DE102006020443A1

DE102006020443A1 - Querströmkrümmer für Verbrennungsmotore, insbesondere mit Einventiltechnik

Info

Publication number: DE102006020443A1
Application number: DE102006020443A
Authority: DE
Original assignee: MOELLMANN JOCHEN; Mollmann Jochen
Current assignee: MOELLMANN JOCHEN; Mollmann Jochen
Priority date: 2006-05-03
Filing date: 2006-05-03
Publication date: 2007-11-08

Abstract

Verbrennungsmotor mit geänderter Krümmeranordnung, dem sogenannten Querströmkrümmer, der zwar den Ventilsitz ganz umschließt, aber quer zum Ventil und außerhalb des Zylindervolumens verläuft und zu keiner Zeit durch das Ventil oder die Ventile verschlossen wird; stattdessen schiebt eine relativ langsame Querströmung aus Frischgas das vom Kolben ausgeschobene Abgas in Richtung Auspuff weiter, so dass beim folgenden Ansaugtakt wieder Frischgas vor dem Ventil liegt. So lassen sich bei Verbrennungskraftmaschinen eine Steigerung des Füllungsgrads im Zylinder durch vergrößerte Ventilquerschnittsfläche, eine Senkung des Leistungsgewichts sowie eine Vereinfachung des Zylinderkopfes durch die Einventiltechnik erreichen. Feld der Erfindung Verbrennungsmotore nach dem Stand der Technik leiden bei hohen Drehzahlen an einem schlechten Füllungsgrad und daher an einem hohen Leistungsgewicht. Großer technischer Aufwand wird betrieben, um den Füllungsgrad des Motors zu steigern, beispielsweise mit Turboladern und Kompressoren. Weil es ein Einlassventil und ein Auslassventil mit verschiedenen Betätigungszeiträumen gibt, steht jeweils einem Ventil oder einer Ventilgruppe im Zylinderkopf nur die halbe mögliche Querschnittsfläche zur Verfügung, denn die andere Hälfte der verfügbaren Querschnittsfläche wird von der jeweils anderen Ventilgruppe zu einer anderen Zeit verwendet. Bei herkömmlichen Motorkonstruktionen beträgt die pro Ventil oder Ventilgruppe nutzbare Fläche in der Praxis ...

Description

Der Zylinderkopf hat nur ein riesiges Ventil, das im Verhältnis zum Zylinderquerschnitt so groß ist wie möglich. Der begrenzende Faktor für die Ventilgröße ist praktisch nur der maximal mögliche Strömungsquerschnitt, der zwischen Zylinderbohrung und Ventiltellerrand noch übrig bleibt, der Ventildurchmesser soll also etwa 1-durch-Wurzel-2-mal (0,7×) den Zylinderdurchmesser betragen. Dann nämlich ist die Fäche zwischen Ventiltellerrand und Zylinderwandung ebenso groß wie die Tellerfläche des Ventils; dies ist das Optimum. Bei geeigneter Geometrie des Zylinderkopfs und ausreichend geringer Verdichtung ist sogar noch etwas mehr möglich.
Dieses eine Ventil liegt an einem Rand der Zylinderquerschnittsfläche bzw. Zylinderwandung. Zündkerze oder Glühkerze und Einspritzdüse (falls erforderlich) liegen dem Ventilteller gegenüber auf der anderen Seite des Zylinders nebeneinander. Es muss sowieso noch ein ausreichender Strömungsquerschnitt übrig bleiben, und der kann auch asymmetrisch liegen. Optimal in der Mitte kann ein großes Ventil ebenfalls liegen, aber dies schränkt die Lage und Größe von Zündquelle und Kraftstoffdüse sehr ein (falls vorhanden).
Es ist also auch nur eine Nockenwelle pro Zylinder erforderlich, beziehungsweise überhaupt nur eine für einen Reihenmotor. Egal wie der Motor ansonsten ausgeführt ist, erfolgt die Sortierung von Frischluft und Abgas nicht dadurch, dass der Gasfluss in getrennte Rohrsysteme aufgrund von Ventilsteuerzeiten erzwungen wird, sondern einzig dadurch, dass der kombinierte Abgas/Frischluftkrümmer ein durchgehendes großes Rohr ist, das widerstandsarm von Frischluf durchströmt wird. Dieses Rohr liegt so am oder auf dem Zylinderkopf, dass die ganze Querschnittsfläche des Ventils vom durchgehenden Krümmer bedeckt ist. Der Ventilschaft und auch das Einspritzventil führen einfach mitten durch den Krümmer durch. Wichtig ist nicht die Geschwindigkeit und der Druck dieser Strömung, sondern nur, dass unter den an dieser Stelle herrschenden Bedingungen mindestens ein Zylindervolumen entspanntes Abgas widerstandsarm hindurchgeflossen sein kann, bevor die nächste Frischluftfüllung angesaugt wird. Die Strömung wird einfach irgendwie erzwungen, zum Beispiel mit einem Lüfter auf der Frischluftseite. Da nun das eine Ventil oder die eine Ventilgruppe vom Beginn des Ausschubtaktes bis zum Ende des Ansaugtaktes offen bleibt, besteht am oberen Kolbentotpunkt die Gefahr einer Kollision zwischen Kolben und Ventilteller. Daher muss die Antriebsnocke gegebenenfalls in der Mitte ein wenig abgeflacht sein, so dass das Ventil zum Zeitpunkt des oberen Kolbentotpunktes auf Kosten des maximalen Durchlassquerschnitts ein wenig zurückweicht.
Es folgen nun zwei überschlägige Rechnungen, die den Vorteil der größeren Ventilfläche darlegen. Der Zylinder in den Beispielen hat 500 ccm² Hubraum, 88 mm Durchmesser, eine Querschnittsfläche von etwa 60 cm² und der Motor dreht sich mit 6000 UPM oder 100 U/sec. Mit zwei konventionellen Ventilen ist hier Schluss, das ist aber bekanntlich möglich. Der Ausschubtakt dauert also 1/200 Sekunde.
Beispiel Gasflussgeschwindigkeit am Ventil:
An einem konventionellen Auslassventil mit 44 mm Tellerdurchmesser ergibt sich ein Strömungsquerschnitt von
Zylinderquerschnittsfläche pi·R² = 3,14·44² = 60,8 cm²;
Ventilquerschnitt pi·r²= 3,14·22² = 1519 mm², rund 15 cm²;
die Ventile bedecken also jeweils 15 cm²/60 cm² = 1/4 des Zylinderquerschnitts.
Die mittlere Gasflussgeschwindigkeit beträgt nun 500 cm³/15 cm²/0,005 sec = 666 cm/sec oder 66 m/sec. (In Wirklichkeit ist sie weit höher, denn das heiße Abgas hat mindestens den doppelten Kompressionsdruck, die Ventilquerschnittsfläche ist deutlich kleiner als 1/4 des Zylinderquerschnitts, und die Kolbengeschwindigkeit ist eine Sinusfunktion der Kurbelwellendrehung; daher kommt die Gasflussgeschwindigkeit tatsächlich in den Bereich der Schallgeschwindigkeit). Kommt hingegen ein Einventiltechnik-Ventil mit 0,7-mal 60 cm² zum Einsatz, also mit 42 cm², dann beträgt die mittlere Gasflussgeschwindigkeit 500 cm³/42 cm²/0,005 sec = 2381 cm/sec = 24 m/s. Die Gasflussgeschwindigkeit ist also auf ein Drittel reduziert.
Beispiel Gasflussgeschwindigkeit im Krümmer:
Der Krümmer hat die eineinhalbfache Querschnittsfläche wie der Zylinder, im obigen Beispiel also 90 cm². Der Durchmesser beträgt damit etwa sqrt(90 cm²·4/pi) = 107 mm. Hier müssen nun in erster Näherung 500 cm³ Abgas in 1/200 Sekunde beiseite geschoben werden. Die erforderliche Flussgeschwindigkeit liegt bei 500 cm²/90 cm²/0,05 sec = 11,11 m/sec oder etwa 40 km/h.
Selbst wenn man annimmt, dass der Volumenstrom wegen der thermischen Expansion der Abgase mehr als 15 m/Sekunde betragen muss, sind solche Geschwindigkeiten kein energetisches Problem mehr, und mit nur wenigen Zentimetern Rohrdurchmesser mehr lässt sich die Fläche fast beliebig sinnvoll vergrößern. Hat man sich für eine immer gleich bleibende Strömungsrichtung im Krümmer entschlossen (was aber nicht mehr zwangsläufig notwendig ist), gelingt der verwirbelungsfreie Ausschub ohne Vermischung von Frischluft und Abgas am besten, wenn sich der Krümmer in Ansaugrichtung ein wenig verjüngt und sich in Abgasrichtung etwas aufweitet, also eine schwach konische Form hat. Der Ventilschaft und das Einspritzventil führen zwar mitten durch den Krümmer durch, aber hier gibt es keine so großen Temperatur- und Druckprobleme wie heute am Auslassventil von Verbrennungsmotoren mit dediziertem Auspuff. Bei Teillast bleibt die Temperatur durchschnittlich geringer, bei Volllast wird das Ventil durch einen schnelleren Luftstrom durchschnittlich die halbe Zeit gekühlt.
Es wird nun auch leicht möglich, die Form des Krümmers daraufhin zu optimieren, dass der verbleibende Raum zwischen Kolben und Ventil optimal ausgeräumt wird, indem man einfach beide mit durchsichtigen Plastikrohren simuliert. Statt eines Kolbens setzt man am Totpunkt ein Sieb ein und beobachtet einfach die Strömungen im simulierten Zylinderkopf mit echtem Ventil und echtem Ventilsitz, indem man von den zwei Seiten verschiedenfarbige Aerosole einströmen lässt. Man braucht nur darauf zu achten, dass die gewählten Ventilsitzformen und Krümmerformen bei verschiedenen Fließgeschwindigkeiten eine halbwegs gleiche Durohspülung des Ventilbereichs ermöglichen. Plötzlich einsetzende Turbolenzen stören nämlich die Genauigkeit der weiter unten beschriebenen Inertgassteuerung. Will man die Durchspülung des Ventilsitzbereichs durch Verengungen im Querströmkrümmer erzwingen, dann schleichen sich die energetischen Probleme mit dem Gasfluss an dieser Stelle wieder ein, denn die Gasflussgeschwindigkeit muss dazu immer mehr ansteigen und es entsteht ein Druckabfall. Es ist also sinnvoll, sich mit dem Gedanken anzufreunden, dass ein absolut perfekter Gaswechsel auch mit dar Einventiltechnik nur theoretisch möglich ist. Immerhin wird der Füllungsgrad der Maschine erheblich besser und damit das Leistungsgewicht geringer.
Dies ist also auch ohne weitere Tricks schon eine gute Optimierung für Direkteinspritzer, bei denen die Leistungsverringerung durch eine Mindereinspritzung erzielt wird. Dies sind heute praktisch alle Dieselmotore. Allerdings gibt es nun keine Möglichkeiten zur klassischen Drosselung mehr, es ist also wenig gewonnen, wenn man sich nicht auch energetisch günstigere Varianten der Leistungsverringerung einfallen lässt als heute üblich. Dies gilt gleichermaßen für Otto wie für Diesel, auch beim Diesel bedeutet kleinster Kraftstoffdurchsatz pro Luftdurchsatz größte Verluste.
Eine Klappe funktioniert immer noch zur Flusssteuerung, aber ihr Wirkmechanismus ist nun ein anderer und daher auch für Direkteinspritzer geeignet. Wenn der langsame Gasfluss zu einem Zylinder gezielt für einen oder mehrere Arbeitstakte unterbrochen oder gebremst wird, wird das Abgas einfach wieder in den Zylinder eingesogen. Die thermischen Kompressionsverluste im Verlaufe des Kolbenzyklus fallen nun aber geringer aus, weil das Abgas vor dem erneuten Durchlauf noch wann ist, es deswegen also keinen thermischen Verlust bedeutet, wenn es auch nachher den Zylinder wann wieder verlässt. Vor allem bleibt die Kompressionsenergie da, wo sie gebraucht wird, nämlich im Zylinder, so dass man eine Leistungssenkung nun energetisch günstig als binäres on/off ratio ganzer Zylindertakte, auch mehrerer in Folge, ebenso zuverlässig erreichen kann wie die Sperrklappe im Krümmer schnell ist. Das entspricht also einer Abgasrückführung direkt am Ventil.
Schwieriger wird es, ein genau dosiertes Mischungsverhältnis aus Inertgas und Frischgas hinzubekommen, um einen energetisch sinnvollen Teillastbetrieb mit möglichst viel Inertgas kontrolliert ablaufen zu lassen. Dazu eignet sich ein gesteuerter Elektrolüfter im Frischluftteil. Seine Drehzahl definiert die Gasflussgeschwindigkeit, diese muss primär proportional zur Motordrehzahl bleiben. Überproportional schneller Gasfluss bedeutet mehr Frischgasfüllung, etwas langsamerer Gasfluss bedeutet einen wachsenden Inertgasanteil, denn wenn ein Teil des Abgases noch nicht beiseite geschoben wurde, wird er wieder aus dem Krümmer zurück in den Zylinder gesaugt. Es ist sogar denkbar, einen großen Ventilator im gemeinsamen Teil des Ansaugtraktes für alle Zylinder mechanisch an die Kurbelwelle zu koppeln und einen kleineren Ventilator elektrisch hauptsächlich den nichtproportionalen Anteil des Luftstroms regeln zu lassen, so dass der Motor nicht ausfällt, wenn Teile des Lüftungssystems versagen. Allein durch eine gesteuerte Verringerung der Gasflussgeschwindigkeit kann man also den Inertgasanteil und den Wirkungsgrad deutlich erhöhen, bis entweder mehr Leistung gebraucht wird und mehr Drehmoment nur noch mit mehr Luftsauerstoff zu erzielen ist, oder bis bei gegebener Leistung das Ventil oder die Ventile wegschmelzen (Bauteilschutz). Das reicht eigentlich schon, weil das System sich mit jedem Ventiltakt selbst neu synchronisiert.
Der Luftfilter muss gegenüber heutigen Dimensionierungen größer ausgeführt werden, damit er keine Gasflussbremse mehr darstellt. Am besten ist ein zweistufiges Filtersystem geeignet. Die erforderliche Luftströmung kann bei Fahrt durch den Winddruck erzeugt werden, durch einen mechanischen oder elektrischen Lüfter erzwungen werden oder kann, wenn sie auch zu anderen Zwecken erzeugt oder benötigt wird, einfach mitgenutzt werden.

Claims

Kolbenkraftmaschine nach dem Stande der Technik, insbesondere Verbrennungsmotor, mit einem Ventil oder mehreren funktional und zeitlich parallel wirkenden Ventilen pro Zylinder, 1) jedoch gekennzeichnet dadurch, dass ein durchgängiges Rohrsystem für Frischluft und Abgas, der sogenannte Querströmkrümmer, außerhalb des Zylinders am Zylinderkopf vorbeiläuft, dabei die gesamte Querschnittsfläche des Ventilsitzes oder der Ventilsitze im Zylinderkopf umschließt, aber zu keiner Zeit durch die Ventile des Zylinders verschlossen wird, und der es auf diese Weise ermöglicht, Gasvolumenströme in der Größenordnung des Hubraums der Maschine in der für einen Kolbenzyklus (Ausschubtakt) benötigten Zeit aufgrund des großen Querschtitts sehr widerstandsarm am Zylinder vorbeizuschieben und stromab in Richtung Auspuff zu verdrängen, so dass der Kolben die Zylinderfüllung ebenfalls sehr widerstandsarm in den neuartigen Krümmer verdrängen und aus dem neuartigen Krümmer widerstandsarm Frischgas ansaugen kann; 2) jedoch gekennzeichnet dadurch, dass nur noch ein Ventil pro Zylinder benötigt wird, dessen Tellerdurchmesser mit 1/sqrt2 (0,7×) des Zylinderdurchmessers etwa zwei- bis dreimal so groß ist wie in gängigen Motorkonstruktionen und daher weniger Gasreibung verursacht; 3) ferner obige Maschinen, jedoch gekennzeichnet dadurch, dass die erforderliche Zufuhr des Arbeitsmediums in das Krümmersystem nicht durch eine Saugwirkung des Kolbens erfolgt, sondern auf andere Weise durch erkennbar zu diesem Zweck dienenden Konstruktionselementen des funktionalen Gesamtsystems herbeigeführt wird, darunter insbesondere eine vergrößerte Öffnungsfläche des Rohrsystems zur Nutzung von Winddruck am Bug von Kraftfahrzeugen, aber auch von der Kolbenmaschine mechanisch angetriebene oder elektrisch betriebene Vorrichtungen wie Lüfter, Turbinen oder ähnliches im Frischluftteil des Krümmersystems, die eine Luftströmung durch den Querströmkrümmer erzwingen; 4) ferner obige Maschinen mit mechanischen Elementen, die geeignet sind, den Gasfluss durch das kombinierte Abgas- und Frischluftsystem über den Zylinder hinweg gezielt zu behindern, zu unterbrechen oder zu beschleunigen, insbesondere Klappen, Gasventile, Lüfter oder Turbinen; 5) ferner obige Maschinen mit besonders geformten Antriebsnocken für das Ventil oder die Ventile, wobei in der Mitte der Nocke eine Abflachung liegt, die den Ventilteller in Nähe des oberen Kolbentotpunktes ein wenig zurück bewegt, damit der Kolben einen höheren Totpunkt fahren kann; 6) ferner obige Maschinen mit besonders geformtem Kolben, der dem tiefsten Punkt des Ventils am oberen Kolbentotpunkt durch konkave Formgebung mehr Raum lässt.