DE102005041755A1

DE102005041755A1 - Optimiertes thermisches Management bei Verbrennungsmotoren im Teillastbereich

Info

Publication number: DE102005041755A1
Application number: DE200510041755
Authority: DE
Inventors: Nikolay Georgiev
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2007-03-15

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Mehrzylinder-Verbrennungsmotors im Teillastbereich mit dem Ziel eine hohe Verbrennungstemperatur und damit einen hohen Wirkungsgrad und niedrigen Verbrauch zu erzielen. Das Prinzip ist eine Weiterentwicklung des Konzepts der Zylinderabschaltung - der Teillast werden abwechselnd mit hoher Frequenz unterschiedliche Zylinder ein- und abgeschaltet im Gegensatz zur klassischen Zylinderabschaltung, bei der einige Zylinder ständig eingeschaltet sind und andere bei Bedarf zugeschaltet werden. Durch das Rotieren der Einschaltung der Zylinder mit hoher Frequenz wird eine gleichmäßige Belastung erreicht, und da jeder Zylinder einen zusätzlichen leeren Arbeitstakt bekommt, der zur Kühlung zur Verfügung steht, ist es möglich, die Verbrennungstemperatur deutlich zu erhöhen, ohne die zulässige thermische Belastung des Zylinders zu überschreiten, da die gemittelte thermische Belastung relativ klein bleibt. Durch die Erhöhung der Verbrennungstemperatur wird entsprechend der Wirkungsgrad des Motors erhöht und insgesamt der Verbrauch eines Kraftfahrzeugs gesenkt.

Description

Die Verbrennungstemperatur des Gasgemisches ist eines der Faktoren, die einen Einfluss auf den Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors haben. Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Betrieb eines Mehrzylinder-Verbrennungsmotors im Teillastbereich vor, mit dem Ziel eine hohe Verbrennungstemperatur und damit ein hoher Wirkungsgrad und niedrigen Verbrauch zu erzielen. Das Prinzip ist eine Weiterentwicklung des Konzepts der Zylinderabschaltung, bei dem im Teillastbereich nur ein Teil der Zylinder eingeschaltet ist.

Das neue Prinzip benutzt im Gegensatz zur klassischen Zylinderabschaltung, bei der einige Zylinder ständig eingeschaltet sind und andere bei Bedarf dazugeschaltet werden, ein ständiger Wechsel zwischen eingeschalteten und ausgeschalteten Zylindern. Wenn dieser Prozess wie in Anspruch 1 beschrieben mit hoher Frequenz (in der Grössenordnung der Drehgeschwindigkeit des Motors) ausgeführt wird, kann man die durchschnittliche Belastung auf einem Zylinder reduzieren und wie im Anspruch 2 beschrieben, kann umgekehrt die Verbrennungstemperatur erhöht werden ohne die Motorkomponenten zu beschädigen. Das Erhöhen der Verbrennungstemperatur wird dazu benutzt, den Wirkungsgrad zu erhöhen und den Motorverbrauch zu reduzieren.
Das Konzept wird anhand eines Beispiels erläutert (s.a. 1) – als Grundlage wird ein Viertakt-Achtzylindermotor bei 50%-iger Auslastung genommen. Bei einer Standardzylinderabschaltung würde man nur die Hälfte der Zylinder für die Leistungsgenerierung benutzen, d.h. es würden nur die Zylinder Z1 bis Z4 arbeieten. Bei einem Viertaktmotor würde der Prozess für die eingeschalteten Zylindern wie folgt aussehen:

1. Ansaugen
2. Verdichten
3. Expandieren
4. Ausschieben

Da diese Zylinder ständig eingeschaltet sind, bleibt der Verlauf des Arbeitsspeildiagramms für die Zylinder Z1 bis Z4 wie bei einem Standard-Viertaktdiagramm. Die dazugehörige Temperaturverteilung über die Zeit im Brennraum ist in 2 und 3 gezeigt (Otto- und Dieselverfahren).
Beim modifizierten Arbeitsprozess wird angenommen, dass bei ca. 50%-iger Auslastung des Motors, theoretisch nur 4 Zylinder für das Erzeugen der notwendigen Leistung gebraucht werden (abgesehen von den Reibungsverlusten in den restlichen 4 Zylindern). Deshalb werden nach dem neuen Vefahren abwechselnd die Zylinder Z1 bis Z4 und Z5 bis Z8 benutzt, z.B. in der Reihenfolge Z1-Z3-Z4-Z2-Z5-Z7-Z8-Z6 innerhalb von 4 Umdrehungen statt in 2 Umdrehungen. In diesem konkreten Beispiel würde das heissen, dass jeder Zylinder nur an jedem 2. Arbeitszyklus teilnimmt. Der Standard-Viertakt-Arbeitsspiel wird wie folgt erweitert:

1. Ansaugen
2. Verdichten
3. Expandieren
4. Ausschieben
5. Ansaugen
6. Ausschieben
7. Ansaugen
8. Ausschieben

Die Zyklen 5 bis 8 werden für zusätzliche Zylinderspülung und dementsprechend interne Kühlung des Zylinders benutzt. Dadurch kann man den Vorteil eines Kolbenmotors nämlich die intermittierende Verbrennung ausbauen und höhere Verbrennungstemperaturen bzw. besserer Wirkungsgrad erzielen. Die modifizierte Temperaturverteilung über die Zeit für ein Zylinder ist in 4 und 5 gezeigt.
Bei einem Vergleich der 2 Temperaturdiagramme für ein Zylinder (6 und 7), wird deutlich, dass die durchschnittliche integrale Temperaturbelastung im Brennraum auch bei einem Erhöhen der maximalen Verbrennungstemperatur kleiner bleibt, d.h. es gibt deutliche Reserven für ein Erhöhen der Temperatur und damit zum Erhöhen des Wirkungsgrades des Motors.
Die bisher ausgeführten Überlegungen beziehen sich gleichermassen für Verbrennungsmotoren die sowohl nach dem Otto- als auch nach dem Dieselverfahren arbeiten.
Ein zusätzlicher Aspekt wie in Anspruch 4 beschrieben gilt speziell für Ottomotoren. Da die zusätzlichen Kühlungstakten besonders effektiv den Brennraum kühlen, ist es möglich die Klopfgrenze bei einem Ottomotor zu erhöhen, da eventuelle kritische Stellen, bei denen ein Wärmestau auftritt und die zum Klopfen führen können, und die durch die äussere Kühlung schwer zu beeinflussen sind, mit diesem Verfahren intern gekühlt werden können, so dass im anschliessenden Arbeitstakt ein höherer Druck und höhere Verdichtung, bzw. höhere Verbrennungstemperatur realisierbar sind.
Das aufgeführte Beispiel dient nur zur Veranschaulichung des Prinzips. Die Aufteilung der Arbeitstakte zwischen den Zylindern kann auch in anderen Verhältnissen als 2:1 erfolgen. Wichtig dabei ist ein Gleichgewicht zwischen der Dauer der Arbeitsphasen und der Kühlphasen herzustellen, damit ein optimaler Verbrennungsprozess stattfinden kann.
Für die Realisation des Prozesses ist ein Steuergerät notwendig, der die Belastung des Motors in Betracht zieht und entsprechend die Zylinder im Teillastbereich ein- und ausschaltet. Das Steuergerät steuert sowohl die Ein- (EV) und Auslassventile (AV) als auch die Einspritzdüsen, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. Eine Beispielanordnung ist in 1 gezeigt. Bei Vollast wird der Motor mit seinem normalen Kennfeld betrieben.
Dieses Verfahren kann sowohl für speziell konstruierte Motoren als auch bei Standardmotoren, die eine Zylinderabschaltung erlauben, angewendet werden.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Mehrzylinder-Verbrennungsmotors im Teillastbereich mit Zylinderabschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Zylinder mit hoher Frequenz abwechselnd ein- und abgeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 weiter dadurch gekennzeichnet, dass durch das abwechselnde Ein- und Ausschalten der Zylinder eine Erhöhung der maximalen Verbrennungstemperatur möglich ist, da die integrale Durchschnittstemperatur im Brennraum kleiner als die Durchschnittstemperatur bei Volllast (Zylinder sind ständig eingeschaltet) bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 weiter dadurch gekennzeichnet, dass durch das Erhöhen der maximalen Verbrennungstemperatur ein höherer Wirkungsgrad bzw. niedrigerer Verbrauch erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3 weiter dadurch gekennzeichnet, dass bei Ottomotoren durch die interne Kühlung durch die zusätzliche Spülung des Zylinders eventuelle kritische Stellen für das Klopfverhalten des Motors, die durch die externe Kühlung schwer beeinflussbar sind, entlastet werden können und damit die Verdichtung, bzw. die Verbrennungstemperatur erhöht werden können.