DE102006005228A1

DE102006005228A1 - Vakuum-Zweitaktverfahren für Verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE102006005228A1
Application number: DE102006005228A
Authority: DE
Inventors: Paul Penner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2007-08-09

Abstract

Die Neuerung betrifft eine Saugturbine, die mit einem Verdichter kombiniert, mechanisch bzw. elektromechanisch betrieben wird, wodurch sich ein Zweitaktverfahren für Verbrennungskraftmaschinen mit einem Aufbau nach dem Viertaktverfahren ermöglicht. Durch die in das Abgassystem integrierte Saugturbine wird in selbigem ein permanenter Normal- bzw. Unterdruck erzeugt, was eine von der Kolbenbewegung unabhängige Evakuierung des Brennraumes veranlasst. Durch das Öffnen des Auslassventils am Ende des Arbeitstaktes kann der Zylinder, für die während dem unteren Totpunkt folgende Aufladung durch den Frischgasverdichter, von den Verbrennungsgasen freigelegt werden. Durch das System lassen sich Vorteile wie die Laufruhe des Zweitaktverfahrens, Wirtschaftlichkeit aufgrund besserer Verbrennung durch die mögliche Hubraumverkleinerung und nach dem Downsizing-Prinzip Kompaktheit bzw. Leichtigkeit für Verbrennungskraftmaschinen realisieren.

Description

Die revolutionäre Dampfmaschine leitete einst die Ära der Kolbentriebwerke ein und ist im gewissen Sinne die „Mutter aller Motoren". Auch aktuelle Verbrennungskraftmaschinen funktionieren nach einem von der Dampfmaschine abgeleiteten Prinzip. Demnach wird chemische Wärmeenergie des Kraftstoffes durch die Verbrennung und Expansion im Zylinder in mechanische Energie umgewandelt, wobei das Viertaktverfahren das meist Verbreitete ist. Während der hundertjährigen Geschichte des Automobils wurde viel weiterentwickelt und modernisiert; Innovationen wie der Abgasturbolader oder die Pumpe-Düse-Einspritzung bzw. die Commonrail-Einspritzung revolutionierten die Automobilbranche. Um einen Fortschritt zu gewährleisten ist es nicht immer nötig „Neues" zu erfinden, sondern das Bewährte weiterzuentwickeln. Unter diesem Aspekt ist eine Überlegung erwähnenswert, die zur Leistungssteigerung von Verbrennungskraftmaschinen beitragen kann.
Derzeit funktionieren Verbrennungskraftmaschinen größtenteils nach dem erwähnten Viertaktverfahren, wobei das Arbeitsspiel zwei Kurbelwellenumdrehungen und vier Kolbenhübe beinhaltet. Beim rein mechanischen Verfahren wird im 1. Takt bekanntlich das Kraftstoff-Luft-Gemisch beim Ottomotor oder reine Luft beim Dieselmotor durch die Kolbenbewegung vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt angesogen. Während des 2. Taktes wird die Zylinderfüllung verdichtet, wobei ein Druck- bzw. Temperaturanstieg erfolgt. Kurz vor Vollendung des 2. Taktes erfolgt die (Selbst)Zündung. Im 3. Takt wird durch die Gasexpansion der Arbeitshub ausgeführt. Die Abgase werden im 4. Takt durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens ausgestoßen.
Mittlerweile erfolgen Arbeitszyklen teilweiße elektromechanisch, wie z.B. die Einspritzung durch die Piezo-Pumpe-Düse-Elemente. Das Einspritzen als Solches erfolgt durch eine elektronische Ansteuerung, die den optimalen Zeitpunkt und die Einspritzmenge ermittelt und das System somit effektiv betreibt.
Eine neue Möglichkeit besteht nun darin, dass der 4. Takt bzw. das Ausstoßen der Abgase ebenfalls elektromechanisch erfolgt. Hierbei kommt ein Pumpenaggregat zum Einsatz, das den Verbrennungsraum evakuiert. Das Ausstoßen der Abgase ist somit unabhängig von der Aufwärtsbewegung des Kolbens. Die Verbrennungsgase werden also nicht mehr von dem Kolben ausgestoßen, sondern von der Pumpe aus dem Verbrennungsraum ausgesaugt. Steuert man die Auslassventile nun so an, dass der Brennraum am Ende des Arbeitstaktes evakuiert und ein Normal- bzw. Unterdruck im Zylinder erzeugt werden kann, so würde der Brennraum schon während dem unteren Totpunkt freigelegt sein für die nächste Kraftstoffaufnahme und nicht erst nach dem Ausstoßen durch den Kolben bei dem oberen Totpunkt. Der Evakuierung folgend, während dem unteren Totpunkt und im Zeitraum kurz danach erfolgt dann die Einspritzung um das größte Volumen im Brennraum auszunutzen. Dadurch besitzt das Arbeitsspiel zwei anstelle von vier Arbeitstakten, unterscheidet sich aber von gängigen Zweitaktverfahren.
Der 1. Takt beinhaltet die Einspritzung während der Kolbenstellung im Bereich des unteren Totpunktes. Darauf folgt die Verdichtung und Zündung des Kraftstoffes. Im 2. Takt bewirkt die Gasexpansion den Arbeitshub an dessen Ende der Verbrennungsraum evakuiert wird.
Als Aggregat selbst würde eine Vakuumpumpe – genauer eine Saugturbine – in Anbetracht kommen, die dann in das Abgassystem integriert wird. Es wäre am effektivsten, wenn die Vakuumpumpe mit dem Abgasturbolader kombiniert wird.
Die Grundkonstruktion entspricht dem Abgasturboladeraufbau (siehe Zeichnung), die jedoch auf der Seite der Abgasturbine eine Saugturbine bzw. einen Radialverdichter (4) besitzt, die dann gemeinsam mit dem Frischluftverdichter (1) von einem Elektromotor (7) oder alternativ direkt von der Kurbelwelle angetrieben werden. So wird gleichzeitig von dem veränderten Abgasturbolader das Abgassystem evakuiert, indem die Abgase angesogen (5) und durch die Zentrifugalkraft ausgestoßen werden (6) und die Frischgasdichte durch das Ansaugen (2) und Verdichten (3) der Ladeluft erhöht. Je nach Anforderung beide Verdichter konstant oder drehzahlabhängig betreiben. Die Vakuumpumpe muss einen der Abgasmenge entsprechenden Volumenstrom besitzen und Vakuen in kurzen Zeitintervallen erzeugen. Auch der Frischgasverdichter muss eine den Drehzahlen und dem Volumenstrom entsprechende Dimension besitzen.
Aber um dieses Zweitaktverfahren zu realisieren ist es darüber hinaus notwendig die Ventilsteuerzeiten zu ändern. So muss sich das Auslassventil nach dem Hubkraftmaximum gegen Ende des Arbeitshubes öffnen, damit der Brennraum von der Abgaspumpe evakuiert werden kann und vor dem unteren Totpunkt wieder schließen. Daraufhin soll das Einlassventil während der Kolbenstellung beim Unteren Totpunkt öffnen um die Einspritzung zu ermöglichen und schnellstmöglichst wieder schließen um eine effektive Verdichtung zu gewährleisten. Abhängig vom Verfahren kann auch die Ventilüberschneidung angewendet werden um eventuelle Strömungsvorteile zu nutzen.
Mit Hilfe einer solchen „Abgaspumpe" lassen sich des weiteren die im Verbrennungsraum befindlichen Restgasanteile entfernen, was die Entflammung und Verbrennung beeinflusst. Bei der darauf folgenden Einspritzung kann also mehr Volumen an „reinem" Gemisch befördert werden.
Bei weiterem Beschleunigen der Abgase lassen sich sogar Unterdrücke erzeugen, die zur Folge haben, dass sich die Einströmgeschwindigkeiten der Gase erhöhen. Daraus resultieren erhöhte Turbulenzen, die eine bessere Vermischung und Raumverteilung des Kraftstoffes im Verbrennungsraum hervorrufen. Außerdem kühlen sich Gase, die in ein Vakuum eintreten ab, was geringfügig den Effekt des Ladeluftkühlers hat.
Die Funktion dieses Verfahrens erhöht die Effektivleistung allein schon unter dem Aspekt der halben Taktanzahl. Darüber hinaus kann die Unterdruckerzeugung im Brennraum zu einer weiteren Leistungssteigerung beitragen. Aufgrund der Leistungssteigerung können Optimierungen an Verbrennungsmotoren vorgenommen werden. So wie z.B. neben anderen Alternativen die Hubraumverkleinerung bei gleicher Leistung eines entsprechenden Viertaktmotors.
Bei einer Hubraumverkleinerung sinkt zudem der Oktanzahlanspruch aufgrund der intensiven Turbulenz der Ladung durch rasche Verbrennung. In Verbindung mit einem deshalb möglichen hohen Verdichtungsverhältnis kann ein Magerkonzept realisiert werden. Dadurch folgt eine geringere Abgasemission bei gutem Wirkungsgrad. Darüber hinaus ermöglicht sich bei kleinen Brennräumen ein geringerer Zündverzug, was die Verbrennung ebenfalls positiv beeinflusst.
Neben der erhöhten Leistung gibt es noch die Vorteile des Zweitaktverfahrens wie einen ruhigeren Motorlauf bzw. einen besseren Gleichförmigkeitsgrad. Auf der anderen Seite entstehen bzw. verstärken sich Nachteile wie die Wärmeentwicklung und der erhöhte Lärmpegel, die entsprechend berücksichtigt werden müssen.
Im Endeffekt kann man sich nach dem Downsizing-Prinzip für eine kompaktere und leichtere Motorbauweiße entscheiden, was das Leistungs- und Volumengewicht deutlich verbessert und außerdem einen steuerrechtlichen Vorteil hat, da Steuern zur Zeit noch auf Hubraum erhoben werden.
Ein Problem besteht jedoch darin, die Funktionszeiten der Abgaspumpe bzw. die Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile festzulegen sowie die Einspritzung neu zu optimieren, da sie in einem äußerst geringen Zeitraum erfolgen müssen. So muss die Vakuumpumpe beispielsweise in Sekundenbruchteilen den Verbrennungsraum in einem geeigneten Zeitpunkt gegen Ende des Arbeitshubes evakuieren – z.B. nach dem Hubkraftmaximum. Auf der anderen Seite muss die Einspritzung relativ zügig folgen, um somit das größte Brennraumvolumen während dem unteren Totpunkt zu nutzen. Zudem muss ein geeigneter elektromechanischer Antrieb ausgewählt werden, der sehr hohe Drehzahlen und das entsprechende Drehmoment in einer möglichst kurzen Anlaufphase erreicht und gegen die Wärmestrahlung im Motorraum isoliert ist. Im Falle des mechanischen Antriebes durch die Kurbelwelle muss ein geeignetes Getriebe konzipiert werden, das ebenfalls hohe Drehzahlen an die Verdichter überträgt. Bei der Kombination des elektromechanischen Antriebes während der Startphase mit dem mechanischen Antrieb über die Kurbelwelle im Dauerbetrieb müssen die Antriebswege über Magnetkupplungen koordiniert werden oder alternativ der Elektromotor als Generator verwendet werden Die Saugturbine muss aufgrund der hohen Abgastemperaturen aus thermisch belastbarem Material beschaffen sein.

Claims

Ein Verbrennungsmotor nach dem Aufbau des Viertaktmotors mit Abgasaufladung, gekennzeichnet durch eine Saugturbine, konstant oder drehzahlabhängig betrieben, die vor dem Abgasturbolader in das Abgassystem integriert ist und dieses durch die Erzeugung eines permanenten Vakuums evakuiert, um den Brennraum durch das Öffnen des Auslassventils unabhängig von der Kolbenbewegung von den Abgasen bzw. Restgasen freizulegen.
Ein Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass beim Ladungswechsel das Einlassventil während der Kolbenstellung beim unteren Totpunkt öffnet, das vorverdichtete Frischgas einströmen lässt und unmittelbar nach dem unteren Totpunkt wieder schließt, wonach das Auslassventil nach erfolgter Verdichtung und Entzündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches vor dem unteren Totpunkt öffnet und vor der Einspritzung wieder schließt.
Ein Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, mit Anwendung der Ventilüberschneidung.
Ein Verbrennungsmotor, gekennzeichnet dadurch, dass die Saugturbine mit einem Frischgasverdichter eines Abgasturboladers durch eine gemeinsame Welle verbunden ist und angetrieben wird.
Ein Verbrennungsmotor, gekennzeichnet dadurch, dass die Saugturbine elektromechanisch durch einen entsprechenden Elektromotor betrieben wird.
Ein Verbrennungsmotor, gekennzeichnet dadurch, dass die Saugturbine mechanisch über ein geeignetes Getriebe von der Kurbelwelle betrieben wird.
Ein Verbrennungsmotor, gekennzeichnet dadurch, dass die Saugturbine elektromechanisch sowie mechanisch betrieben wird, indem in der Startphase der Antrieb des Elektromotors einsetzt, im Dauerbetrieb der Antrieb über die Kurbelwelle stattfindet.