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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Betriebes einer
aufgeladenen Kolbenbrennkraftmaschine sowie eine nach diesem Verfahren
betriebene Kolbenbrennkraftmaschine.
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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.
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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.
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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.
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Der
das Verfahren betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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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.
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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.
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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.
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Die
Unteransprüche
2 bis 8 sind auf vorteilhafte Durchführungsformen und Weiterbildungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
gerichtet.
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Der
die Brennkraftmaschine betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird
mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine wird
mit den Merkmalen der Ansprüche
10 bis 15 in vorteilhafter Weise weitergebildet.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise
und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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In
den Zeichnungen stellen dar:
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1 ein
Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
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2 ein
Funktionsdiagramm zur Erläuterung
der Steuerung der Ventile der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
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3 bis 6 Arbeitsdiagramme
zur Erläuterung
der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Maschine,
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7 ein
Blockschaltbild einer abgeänderten
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Maschine,
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8 einen
schematischen Querschnitt durch einen Zylinder eines vorteilhafterweise
für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine
verwendbaren Hubkolbenverdichters,
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9 und 10 unterschiedliche
perspektivische Ansichten eines Kolbens mit den Kolben durchragenden
Kurbelwellen des Verdichters gemäß 1,
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11 eine
perspektivische Ansicht zweier Kurbelwellen für einen zweizylindrigen Hubkolbenverdichter,
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12 die
Kurbelwellen gemäß 11 mit zugehörigen Kolben,
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13 bis 15 unterschiedliche
perspektivische Ansichten eines an einer Seite der Kurbelwellen
angeordneten, einem Zylinder zugehörenden Kurbel-/Ventiltriebs,
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16 ein
Einlassventil im Zusammenwirken mit einem Ventilglied,
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17 ein
Auslassventil im Zusammenwirken mit einem Ventilglied,
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18 eine
perspektivische Ansicht eines Rollenstößels,
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19 eine
perspektivische Ansicht des Rollenstößels gemäß 18 aus
anderer Perspektive,
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20 einen
Teil eines Nocken- und Kurbeltriebs und
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21 eine
perspektivische Ansicht eines am Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine
angeflanschten Verdichters.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ausgänge der
Steuereinrichtung 32 sind mit der Strömungsstelleinrichtung 28 und
der Steuerzeitstelleinrichtung 30 verbunden.
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Der
Aufbau und die Funktion der beschriebenen Komponenten und Baugruppen
sind an sich bekannt und werden daher nicht im Einzelnen erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Mit
der Anordnung gemäß 7 kann
die Füllung
des Brennraums 12 weiter erhöht werden.
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Anhand
der 8 bis 21 wird im Folgenden ein Verdichter
erläutert,
wie er vorteilhafterweise als Verdichter 18 verwendet werden
kann.
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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.
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In
den Stirnwänden
des Zylinders 43 sind Öffnungen
für jeweils
wenigstens ein Einlassventil 220 bzw. 222 und
Auslassventil 224 bzw. 226 ausgebildet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Kurbelwellen 242 und 244 können beispielsweise jeweils
in der Wandung der Zylinder 43 gelagert sein.
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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.
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Die 12 zeigt
die mit den Kurbelwellen gem. 11 zusammengebauten
Kolben.
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Die 13 zeigt
in perspektivischer Ansicht Ausschnitte eines gemäß der Figur
linksseitig der Kurbelwellen 242, 244 angeordneten,
einem Zylinder zugeordneten Kurbel-/Ventiltriebs.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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. Pme 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.
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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.
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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.
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Die
vorgenannten Maßnahmen
ermöglichen eine
Entdrosselung durch späten
Einlassschluss, eine Stickoxidminderung durch Temperaturabsenkung
sowie eine Verringerung der Wandwärmeverluste und hohe Abgasrückführraten.
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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