DE102005045475A1

DE102005045475A1 - Verbrennungsmotor mit einstellbarem Kompressionsverhältnis

Info

Publication number: DE102005045475A1
Application number: DE102005045475A
Authority: DE
Inventors: Michael Hoetger; Herbert Clemens
Original assignee: Amovis GmbH
Current assignee: Amovis GmbH
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2007-03-29

Abstract

Ein Zylinder für Verbrennungsmotoren mit einem Brennraum und einem mit dem Brennraum verbundenen, variabel einstellbaren Zusatzvolumen zur Einstellung des Kompressionsverhältnisses ist dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzvolumen durch Veränderung der Wandungsgeometrie einstellbar ist. Zu diesem Zweck kann ein Faltenbalg eingesetzt werden. Die Anordnung ermöglicht den Einsatz unterschiedlich klopffester Kraftstoffe bis hin zu Erdgas im gleichen Motor.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Zylinder für Verbrennungsmotoren mit einem Brennraum und einem mit dem Brennraum verbundenen, variabel einstellbaren Zusatzvolumen zur Einstellung des Kompressionsverhältnisses (Verdichtungsverhältnis). Ein solcher Verbrennungsmotor ist zum Beispiel ein Otto-Motor.
Der Kraftstoff wird in den Brennraum eingespritzt und gezündet. Dabei dehnt sich das entstehende Gas aus. Der Kolben wird in dem Zylinder bewegt und treibt eine Kurbelwelle an. Der Kolben bewegt sich zwischen dem oberen Totpunkt und unteren Totpunkt hin und her. Das Verhältnis der Volumen innerhalb des Zylinders zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt wird als Kompressionsverhältnis ε bezeichnet:
mit

V_H:: = Hubvolumen
V_C:: = Volumen des Brennraums

Bei höherem Kompressionsverhältnis erhöht sich der Wirkungsgrad der Verbrennung. Die Folgen sind höhere Leistung bzw. geringerer Treibstoffverbrauch.
Das Kompressionsverhältnis ist jedoch nicht beliebig steigerbar. Übersteigt das Kompressionsverhältnis einen Schwellwert, so wird die Selbstzündung des Treibstoffs ausgelöst (Klopfen). Dabei werden Druckspitzen erzeugt, die das Material stark belasten. Die Kompressionswärme geht bei hoher Kompression über die Wandung in das Kühlwasser und es entstehen unerwünschte Geräusche. Durch Zusätze im Treibstoff kann die Selbstzündung verzögert und ein höheres Kompressionsverhältnis erreicht werden. Die Klopffestigkeit des Treibstoffs wird durch die Oktanzahl angegeben. Treibstoffe mit niedriger Oktanzahl neigen bereits bei geringeren Kompressionsverhältnissen zur Selbstzündung.
Durch Einstellung des Zündzeitpunkts, kann die Selbstzündung in gewissen Bereichen verhindert werden. Dabei müssen jedoch Wirkungsgradsgradverluste in Kauf genommen werden.
Serienmäßige Motoren werden daher so konstruiert, daß sie mit einem bestimmten Benzin mit vorgegebener Oktanzahl optimal arbeiten. Durch eine Verschiebung des Zündzeitpunkts kann ein Motor auf eine andere Benzinsorte mit Wirkungsgradverlusten betrieben werden.

Im „Handbuch Verbrennungsmotor", 3.Aufl. Vieweg, Herausgegeben von Richard van Basshuysen/Fred Schäfer sind eine Vielzahl von Verbrennungsmotoren beschrieben, die eine variable Verdichtung realisieren können. Ziel der dort beschriebenen variablen Verdichtung ist es, bei gleichbleibendem Brennstoff einen optimalen Wirkungsgrad sowohl im niedrigen, als auch im hohen Lastbereich zu erzielen. Dabei werden überwiegend Lösungen angegeben, bei denen der Kolbenhub verändert wird. Weiterhin wird eine Lösung beschrieben, bei der ein Zusatzvolumen vorgesehen ist, in welchem ein beweglicher Kolben vorgesehen ist. Je nach Kolbenstellung ist das Zusatzvolumen größer oder kleiner. Mit größerem Zusatzvolumen wird ein geringeres Kompressionsverhältnis erreicht.

Nachteilig bei der beschriebenen Lösung ist es jedoch, daß die Dichtungen zwischen Kolben und Zusatzvolumen mit dem Brennraum in Verbindung stehen und daher stark belastet sind oder sich zu setzen können. Alle übrigen Lösungen sind konstruktiv aufwändig und entsprechend teuer in der Herstellung.

Keiner der bekannten Motoren eignet sich für eine Einstellung des Kompressionsverhältnisses über weite Bereiche, die den Einsatz sowohl von Benzin mit niedriger Oktanzahl als auch den Einsatz von Erdgas mit hoher Klopffestigkeit bei optimalem Wirkungsgrad erlauben.

Offenbarung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung einen Zylinder der eingangs genannten Art zu schaffen, der den Einsatz verschiedener Brennstoffe bei optimalem Wirkungsgrad über lange Zeiträume erlaubt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Zusatzvolumen durch Veränderung der Wandungsgeometrie einstellbar ist. Eine veränderliche Wandung erlaubt eine feste Verbindung des gesamten Zusatzvolumens mit dem Brennraum. Es sind keine Dichtungen erforderlich, die mit dem Brennraum in Kontakt stehen.

Die Veränderung der Wandungsgeometrie kann durch eine Längenänderung erfolgen. Eine solche Längenänderung kann zum Beispiel in der Weise realisiert werden, daß das Zusatzvolumen zumindest teilweise von einem Faltenbalg aus Edelstahl oder einem anderen hitzebeständigen Material eingeschlossen ist. Ein Faltenbalg ist ein Zieharmonika-artig aufgebautes Rohrteil, das durch Druck oder Zug in der Länge veränderlich ist. Die Länge kann durch Bewegung des freien Endes mittels eines Schiebers eingestellt werden. Ein Faltenbalg aus Edelstahl ist zum Beispiel aus der Armaturentechnik für Wasserarmaturen bekannt. Bei dieser Lösung kann das Zusatzvolumen und damit das Kompressionsverhältnis quasi beliebig eingestellt werden.

Dies ermöglicht den Einsatz von wenig klopffesten Treibstoffen bei niedrigem Kompressionsverhältnis. Es ist aber gleichzeitig mit wenig Aufwand möglich Erdgas einzusetzen. Es muß lediglich der Faltenbalg zusammengeschoben werden. Erdgas kann auf besonders hohe Kompressionsverhältnisse und hohe Wirkungsgrade verdichtet werden.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen May-Fireball-Zylinder mit einem Zusatzvolumen, das eine Wandung veränderlicher Länge hat.
2 zeigt den Wirkungsgrad eines Ottomotors in Abhängigkeit vom Kompressionsverhältnisses
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist ein allgemein mit 10 bezeichneter Otto-Motor dargestellt. Der Otto-Motor 10 umfasst einen Zylinder 12 und einen darin laufenden Kolben 16 mit Kurbel 14. Der Zylinder ist als May-Fireball-Zylinder ausgebildet, d.h. der Brennraum 22 erstreckt sich nur über den Teil des Zylinders 12, an dem der Auslaß 20 vorgesehen ist. Der Einlaß 18 ist an dem anderen Teil am oberen Ende des Zylinders 12 vorgesehen.
An den Brennraum 22 schließt sich ein Zusatzvolumen 24 an. Das Zusatzvolumen 24 ist oben seitlich an der Zylinderwand 26 angeordnet. Das Zusatzvolumen 24 hat eine Wandung 28. Die Wandung 28 besteht aus einem zylindrischen Faltenbalg. Der Faltenbalg ist aus dünnem Edelstahl. Der Faltenbalg besteht – ähnlich wie eine Zieharmonika – aus einer Vielzahl von abwechselnd nach innen und außen gefalteten, ringförmigen Falten entlang der Länge des Zylinders. Durch die Zylinderform kann der Faltenbalg auch hohen Drücken widerstehen. Der Faltenbalg 28 ist in der Länge veränderlich. Das dem Brennraum 22 abgewandte Ende 30 des Faltenbalgs 28 ist fest mit einem Schieber 32 verbunden. Der Schieber 32 hat den gleichen Außendurchmesser wie der Faltenbalg 28. Beide sind in einem Führungsrohr 34 geführt. Über eine geeignete Mechanik mit einer Steuerung (nicht dargestellt) kann der Schieber in Längsrichtung, d.h. in horizontaler Richtung in 1 bewegt werden. Dann wird der Faltenbalg zusammengedrückt oder auseinander gezogen. Entsprechend verringert oder vergrößert sich das Zusatzvolumen 24.
Mit dieser Anordnung kann die Gestaltung des Verbrennungsmotors und das Kompressionsverhältnis über sehr weite Bereiche an den Treibstoff angepasst werden. Wenn der Schieber 32 nach links in 1 bewegt wird, wird das Volumen des Brennraums einschließlich des Zusatzvolumens verkleinert. Dadurch wird das Kompressionsverhältnis vergrößert. In diesem Fall werden Brennstoffe mit hoher Klopffestigkeit, d.h. Benzin mit hoher Oktanzahl oder sogar Erdgas eingesetzt. Wenn Brennstoffe eingesetzt werden sollen, die eine geringere Klopffestigkeit aufweisen, kann der Schieber 32 nach rechts bewegt werden. Dann wird das Kompressionsverhältnis verkleinert. Dadurch wird ein Klopfen auch bei Benzin geringer Oktanzahl vermieden. Die Anordnung zeichnet sich dadurch aus, daß keine Dichtungen benötigt werden, die direkt mit dem Brennraum in Verbindung stehen. Dadurch bleibt die Anordnung über lange Zeiträume funktionsfähig und setzt sich nicht zu.
In 2 ist dargestellt, wie durch die beschriebene Anordnung ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird. Die üblichste Ausgestaltung eines Motors ist so, daß ein Kompressionsverhältnis von 10 erreicht wird. Dieses Kompressionsverhältnis ist mit einer Linie 40 bezeichnet. Bei diesem Kompressionsverhältnis wird in der Praxis ein Wirkungsgrad von typischerweise 45% erreicht. Dieser Punkt ist mit 42 bezeichnet. Man erkennt an der Kurve 44, daß der Wirkungsgrad bei höheren Kompressionsverhältnissen größer ist. Der Wirkungsgrad kann um etwa 20% gesteigert werden, wenn bei einem höheren Kompressionsverhältnis gearbeitet wird. Sofern also ein entsprechend klopffester Treibstoff zur Verfügung steht, kann das Kompressionsverhältnis wesentlich erhöht werden. Wenn ein Treibstoff mit besonders hoher Klopffestigkeit, z.B. Erdgas (in 2 mit 46 bezeichnet) nicht zur Verfügung steht, kann das Kompressionsverhältnis auf die oben beschriebene Weise abgesenkt werden. Dieser Bereich ist in 2 mit 148 bezeichnet. In jedem Fall arbeitet der Motor bei dem für den jeweiligen Treibstoff erreichbaren, optimalen Wirkungsgrad. Im Gegensatz zu bekannten Motoren wird kein Wirkungsgrad „verschenkt".
Die beschriebene Anordnung ermöglicht eine Variabilität über einen höheren Bereich als alle bekannten Anordnungen und ist daher gut für den bivalenten Betrieb von Kraftfahrzeugen mit Benzin und Erdgas geeignet.
Über einen Klopfsensor kann der Treibstoff erkannt bzw. der jeweilige Kompressionsbereich ermittelt werden, bei dem der Motor optimal arbeitet. Das Zusatzvolumen wird dann mit dem Schieber über ein entsprechendes Steuersignal eingestellt.

Claims

Zylinder für Verbrennungsmotoren mit einem Brennraum und einem mit dem Brennraum verbundenen, variabel einstellbaren Zusatzvolumen zur Einstellung des Kompressionsverhältnisses, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzvolumen durch Veränderung der Wandungsgeometrie einstellbar ist.
Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Wandungsgeometrie durch eine Längenänderung erfolgt.
Zylinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzvolumen zumindest teilweise von einem Faltenbalg eingeschlossen ist.
Zylinder nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Faltenbalg aus Edelstahl besteht.
Zylinder nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Zusatzvolumens innerhalb eines Führungsrohrs angeordnet ist.
Zylinder nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum eine Unterteilung aufweist, so daß er als May-Fireball-Brennraum ausgebildet ist.
Zylinder nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzvolumen seitlich an dem Zylinder vorgesehen ist.
Verbrennungsmotor enthaltend einen Zylinder nach einem der vorgehenden Ansprüche.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Regelungsmittel zur Regelung des Kompressionsverhältnisses vorgesehen sind.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen Klopfsensor und Mittel zur Einstellung des Kompressionsverhältnisses über das Zusatzvolumen in Abhängigkeit von den mit dem Klopfsensor aufgenommenen Signalen.
Verwendung eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 8 bis 10 für den Antrieb von Kraftfahrzeugen mit verschiedenen Brennstoffen, insbesondere Benzin beliebiger Oktanzahl und Erdgas.