlass
288: Rolle
290: Führung
292: Kolbenverdichter
294: Zylinderkopf
296: Riemenscheibe

Claims

Verfahren zum Steuern des Betriebes einer aufgeladenen Kolbenbrennkraftmaschine mit wenigstens einem, durch Bewegung eines Kolbens in seinem Volumen zyklisch veränderbaren Brennraum (12), welcher Brennraum über wenigstens ein Einlassventil (20) mit einem Einlasskanal (14) und über wenigstens ein Auslassventil (24) mit einem Auslasskanal (22) verbunden ist, bei welchem Verfahren zumindest in einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine dem Brennraum durch das geöffnete Einlassventil hindurch verdichtete Frischladung zugeführt wird und eine Verbrennung der in dem Brennraum befindlichen, verdichteten Ladung bei zumindest annähernd minimalem Brennraumvolumen und geschlossenen Ventilen beginnt, dadurch gekennzeichnet, dass die außerhalb des Brennraums erfolgende Verdichtung der dem Brennraum durch das offene Einlassventil (20) zugeführten Ladung unter gleichzeitiger Abfuhr wenigstens eines Teils der durch die Verdichtung entstehenden Wärme erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung der Ladung außerhalb des Brennraums zumindest annähernd isotherm erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Ladung außerhalb des Brennraums eine geometrische Verdichtung aufgebracht wird, die wenigstens 0,3 mal so groß ist wie die geometrische Verdichtung, die vom Kolben nach Schließen des Einlassventils bei der Verkleinerung des Brennraums (12) bewirkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil frühestens geschlossen wird, nachdem das Brennraumvolumen sich ausgehend von seinem maximalen Wert um mehr als die Hälfte der Differenz zwischen maximalem und minimalem Wert verkleinert hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die außerhalb des Brennraums verdichtete Ladung nach ihrer Verdichtung durch Wärmetausch erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Frischluft unter Nutzung der Abgasenergie der Kolbenbrennkraftmaschine (10) vorverdichtet wird und nach Durchströmen eines Wärmetauschers (40) durch einen Verdichter (18) geleitet und anschließend dem Einlasskanal (16) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine mit einem Schließzeitpunkt des Einlassventils zwischen 120° vor OT und OT, einer geometrischen Verdichtung des Verdichters zwischen 3:1 und 10:1 und einer geometrischen Verdichtung im Verbrennungsmotor zwischen Einlass schließt und Verbrennungsbeginn zwischen 1:1 und 10:1 betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenbrennkraftmaschine nach einem Zweitaktverfahren betrieben wird, wobei das Auslassventil vor UT öffnet und etwa 90° nach UT schließt und das Einlassventil frühestens mit Überlappung zum noch offenen Auslassventil öffnet.
Kolbenbrennkraftmaschine, enthaltend wenigstens einen, durch Bewegung eines Kolbens in seinem Volumen zyklisch veränderbaren Brennraum (12), der über wenigstens ein Einlassventil (20) mit einem Einlasskanal (16) und über wenigstens ein Auslassventil (24) mit einem Auslasskanal (22) verbunden ist, eine mit dem Einlasskanal verbundene Verdichtungsvorrichtung (18) zum Verdichten von dem Einlasskanal zuzuführender Frischladung, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsvorrichtung (18) eine Wärmetauscheinrichtung (25,26) zum Abführen von in der Verdichtungsvorrichtung beim Verdichten der Ladung entstehender Kompressionswärme enthält.
Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsvorrichtung (18) derart konstruiert ist, dass kurze Wege zwischen Volumenelementen im Inneren einer Arbeitskammer (210, 212) und einer gekühlten Wandung der Arbeitskammer bestehen.
Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Strömungsstelleinrichtung (28) zum Einstellen des von der Verdichtungsvorrichtung (18) geförderten Massenstroms, eine Steuerzeitstelleinrichtung (30) zum Einstellen der Schließzeit des Einlassventils (20), ein Laststellglied (34) zum Einstellen der Last der Brennkraftmaschine und eine elektronische Steuereinrichtung (32), wobei die elektronische Stelleinrichtung (32) abhängig zumindest von der Stellung des Laststellgliedes (34) zumindest in einigen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine die Strömungsstelleinrichtung (28) und die Steuerzeitstelleinrichtung (30) derart ansteuert, dass auf die Ladung außerhalb des Brennraums eine geometrische Verdichtung aufgebracht wird, die wenigstens 0,3 mal so groß ist wie die geometrische Verdichtung, die vom Kolben nach Schließen des Einlassventils bei der Verkleinerung des Brennraums (12) bewirkt wird.
Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Verdichtungsvorrichtung (18) und dem Einlassventil (20) ein Wärmetauscher (14) zum Erwärmen der verdichteten Frischladung angeordnet ist.
Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsvorrichtung (18) ein Kolbenkompressor ist.
Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Verdichtung des Kolbenkompressors größer ist als die der Kolbenbrennkraftmaschine.
Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsstelleinrichtung (28) durch eine oder mehrere folgender Einrichtungen gebildet ist: Einrichtung zum Verändern der Steuerzeiten von dem (den) Kolben des Kolbenkompressors zugeordneten Einlass- und/oder Auslassventilen, den Kolbenkompressor umgehende Bypassleitung mit veränderlichem Querschnitt, strömungsoberhalb des Kolbenkompressors angeordnete Drosseleinrichtung mit veränderbarem Querschnitt.