Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
sowie eine entsprechend einem solchen Verfahren betreibbare Brennkraftmaschine.The
The invention relates to a method for operating an internal combustion engine
and an operable according to such a method internal combustion engine.
Aus
Gründen der Ressourcenschonung und der Verminderung der
Umweltbelastung liegt ein zunehmend vorrangiges Entwicklungsziel
bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, wie sie insbesondere
in Personenkraftwagen eingesetzt werden können, in der
Verminderung des Kraftstoffverbrauchs bzw. der Verbesserung des
Wirkungsgrades, wobei unter Wirkungsgrad der Kraftstoffverbrauch,
bezogen auf die an der Kurbelwelle abnehmbare mechanische Energie
verstanden wird.Out
Reasons to conserve resources and reduce the
Environmental impact is an increasingly priority development goal
in the development of internal combustion engines, as in particular
can be used in passenger cars, in the
Reduction of fuel consumption or improvement of the
Efficiency, taking efficiency of fuel consumption,
based on the removable at the crankshaft mechanical energy
is understood.
Eine
Eigenart herkömmlicher Hubkolbenbrennkraftmaschinen liegt
darin, dass der gesamte thermodynamische Prozess (Ansaugen, Verdichten,
Verbrennen und Ausschieben) in einem einzigen Zylinder abläuft, was
erhebliche Kompromisse bzgl. der Ausnutzbarkeit der Brennstoffenergie
bedeutet. Ansätze, den gesamten thermodynamischen Prozess
auf zwei Zylinder zu verteilen, sind beispielsweise aus der US-2005/0268609 A1 bekannt.
Bei dieser bekannten Brennkraftmaschine wird Frischladung von einem
Kompressionszylinder in einen Arbeitszylinder unter Zwischenschaltung
eines konstanten Zwischenvolumens übergeschoben. Dieses Überschieben
erfolgt bei hohen Druckunterschieden, wodurch der Wirkungsgrad infolge
thermischer Verluste und Strömungsverlusten unbefriedigend
ist.A peculiarity of conventional reciprocating internal combustion engines is that the entire thermodynamic process (suction, compression, combustion and expulsion) occurs in a single cylinder, which means significant compromises in terms of the exploitation of the fuel energy. Approaches to distribute the entire thermodynamic process on two cylinders, for example, from the US-2005/0268609 A1 known. In this known internal combustion engine fresh charge is superimposed by a compression cylinder in a working cylinder with the interposition of a constant intermediate volume. This sliding occurs at high pressure differences, whereby the efficiency due to thermal losses and flow losses is unsatisfactory.
Entsprechend
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben
einer Brennkraftmaschine sowie eine entsprechend einem solchen Verfahren
betreibbare Brennkraftmaschine zu schaffen, mit dem bzw. der ein
verbesserter Wirkungsgrad erzielt werden kann.Corresponding
The invention is based on the object, a method for operating
an internal combustion engine and one according to such a method
to create an operable internal combustion engine, with the one or the
improved efficiency can be achieved.
Eine
Lösung für den das Verfahren betreffenden Teil
der Erfindungsaufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erzielt.A
Solution for the part of the procedure
the invention task is achieved with the features of claim 1.
Das
erfindungsgemäße Verfahren wird mit den Merkmalen
der Unteransprüche 2 bis 10 in vorteilhafter Weise weitergebildet.The
inventive method is with the features
of subclaims 2 to 10 developed in an advantageous manner.
Der
Anspruch 11 ist auf eine Brennkraftmaschine zur Lösung
des diesbezüglichen Teils der Erfindungsaufgabe gerichtet.Of the
Claim 11 is an internal combustion engine to the solution
directed to the relevant part of the invention task.
Die
Unteransprüche 12 bis 24 sind auf vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
gerichtet.The
Subclaims 12 to 24 are advantageous embodiments
and further developments of the internal combustion engine according to the invention
directed.
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise
und mit weiteren Einzelheiten erläutert.The
Invention will be described below with reference to schematic drawings, for example
and explained in more detail.
In
den Figuren stellen dar:In
the figures represent:
1 eine
schematische Querschnittsansicht von Teilen einer erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschine; 1 a schematic cross-sectional view of parts of an internal combustion engine according to the invention;
2 bis 8 der 1 ähnliche
Ansichten in verschiedenen Betriebszuständen; 2 to 8th of the 1 similar views in different operating conditions;
9 Volumenverläufe
in Abhängigkeit von der Stellung der Kurbelwelle; 9 Volume curves as a function of the position of the crankshaft;
10 Druckverläufe
sowie Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile
in Abhängigkeit von der Stellung der Kurbelwelle; 10 Pressure curves and opening and closing times of the valves in dependence on the position of the crankshaft;
11 eine
perspektivische Ansicht eines beispielhaften Ventiltriebs; 11 a perspective view of an exemplary valve train;
12 einen
Schnitt durch einen Überströmkolben mit darin
angeordnetem Überströmventil; 12 a section through an overflow piston arranged therein overflow valve;
13 eine
schematische Aufsicht auf eine erfindungsgemäße
mehrzylindrige Brennkraftmaschine; und 13 a schematic plan view of a multi-cylinder internal combustion engine according to the invention; and
14 eine
schematische perspektivische Ansicht der Kolben einer Zylindereinheit
der Brennkraftmaschine gem. 13 mit
Kurbelwelle. 14 a schematic perspective view of the piston of a cylinder unit of the internal combustion engine gem. 13 with crankshaft.
Gemäß 1 weist
eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine
Kurbelwelle 10 mit zwei benachbarten Kurbeln auf, die über
je ein Pleuel 12 bzw. 14 mit einem Verdichterkolben 16 bzw.
einem Arbeitskolben 18 verbunden sind. Der Verdichterkolben 16 ist
innerhalb eines Verdichterzylinders 20 beweglich. Der Arbeitskolben
ist innerhalb eines Arbeitszylinders 22 beweglich, wobei
der Arbeitszylinder 22 vorzugsweise mit einem Zylinderrohr 24 ausgekleidet
ist.According to 1 an internal combustion engine according to the invention has a crankshaft 10 with two adjacent cranks, each with a connecting rod 12 respectively. 14 with a compressor piston 16 or a working piston 18 are connected. The compressor piston 16 is inside a compressor cylinder 20 movable. The working piston is inside a working cylinder 22 movable, the working cylinder 22 preferably with a cylinder tube 24 is lined.
Nach
oben hin sind die Zylinder, die bevorzugt innerhalb eines gemeinsamen
Zylindergehäuses 28 ausgebildet sind, mittels
eines Zylinderkopfes 30 verschlossen, der in einem die
beiden Zylinder 20 und 22 überlappenden
Bereich eine verhältnismäßig dünne
Stirnwand 32 aufweist, die Teilbereiche der Zylinder 20 und 22 nach
oben abschließt und einen im Zylinderkopf 30 ausgebildeten Überströmzylinder 33 nach
unten abschließt.At the top are the cylinders, which are preferably within a common cylinder housing 28 are formed by means of a cylinder head 30 closed in one of the two cylinders 20 and 22 overlapping area a relatively thin end wall 32 comprising the subregions of the cylinders 20 and 22 closes up and one in the cylinder head 30 trained overflow cylinder 33 closes down.
Zwischen
dem Verdichterkolben 16 und dem Zylinderkopf 30 ist
eine Verdichterkammer 34 ausgebildet (siehe 3).
Zwischen dem Arbeitskolben 18 und dem Zylinderkopf 30 ist
eine Arbeitskammer 36 ausgebildet, in die eine Einspritzdüse 38 einragt.Between the compressor piston 16 and the cylinder head 30 is a compressor chamber 34 trained (see 3 ). Between the working piston 18 and the cylinder head 30 is a working chamber 36 formed into the one injection nozzle 38 protrudes.
In
dem Überströmzylinder 33 ist ein Überströmkolben 40 bewegbar,
der eine Überströmkammer 42 begrenzt.In the overflow cylinder 33 is an overflow piston 40 movable, which is an overflow chamber 42 limited.
In
dem Zylinderkopf 30 ist ein Frischluft- bzw. Frischladungseinlasskanal 44 ausgebildet,
in dem ein Frischladungseinlassventil 46 arbeitet, das
die Verbindung zwischen dem Frischladungseinlasskanal 44 und der
Verdichterkammer 34 steuert. Der Begriff Frischladung umfasst
die Inhalte reine Frischluft und Frischluft mit zugesetztem Brennstoff
und/oder Restgas.In the cylinder head 30 is a fresh air or fresh charge inlet duct 44 formed in which a fresh charge inlet valve 46 that works the connection between the fresh charge intake duct 44 and the compression chamber 34 controls. The term fresh charge includes the contents of pure fresh air and fresh air with added fuel and / or residual gas.
In
dem Zylinderkopf 30 ist weiter ein Auslasskanal 48 ausgebildet,
in dem ein Auslassventil 50 arbeitet, das die Verbindung
zwischen der Arbeitskammer 36 und dem Auslasskanal 48 steuert.In the cylinder head 30 is still an exhaust duct 48 formed in which an exhaust valve 50 that works the connection between the working chamber 36 and the outlet channel 48 controls.
In
der Stirnwand 32 ist eine die Verdichterkammer 34 mit
der Überströmkammer 42 verbindende Öffnung
ausgebildet, in der ein Überströmventil 52 arbeitet,
das bei einer Bewegung weg von der Verdichterkammer öffnet.
Ein Schaft des Überströmventils 52 ist
in dem Überströmkolben 40 unter Abdichtung
beweglich geführt, wobei das Überströmventil 52 gegen
die Kraft einer Feder 53 in den Überströmkolben 40 hinein
bewegbar ist und vorzugsweise mit begrenztem Hub aus dem Überströmkolben 40 heraus
bewegbar ist.In the front wall 32 is a the compression chamber 34 with the overflow chamber 42 connecting opening formed in which a spill valve 52 which opens during a movement away from the compressor chamber. A shaft of the overflow valve 52 is in the overflow piston 40 guided under sealing movable, wherein the overflow valve 52 against the force of a spring 53 in the overflow piston 40 is movable into it and preferably with limited stroke of the overflow piston 40 is movable out.
In
einer weiteren Öffnung der Stirnwand 32, die die Überströmkammer 42 mit
der Arbeitskammer 36 verbindet, arbeitet ein Einlassventil 54,
dessen Schaft durch den Überströmkolben 40 unter
Abdichtung beweglich hindurchgeführt ist.In another opening of the front wall 32 that the overflow chamber 42 with the working chamber 36 connects, works an inlet valve 54 , whose shaft through the overflow piston 40 is passed under sealing movable.
Zur
Betätigung der Ventile 46, 50 und 54 dienen
ein Frischladungsnocken 56, ein Auslassnocken 58 und
ein Einlassnocken 60. Der Überströmkolben 40 wird
von einem Überströmnocken 62 betätigt.To operate the valves 46 . 50 and 54 serve a fresh charge cam 56 , an exhaust cam 58 and an intake cam 60 , The overflow piston 40 is from a Überströmnocken 62 actuated.
Die
Nocken sind in zweckentsprechender Weise an einer oder mehreren
Nockenwellen ausgebildet, die vorzugsweise von der Kurbelwelle 10 mit
gleicher Drehzahl wie die der Kurbelwelle angetrieben werden.The cams are suitably formed on one or more camshafts, preferably from the crankshaft 10 be driven at the same speed as that of the crankshaft.
Die
Funktion der hinsichtlich ihres grundsätzlichen Aufbaus
beschriebenen Brennkraftmaschine wird im Folgenden anhand der 2 bis 8 erläutert,
wobei der Übersichtlichkeit halber in diesen Figuren nur wenige
Bezugszeichen eingefügt sind.The function of the internal combustion engine described in terms of its basic structure will be described below with reference to 2 to 8th explained, for the sake of clarity, only a few reference numerals are inserted in these figures.
2 zeigt
die Brennkraftmaschine in einem Zustand, in dem der Verdichterkolben 16 seinen
oberen Totpunkt erreicht hat und das Volumen der Verdichterkammer
minimal (annähernd Null) ist. Der Überströmkolben 40 befindet
sich kurz vor seinem oberen Totpunkt (als oberer Totpunkt des Überströmkolbens 40 ist
die Stellung definiert, in der die Überströmkammer 42 minimales
Volumen (annähernd Null) hat). Der Arbeitskolben 18 hat
seinen oberen Totpunkt bereits verlassen. Er eilt dem Verdichterkolben 16 vorteilhafterweise
um einige Grad voraus, was durch entsprechenden Versatz der zugehörigen
Kurbeln der Kurbelwelle 10 erreicht wird. 2 shows the internal combustion engine in a state in which the compressor piston 16 has reached its top dead center and the volume of the compression chamber is minimal (nearly zero). The overflow piston 40 is just before its top dead center (as the top dead center of the overflow piston 40 is defined the position in which the overflow chamber 42 has minimal volume (close to zero)). The working piston 18 has already left its top dead center. He rushes the compressor piston 16 advantageously a few degrees ahead, resulting in a corresponding offset of the associated crankshaft crankshaft 10 is reached.
Das
Frischladungseinlassventil 46 ist geschlossen. Das Überströmventil 52 ist
geschlossen. Das Einlassventil 54 ist offen und das Auslassventil 50 ist
geschlossen.The fresh charge inlet valve 46 is closed. The overflow valve 52 is closed. The inlet valve 54 is open and the exhaust valve 50 is closed.
Der
Zustand der 2 entspricht etwa dem Zustand,
in dem ein Ansaugen von Frischladung bzw. ein Befüllen
der Verdichterkammer 34 mit Frischladung beginnt und in
der Überströmkammer 42 enthaltene verdichtete
Frischladung noch nicht vollständig in die Arbeitskammer 36 übergeströmt
ist.The condition of 2 corresponds approximately to the state in which a sucking fresh charge or filling the compressor chamber 34 starts with fresh charge and in the overflow chamber 42 included ver Dense fresh charge not yet completely in the working chamber 36 has flowed over.
In 3 ist
der Zustand dargestellt, in dem das Füllen der Verdichterkammer 34 mit
Frischladung weitgehend beendet ist, wobei der Verdichterkolben 16 sich
annähernd im Bereich seines unteren Totpunktes befindet,
der Überströmkolben 40 sich im oberen
Totpunkt befindet und der Arbeitskolben 18 sich am Ende
eines Arbeitshubs, der kurz nach dem Zustand der 2 begonnen
hat, befindet, in dem Frischladung verbrannt ist. Das Frischladungseinlassventil 46 ist
noch geöffnet, das Überströmventil 52 ist
gegen die Kraft der Feder 53 weitgehend in den Überströmkolben 40 hinein
bewegt, das Einlassventil 54 und das Auslassventil 50 sind
geschlossen.In 3 is shown the state in which the filling of the compression chamber 34 with fresh charge is largely completed, the compressor piston 16 is approximately in the region of its bottom dead center, the overflow piston 40 is at top dead center and the working piston 18 at the end of a work shift, which shortly after the state of 2 has begun, is burned in the fresh charge. The fresh charge inlet valve 46 is still open, the overflow valve 52 is against the power of the spring 53 largely in the overflow piston 40 moved in, the inlet valve 54 and the exhaust valve 50 are closed.
4 zeigt
den Zustand, in dem die Verdichtung der Frischladung und etwa gleichzeitig
damit der Ausstoß der verbrannten Ladung beginnt. Der Verdichterkolben 16 bewegt
sich nach Durchfahren seines unteren Totpunktes aufwärts,
um die Frischladung in der Verdichterkammer 34 zu verdichten.
Der Überströmkolben 40 befindet sich
weiter im Bereich seines oberen Totpunktes. Das Überströmventil 52 und
das Einlassventil 54 sind geschlossen. Der Arbeitskolben 18 beginnt
seine Aufwärtsbewegung. Das Auslassventil 50 ist
geöffnet. 4 shows the state in which the compression of the fresh charge and at about the same time the discharge of the burned charge begins. The compressor piston 16 moves up after passing through its bottom dead center to the fresh charge in the compression chamber 34 to condense. The overflow piston 40 is still in the area of its top dead center. The overflow valve 52 and the inlet valve 54 are closed. The working piston 18 begins his upward movement. The outlet valve 50 it is open.
5 zeigt
den Zustand, in dem das Überströmen der verdichteten,
in der Verdichterkammer 34 befindlichen Ladung in die Überströmkammer 42 beginnt:
Der
Verdichterkolben 16 nähert sich bei weiterhin
geschlossenem Frischladungseinlassventil 46 seinem oberen
Totpunkt. Der Überströmkolben 40 bewegt
sich von seinem oberen Totpunkt weg, wobei sich das Überströmventil 52 durch
die Kraft der Feder 53 aus dem Überströmkolben 40 herausbewegt
und durch den Druck in der Verdichterkammer 34 geöffnet
wird. Dadurch kann verdichtete Frischladung in die Überströmkammer 42 einströmen,
wobei das Einlassventil 54 geschlossen ist. Der Arbeitskolben 18 hat
seinen oberen Totpunkt annähernd erreicht, wobei das Auslassventil 50 am
Ende des Expansionshubs noch offen ist. 5 shows the state in which the overflow of the compressed, in the compression chamber 34 located charge in the overflow chamber 42 begins:
The compressor piston 16 approaching when the fresh charge intake valve is still closed 46 his top dead center. The overflow piston 40 moves away from its top dead center, with the spill valve 52 by the force of the spring 53 from the overflow piston 40 moved out and by the pressure in the compression chamber 34 is opened. As a result, compacted fresh charge in the overflow chamber 42 inflow, wherein the inlet valve 54 closed is. The working piston 18 has reached its top dead center approximately, with the exhaust valve 50 is still open at the end of the expansion stroke.
6 zeigt
die Brennkraftmaschine in einem Zustand etwas nach dem Zustand der 5,
in dem sich der Verdichterkolben 16 bei weiterhin geschlossenem
Frischladungseinlassventil 46 in seinen oberen Totpunkt bewegt
und der Arbeitskolben 18 seinen oberen Totpunkt bereits
erreicht hat. Das Überströmventil 52 ist
bei etwa in seinem unteren Totpunkt befindlichem Überströmkolben 40 weitgehend
geöffnet, wobei die Öffnung noch dadurch unterstützt
werden kann, dass das Überströmventil 52 nicht
um den vollen Hub des Überströmkolbens 40 aus
diesem heraus bewegbar ist, so dass es durch die Bewegung des Überströmkolbens
in dessen UT von seinem Sitz abgehoben wird. Die vom Verdichterkolben 16 verdichtete
Frischladung ist nahezu vollständig in die Überströmkammer 42 übergeströmt. 6 shows the internal combustion engine in a state slightly after the state of 5 in which is the compressor piston 16 with the fresh charge inlet valve still closed 46 moved to its top dead center and the working piston 18 has already reached its top dead center. The overflow valve 52 is at about in its bottom dead center Überströmkolben 40 largely open, wherein the opening can still be supported by the fact that the overflow valve 52 not the full stroke of the overflow piston 40 is movable out of this, so that it is lifted by the movement of the overflow piston in the UT of its seat. The from the compressor piston 16 compacted fresh charge is almost completely in the overflow chamber 42 overflowed.
7 zeigt
den Zustand der Brennkraftmaschine, bei dem der Verdichterkolben
sich noch im Bereich des oberen Totpunktes befindet und der Arbeitskolben 18 seinen
oberen Totpunkt bereits verlassen hat. 7 shows the state of the internal combustion engine, in which the compressor piston is still in the region of top dead center and the working piston 18 has already left its top dead center.
Das
Frischladungseinlassventil 46 ist geschlossen. Der Überströmkolben 40 bewegt
sich unter Verkleinerung des Volumens der Überströmkammer 42 in
Richtung auf seinen oberen Totpunkt, wobei das Überströmventil 52 durch
den fehlenden Druck in der Verdichterkammer 34 geschlossen
ist und das Einlassventil 54 geöffnet ist, so
dass die in der Überströmkammer 42 befindliche,
verdichtete Frischladung in die Arbeitskammer 36 überdruckt
wird, deren Volumen sich durch den sich bereits nach unten bewegenden
Arbeitskolben 18 vergrößert. Das Auslassventil 50 ist
geschlossen.The fresh charge inlet valve 46 is closed. The overflow piston 40 moves while reducing the volume of the overflow chamber 42 towards its top dead center, with the spill valve 52 by the lack of pressure in the compression chamber 34 is closed and the inlet valve 54 is open, so that in the overflow chamber 42 located, compacted fresh charge in the working chamber 36 is overprinted, whose volume is due to the already moving down working piston 18 increased. The outlet valve 50 is closed.
8 zeigt
den Zustand geringfügig nach dem Zustand der 7,
wobei sich der Überströmkolben 40 bei
geschlossenem Überströmventil 52 und
wieder geschlossenem Einlassventil 54 in seinem oberen
Totpunkt befindet, die gesamte verdichtete Ladung sich in der Arbeitskammer 36 befindet
und dort bei weiterhin geschlossenem Auslassventil 50 die
Verbrennung beginnt, indem der kurz vorher eingespritzte Dieselkraftstoff sich
selbst entzündet. Bei Ausbildung als Ottomotor mit Direkteinspritzung
setzt kurz vor dem Zustand der 8 die Einspritzung
ein und wird etwa im Zustand der 8 gezündet.
Bei Ausbildung als nicht direkt einspritzender Ottomotor kann die
Gemischbildung vor dem Frischladungseinlassventil 46 erfolgen,
oder beispielsweise im Bereich der Überströmkammer 42. 8th shows the condition slightly after the condition of 7 , wherein the overflow piston 40 with overflow valve closed 52 and again closed inlet valve 54 at its top dead center, the entire compressed charge is in the working chamber 36 is located there and with the exhaust valve still closed 50 Combustion starts when the recently injected diesel fuel ignites itself. In training as gasoline engine with direct injection sets short before the state of the 8th the injection and is about in the state of 8th ignited. When formed as a non-direct injection gasoline engine, the mixture formation before the fresh charge intake valve 46 take place, or for example in the region of the overflow chamber 42 ,
Der
Zustand der 8 ist der Zustand, den die Brennkraftmaschine
kurz nach dem Zustand der 2 einnimmt,
so dass der Zyklus geschlossen ist.The condition of 8th is the state that the internal combustion engine shortly after the state of 2 occupies, so that the cycle is closed.
Bezugnehmend
auf den Beginn des Überströmens der in der Überströmkammer 42 befindlichen
verdichteten Frischladung in die Arbeitskammer 36 (Übergang
vom Zustand gemäß 6 zum Zustand
gemäß 7) ist es vorteilhaft, wenn
die Steuerzeiten des Einlassventils 54 und des Auslassventils 50 derart
gewählt sind, dass eine Verbindung der Überströmkammer 42 mit
der Arbeitskammer 36 näherungsweise bei Druckgleichheit
in den beiden Räumen beginnt bzw. vorhanden ist. Dazu wird
das Auslassventil 50 vor dem OT des Arbeitskolbens 18 geschlossen,
wobei das Einlassventil 54 noch geschlossen ist, so dass
in der Arbeitskammer 36 eine gewisse Restgasmenge eingeschlossen
wird, die dann bei der weiteren Aufwärtsbewegung des Arbeitskolbens 18 in
Richtung auf dessen OT komprimiert wird, bis der Druck in der Arbeitskammer 36 dem Druck
in der Überströmkammer 42 entspricht.
Bei Erreichen der Druckgleichheit oder bei nahezu erreichter Druckgleichheit öffnet
das Einlassventil 54, so dass die Frischladung in energetisch
bzw. thermodynamisch vorteilhafter Weise von der sich verkleinernden Überströmkammer 42 in
die sich vergrößernde Arbeitskammer 36 übergeschoben
wird.Referring to the beginning of the overflow in the overflow chamber 42 located compacted fresh charge in the working chamber 36 (Transition from the state according to 6 according to the condition 7 ), it is advantageous if the timing of the intake valve 54 and the exhaust valve 50 are selected such that a connection of the overflow chamber 42 with the working chamber 36 approximately at pressure equality in the two rooms begins or is present. This is the outlet valve 50 before the TDC of the working piston 18 closed, with the inlet valve 54 is still closed, leaving in the working chamber 36 a certain amount of residual gas is included, which then in the further upward movement of the working piston 18 is compressed in the direction of its OT until the pressure in the working chamber 36 the pressure in the overflow chamber 42 equivalent. When the equal pressure is reached or pressure equality is almost reached, the inlet valve opens 54 , so that the fresh charge in energetically or thermodynamically advantageous manner of the decreasing overflow chamber 42 in the enlarging working chamber 36 is pushed over.
Wie
aus dem Vorstehenden ersichtlich, erfolgt in dem Verdichterzylinder 20 die
Befüllung mit frischer, insbesondere im Volllastbereich
vorzugsweise kalter Ladung und deren Verdichtung. Die verdichtete
Ladung wird unter Volumenzunahme der Überströmkammer 42 in
die Überströmkammer verdrängt, von wo
aus die verdichtete Ladung unter Volumenabnahme der Überströmkammer
und Volumenzunahme der Arbeitskammer in die Arbeitskammer übergeschoben wird,
in der sie zur Leistung mechanischer Arbeit verbrannt wird. Das Überschieben
der in der Verdichterkammer 34 verdichteten Luft in die Überströmkammer 42 und
von dort in die Arbeitskammer 36 geschieht energetisch
günstig bei kleinen Druckunterschieden zwischen den jeweiligen Kammern.As can be seen from the above, takes place in the compressor cylinder 20 the filling with fresh, especially in the full load range, preferably cold charge and their compression. The compressed charge is increasing in volume of the overflow chamber 42 displaced into the overflow chamber, from where the compressed charge is superimposed with volume decrease of the overflow chamber and volume increase of the working chamber in the working chamber, in which it is burned to the power of mechanical work. Slipping over in the compression chamber 34 compressed air in the overflow chamber 42 and from there to the working chamber 36 happens energetically favorable with small pressure differences between the respective chambers.
Aus
thermodynamischen Gründen ist für einen möglichst
guten Wirkungsgrad die Verdichterkammer 34 möglichst
kühl und ist die Arbeitskammer 36 heiß.
Der Verdichterzylinder 20 ist somit vorteilhafterweise
vom Arbeitszylinder 22 thermisch möglichst isoliert
und wird möglichst stark gekühlt, wohingegen der
Arbeitszylinder nur dem jeweiligen Zweck entsprechend soweit gekühlt
wird, dass die Materialien thermisch nicht überbeansprucht
werden. Dies wird durch entsprechenden Verlauf nicht dargestellter
Kühlkanäle bzw. die Aufteilung des Kühlsystems
in ein Kühlsystem zum Kühlen des Arbeitszylinders
und ein Kühlsystem zum Kühlen des Verdichterzylinders
erreicht, sowie dadurch, dass der Verdichterzylinder und/oder der
Arbeitszylinder mit thermisch entkoppelnden Auskleidungen versehen
werden.For thermodynamic reasons, the compressor chamber is for the best possible efficiency 34 as cool as possible and is the working chamber 36 hot. The compressor cylinder 20 is thus advantageously from the working cylinder 22 thermally isolated as possible and is as strong as possible cooled, whereas the working cylinder is cooled only to the respective purpose so far that the materials are not thermally overstressed. This is achieved by corresponding course of unillustrated cooling channels or the division of the cooling system in a cooling system for cooling the working cylinder and a cooling system for cooling the compressor cylinder, and in that the compressor cylinder and / or the working cylinder are provided with thermally decoupling linings.
Infolge
des erzwungenen Ladungswechsels durch das Überschieben
der verdichteten Frischladung in die Arbeitskammer ist nur eine
geringe Kühlung des Arbeitszylinders erforderlich. Durch
die Integration des Überströmventils 52 in
den Überströmkolben 40 wird Bauraum gespart
und dennoch ein Überströmventil mit großem
Durchströmquerschnitt ermöglicht.As a result of the forced charge exchange by pushing over the compacted fresh charge in the working chamber only a small cooling of the working cylinder is required. By integrating the overflow valve 52 in the overflow piston 40 Space is saved and yet allows a spill valve with a large flow area.
Der Überströmkolben 40 ist
zur thermischen Isolierung vorteilhafterweise an seiner zur Stirnwand 32 weisenden
Seite beispielsweise mittels einer gesonderten Isolationsschicht
thermisch isoliert. Auch der Expansionszylinder ist vorteilhafterweise
beispielsweise mittels eines eingesetzten Rohres thermisch isoliert.
Besonders vorteilhaft ist eine thermisch isolierende Ausbildung
der Oberseite des Arbeitskolbens 18 und des der Oberseite
des Arbeitskolbens zugewandten Bereiches der Unterseite des Zylinderkopfes 30 einschließlich
zumindest des entsprechenden Bereiches der Stirnwand 32.The overflow piston 40 is for thermal insulation advantageously at its end wall 32 pointing side thermally insulated, for example by means of a separate insulation layer. Also, the expansion cylinder is advantageously thermally insulated, for example by means of an inserted tube. Particularly advantageous is a thermally insulating formation of the top of the working piston 18 and the upper side of the working piston facing the region of the underside of the cylinder head 30 including at least the corresponding area of the end wall 32 ,
Bei
dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung
eilt der Arbeitskolben 18 dem Verdichterkolben 16 voraus,
d. h. der Arbeitskolben 18 erreicht seinen oberen Totpunkt
bevor der Verdichterkolben 16 seinen oberen Totpunkt erreicht.
Dies führt dazu, dass die unter hohem Druck von der Überströmkammer
in die Arbeitskammer ausgeschobene Frischladung vom Arbeitskolben
nicht weiter verdichtet wird. Zum Erreichen hoher Kompressionsendtemperaturen
und hoher Verdichtungen ist es vorteilhaft, wenn der Arbeitskolben
dem Verdichterkol ben etwas nacheilt, so dass die aus der Überströmkammer
in die Arbeitskammer ausgeschobene Frischladung vom Arbeitskolben
weiter verdichtet wird, wobei sie zusätzlich durch die
aufgenommene Wandwärme der Arbeitskammer komprimiert wird.
Dies vermindert zusätzlich den Kühlbedarf des Arbeitszylinders.
Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschine wird im Folgenden anhand der 9 und 10 erläutert. 9 zeigt
die Volumina der Arbeitskammer 36, Verdichterkammer 34 und Überströmkammer 42 jeweils
in Abhängigkeit von der Stellung der Kurbelwelle, wobei der
obere Totpunkt des Arbeitskolbens (minimales Volumen der Arbeitskammer 36)
mit 0° bezeichnet ist. 10 gibt
die Druckverläufe in der Arbeitskammer und der Verdichterkammer
und zusätzlich die Öffnungs- und Schließzeitpunkte
der jeweiligen Ventile in Abhängigkeit von der Stellung
der Kurbelwelle an.In the embodiment of the invention described above, the working piston rushes 18 the compressor piston 16 ahead, ie the working piston 18 reaches its top dead center before the compressor piston 16 reached its top dead center. As a result, the fresh charge discharged from the overflow chamber into the working chamber under high pressure is no longer compressed by the working piston. To achieve high Kompressionsendtemperaturen and high densities, it is advantageous if the working piston the compressor piston something lags, so that the pushed out of the overflow into the working chamber fresh charge from the working piston is further compressed, being additionally compressed by the recorded wall heat of the working chamber. This additionally reduces the cooling requirement of the working cylinder. A corresponding embodiment of the internal combustion engine according to the invention is described below with reference to the 9 and 10 explained. 9 shows the volumes of the working chamber 36 , Compressor chamber 34 and overflow chamber 42 in each case depending on the position of the crankshaft, wherein the top dead center of the working piston (minimum volume of the working chamber 36 ) is designated 0 °. 10 indicates the pressure curves in the working chamber and the compression chamber and in addition the opening and closing times of the respective valves in dependence on the position of the crankshaft.
Wie
ersichtlich, schließt bei etwa –150° Kurbelwinkel,
d. h. etwas nach UT des Verdichterkolbens, das Frischladungseinlassventil 44.
Der Druck in der Verdichterkammer nimmt dann mit abnehmenden Volumen
der Verdichterkammer 34 zu. Bei etwa –100° KW
beginnt der Überströmkolben sich aus seinem OT
heraus zu bewegen, so dass das Volumen der Überströmkammer 42 zunimmt.
Bei etwa –95° öffnet das Überströmventil 52, so
dass verdichtete Frischladung unter weiterer Verminderung des Volumens
der Verdichterkammer 34 und Zunahme des Volumens der Überströmkammer 42 in
die Überströmkammer 42 übergeschoben
wird. Bei etwa –75° schließt das Auslassventil 50,
wodurch das Ausstoßen verbrannter Ladung aus der Arbeitskammer 36 beendet
wird. Bei etwa –65°, d. h. bei etwa maximalem
Volumen der Überströmkammer 42 öffnet
das Einlassventil 54, so dass verdichtete Luft aus der Überströmkammer
in die Arbeitskammer ausgeschoben wird, wobei der Druck in der Überströmkammer
annähernd gleich dem der Arbeitskammer ist. Das Überschieben
und Ausstoßen der verdichteten Frischladung hält
an, bis die Verdichterkammer und die Überströmkammer
ihr geringstes Volumen haben, wobei die Drucke bis etwa –20° zunehmen,
bei welchem Wert der Verdichterkolben und der Überströmkolben
in den OT gelangen und das Überströmventil 52 und
das Einlassventil 54 schließen.As can be seen, closes at about -150 ° crank angle, ie slightly to UT the compressor piston, the Frischladungseinlassventil 44 , The pressure in the compression chamber then decreases with decreasing volume of the compression chamber 34 to. At about -100 ° CA, the overflow piston begins to move out of its TDC, leaving the volume of the overflow chamber 42 increases. At about -95 °, the overflow valve opens 52 , so that compressed fresh charge, while further reducing the volume of the compression chamber 34 and increase the volume of the overflow chamber 42 into the overflow chamber 42 is pushed over. At about -75 ° closes the exhaust valve 50 , whereby the discharge of burnt charge from the working chamber 36 is ended. At about -65 °, ie at about the maximum volume of the overflow chamber 42 opens the inlet valve 54 in that compressed air is expelled from the overflow chamber into the working chamber, wherein the pressure in the overflow chamber is approximately equal to that of the working chamber. The thrusting and discharging of the compressed fresh charge continues until the compression chamber and the overflow chamber have their smallest volume, wherein the pressures increase to about -20 °, at which value the compressor piston and the overflow piston get into the TDC and the overflow valve 52 and the inlet valve 54 shut down.
Bevorzugt
gelangt der Verdichterkolben 16 kurz vor dem Überströmkolben
in seinen OT, so dass das Volumen der Verdichterkammer kurz vor
dem Volumen der Überströmkammer annähernd
0 wird und das Überströmventil kurz vor dem Einlassventil
schließt.Preferably, the compressor piston passes 16 just before the overflow piston into its TDC, so that the volume of the compression chamber becomes almost 0 just before the volume of the overflow chamber and the overflow valve closes just before the inlet valve.
Nach
Schließen des Einlassventils 54 wird die in der
Arbeitskammer 36 befindliche verdichtete Ladung bis 0° KW
weiter verdichtet und zündet dann, woraus sich der in 10 dargestellte
Druckverlauf in der Arbeitskammer 36 ergibt. Bei etwa 10° KW
wird das Frischladungseinlass ventil 44 geöffnet,
so dass die Füllung der Verdichterkammer 34 wieder
beginnt. Bei etwa 140° KW öffnet das Auslassventil 50 für
den Auslass der verbrannten Ladung.After closing the inlet valve 54 will be in the working chamber 36 compressed charge further compressed to 0 ° CA and then ignites, resulting in the in 10 illustrated pressure curve in the working chamber 36 results. At about 10 ° KW, the fresh charge inlet valve 44 opened, leaving the filling of the compression chamber 34 starts again. At about 140 ° KW opens the exhaust valve 50 for the outlet of the burned cargo.
Mit
der geschilderten Prozessführung ist es möglich,
auch Ottokraftstoff ohne Hilfe einer Zündkerze unter Direkteinspritzung
in die Arbeitskammer, ähnlich wie Dieselkraftstoff unter
Selbstzündung zu verbrennen, so dass nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren sowohl Ottokraftstoffe als auch Dieselkraftstoffe verwendet werden
können.With
the described process management makes it possible
also gasoline without the help of a spark plug under direct injection
into the working chamber, much like diesel fuel under
To burn auto-ignition, so that after the invention
Process both gasoline and diesel fuels are used
can.
Wie
sich aus dem Vorstehenden weiter ergibt, ist die Verdichtung der
Frischladung durch das Verhältnis des maximalen Volumens
der Verdichterkammer zum Kompressionsvolumen, d. h. dem minimalen
Volumen der Arbeitskammer 36 gegeben. Die Expansion ist
durch das Volumen der Arbeitskammer 36 bei Öffnung des
Auslassventils 50 zum Kompressionsvolumen gegeben und somit
erheblich größer als die Verdichtung. Die erfindungsgemäße
Brennkraftmaschine arbeitet somit mit verlängerter Expansion,
was thermodynamisch vorteilhaft ist.As will be apparent from the foregoing, the compression of the fresh charge by the ratio of the maximum volume of the compressor chamber to the compression volume, ie the minimum volume of the working chamber 36 given. The expansion is due to the volume of the working chamber 36 when opening the exhaust valve 50 given to the compression volume and thus considerably larger than the compression. The internal combustion engine according to the invention thus operates with extended expansion, which is thermodynamically advantageous.
11 zeigt
schematisch beispielhaft einen erfindungsgemäßen
Nockentrieb. Der die Arbeitskammer 36 nach oben abschließende
Teil der Stirnwand des Zylinders ist mit 70 bezeichnet.
Der die Verdichterkammer 34 nach oben abschließende
Teil der Stirnwand des Zylinders ist mit 72 bezeichnet.
Die Ventile und Nocken sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in
den bisherigen Figuren bezeichnet. 11 shows a schematic example of a cam according to the invention. The working chamber 36 upwards closing part of the front wall of the cylinder is with 70 designated. The the compressor chamber 34 upwards closing part of the front wall of the cylinder is with 72 designated. The valves and cams are denoted by the same reference numerals as in the previous figures.
Der
Ventiltrieb weist zwei Nockenwellen 74 und 76 auf,
von denen eine ein Rad 78 trägt, das über
eine Kette oder einen Zahnriemen mit einem Rad einer Kurbelwelle
verbunden ist und mit gleicher Drehzahl wie die Kurbelwelle dreht.
Die Nockenwellen sind in nicht dargestellten Lagern maschinenfest
gelagert und weisen miteinander kämmende Zahnräder 80 und 82 auf,
so dass sie mit gleicher Drehzahl gegensinnig drehen. Es sind zwei
Frischladungseinlassventile 46 vorgesehen, von denen jedes
von einem Frischladungsnocken 56 betätigt wird,
der jeweils an einer der Nockenwellen 74 und 76 ausgebildet
ist.The valve train has two camshafts 74 and 76 on, one of which is a wheel 78 carries, which is connected via a chain or a toothed belt with a wheel of a crankshaft and rotates at the same speed as the crankshaft. The camshafts are mounted fixed to the machine in bearings, not shown, and have intermeshing gears 80 and 82 so that they rotate in opposite directions at the same speed. There are two fresh charge inlet valves 46 provided, each of which is a fresh-charge cam 56 is actuated, each at one of the camshafts 74 and 76 is trained.
In
der dargestellten Ausführungsform ist ein Auslassventil 50 vorgesehen,
das von einem nicht dargestellten an einer der Nockenwellen 74 oder 76 ausgebildeten
Auslassnocken betätigt wird. Es versteht sich, dass das
Auslassventil 50 über an beiden Nockenwellen ausgebildete
Nocken betätigt werden kann oder zwei Auslassventile vorgesehen
sein können.In the illustrated embodiment, an exhaust valve 50 provided by a not shown on one of the camshafts 74 or 76 trained exhaust cam is actuated. It is understood that the exhaust valve 50 can be operated on both camshafts formed cam or two exhaust valves can be provided.
Das
Einlassventil 54 wird von einem an der Nockenwelle 74 ausgebildeten
Einlassnocken 60 betätigt, wobei ein Schaft des
Einlassventils, wie aus 1 ersichtlich, unter Abdichtung
durch den Überströmkolben 40 hindurch
geführt ist. Der Überströmkolben 40,
der die Verdichterkammer 34 und die Arbeitskammer 36 überlappt,
ist in Aufsicht vorteilhafterweise oval geformt und ist im dargestellten
Beispiel einteilig mit vier Schäften ausgebildet, an deren
freien Enden Rollen 84 gelagert sind, die an jeweils einem Überströmnocken 62 anliegen,
der an jeder der Nockenwellen 74 und 76 ausgebildet
ist. Die Rollen 84 werden von Federn 86, die sich zwischen
dem Maschinengehäuse und den nicht mit Bezugszeichen versehenen
Schäften des Überströmkolbens 40 abstützen,
in Anlage an die Überströmnocken 62 gedrängt,
d. h. die Federn 86 drängen den Überströmkolben 40 gemäß 1 nach
oben in die Stellung, in der die Überströmkammer 42 maximales
Volumen hat. Die Nocken 62 sind derart konturiert, dass
der Überströmkolben 40 bei Anlage am
Nockengrundkreis gegen die Kraft der Federn nach unten in eine Stellung
gedrängt ist, in der das Volumen der Überströmkammer 42 minimal
bzw. annähernd 0 ist. Die Kontur der Nocken ist einfallend,
so dass der Überströmkolben einen Hub entsprechend
der doppelpunktierten Linie der 9 ausführt,
wobei der in der Überströmkammer herrschende Druck
die Kraft der Federn 86 unterstützt. Mit der beschriebenen
Konstruktion wird erreicht, dass im Nockentrieb keine höheren
Flächenpressungen auftreten als in konventionellen Nockentrieben.The inlet valve 54 gets from one to the camshaft 74 trained intake cam 60 operated, wherein a stem of the intake valve, as shown 1 visible, with sealing by the overflow piston 40 passed through. The overflow piston 40 that the compression chamber 34 and the working chamber 36 overlaps, is advantageously oval shaped in plan view and is integrally formed in the illustrated example with four shanks, at the free ends rollers 84 are stored, each at a Überströmnocken 62 abut against each of the camshafts 74 and 76 is trained. The roles 84 be of feathers 86 extending between the machine housing and the unmarked shafts of the transfer piston 40 bear in abutment with the overflow cams 62 crowded, ie the springs 86 push the overflow piston 40 according to 1 upwards into the position in which the overflow chamber 42 has maximum volume. The cams 62 are contoured so that the overflow piston 40 is pressed down against the force of the springs down in a position in the cam base circle in a position in which the volume of the overflow chamber 42 is minimal or approximately 0. The contour of the cams is incident, so that the overflow piston has a stroke corresponding to the double-dotted line of the 9 performs, wherein the ruling in the overflow chamber Pressure the force of the springs 86 supported. With the construction described, it is achieved that in the cam drive no higher surface pressures occur than in conventional cam drives.
12 zeigt
einen Querschnitt durch den Überströmkolben 40 mit
darin aufgenommenem Einlassventil 54 und Überströmventil 52.
Der Überströmkolben 40 ist mittels einer
oder mehrerer Dichtungen 90 unter Abdichtung im Zylinderkopf 30 (1)
auf- und abwärts beweglich. Der Schaft des Einlassventils 54 ist
unter Abdichtung in einer Hülse 92 geführt,
die wiederum unter Abdichtung in dem Überströmkolben 40 geführt
ist. 12 shows a cross section through the overflow piston 40 with intake valve received therein 54 and overflow valve 52 , The overflow piston 40 is by means of one or more seals 90 under seal in the cylinder head 30 ( 1 ) movable up and down. The stem of the intake valve 54 is under sealing in a sleeve 92 guided, in turn, under sealing in the overflow piston 40 is guided.
Der
Schaft des Überströmventils 52 ist unter
Abdichtung verschiebbar innerhalb des Überströmkolbens 40 geführt
und wird von einer Feder 94, die sich an ihrem oberen Ende
an einem Bund des Überströmkolbens 40 und
an ihrem unteren Ende an einem starr mit dem Überströmventil 52 verbundenen
Bund abstützt, gemäß 12 nach
unten gedrängt. Am oberen Ende des Schaftes ist eine Hülse 96 befestigt,
die einen Bund aufweist, der relativ zum Überströmkolben 40 um
ein Maß h beweglich ist, das deutlich kleiner als der maximale
Hub des Überströmkolbens 40 ist.The shaft of the overflow valve 52 is displaceable under sealing within the overflow piston 40 guided and is by a spring 94 , which at its upper end on a collar of Überströmkolbens 40 and at its lower end to a rigid with the overflow valve 52 affiliated federation, according to 12 pushed down. At the upper end of the shaft is a sleeve 96 attached, which has a collar which is relative to the overflow piston 40 by a measure h is movable, which is significantly smaller than the maximum stroke of the overflow piston 40 is.
In
der dargestellten Stellung nimmt der Überströmkolben 40 die
Position ein, in der das Volumen der Überströmkammer 42 minimal
ist und der Ventilteller des Überströmventils 52 an
einem Ventilsitz 58 anliegt, der in der Stirnwand 32 (1)
ausgebildet ist.In the position shown, the overflow piston takes 40 the position in which the volume of the overflow chamber 42 is minimal and the valve plate of the overflow valve 52 on a valve seat 58 rests in the front wall 32 ( 1 ) is trained.
Wie
bereits erläutert, ist die Funktion derart, dass das Überströmventil 52 bei
Bewegen des Überströmkolbens 40 aus dessen
OT heraus zunächst während eines Hubs h des Überströmkolbens 40 geschlossen bleiben
kann und dann zwangsweise vom Ventilsitz 98 abhebt. Je
nach Dimensionierung der Feder 94 kann deren Kraft schon
vor Bewegen des Überströmkolbens 40 um
den Hub h vom Druck in der Verdichterkammer 34 überwunden
werden, so dass das Überströmventil 52 bereits
unmittelbar nach Beginn der Bewegung des Überströmkolbens 40 aus
seinem OT öffnet.As already explained, the function is such that the overflow valve 52 when moving the overflow piston 40 out of its TDC initially during a stroke h of the overflow piston 40 can remain closed and then forcibly from the valve seat 98 takes off. Depending on the dimensions of the spring 94 can their strength even before moving the overflow piston 40 at the stroke h from the pressure in the compression chamber 34 be overcome, so that the overflow valve 52 already immediately after the start of the movement of the overflow piston 40 from his OT opens.
Die
beispielhaft beschriebene erfindungsgemäße Brennkraftmaschine
kann in vielfältiger Weise abgeändert werden:
Das Überströmventil 52 kann
als einfaches Rückschlagventil ausgebildet sein, das lediglich
vom Druck in der Verdichterkammer 34 gegen die Kraft einer
sich am Maschinengehäuse abstützenden Feder geöffnet
wird, wobei die Federkraft zweckentsprechend eingestellt ist.The exemplary internal combustion engine according to the invention can be modified in many ways:
The overflow valve 52 can be designed as a simple check valve, the only of the pressure in the compression chamber 34 is opened against the force of a supported on the machine housing spring, wherein the spring force is set appropriately.
Das Überströmventil 52 kann
als getrenntes Bauteil entfallen, wenn sichergestellt ist, dass
der Überströmkolben 40 selbst im OT gegen
die Verdichterkammer 34 ausreichend abdichtet.The overflow valve 52 can be omitted as a separate component, if it is ensured that the overflow piston 40 even in the OT against the compression chamber 34 sufficiently tight.
Zur
Anpassung der Öffnungs- und Schließzeitpunkte
der jeweiligen Ventile an die Betriebsbedingungen können
Phasensteller vorgesehen sein. Weiter ist es möglich, die
Ventile nicht unmittelbar durch Drehung der nicht dargestellten
Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zu betätigen, sondern
eigene Ventilaktoren vorzusehen, die zweckentsprechend gesteuert
werden. Die effektive Verdichtung und die Zündbedingungen
können durch den Schließzeitpunkt des Auslassventils
beeinflusst werden; dieser Schließzeitpunkt kann durch
eine entsprechende Verstelleinrichtung gegebenenfalls an unterschiedliche
Betriebsbedingungen angepasst werden.to
Adjustment of the opening and closing times
the respective valves to the operating conditions
Phase adjuster may be provided. Next it is possible the
Valves not directly by rotation of the not shown
Crankshaft of the internal combustion engine to operate, but
provide their own valve actuators, which controls appropriately
become. The effective compression and ignition conditions
can by the closing time of the exhaust valve
to be influenced; This closing time can be through
a corresponding adjustment optionally to different
Operating conditions are adjusted.
Die
geometrischen Dimensionierungen der Kolben und Kolbenhübe
werden entsprechend den jeweiligen Anforderungen im Hinblick auf
thermodynamische Gesichtspunkte derart bemessen, dass bei geringer Verdichtungs-
und Überströmarbeit eine möglichst hohe
Füllung der Arbeitskammer 36 erzielt wird und
dass, wenn die Brennkraftmaschine ohne Fremdzündung betrieben
wird, im Bereich des OT des Arbeitskolbens 18 Temperaturen
erzielt werden, bei denen direkt eingespritzter Kraftstoff oder
direkt eingeleitetes Gas zuverlässig selbst zündet.
Bei fremd ge zündetem Betrieb mit Ottokraftstoff kann die
Verdichtungsendtemperatur entsprechend niedriger liegen.The geometric dimensions of the piston and piston strokes are dimensioned according to the respective requirements with regard to thermodynamic aspects such that at low compression and Überströmarbeit the highest possible filling of the working chamber 36 is achieved and that when the internal combustion engine is operated without spark ignition, in the range of TDC of the working piston 18 Temperatures are achieved at which directly injected fuel or directly initiated gas reliably ignites itself. In externally ignited operation with petrol, the compression end temperature may be correspondingly lower.
Die
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann als Saugmotor
oder aufgeladen betrieben werden.The
Internal combustion engine according to the invention can be used as a naturally aspirated engine
or charged.
Es
kann vorteilhaft sein, die Ladungszusammensetzung im Arbeitszylinder
durch Verwendung eines zusätzlichen Spülventils
(ähnlich wie bei einem Kopf gesteuerten Zweitaktmotor mit
Ventilen) zu beeinflussen, d. h. das Ausschieben des Restgases zu
unterstützen, wodurch sich bei „Auslass schließt” mehr
Frischluft im Arbeitszylinder befindet und das Temperaturniveau
abgesenkt wird.It
may be advantageous, the charge composition in the working cylinder
by using an additional purge valve
(similar to a head-controlled two-stroke engine with
Valves), d. H. pushing out the residual gas too
support, resulting in "outlet closes" more
Fresh air is in the working cylinder and the temperature level
is lowered.
Bei
einer abgeänderten Ausführungsform kann der Überströmkolben
lediglich gegen Federkraft geöffnet werden, so dass er
von Federn in seinen OT gedrängt wird und vom Druck in
der Verdichterkammer in Richtung zum OT bewegt wird, der durch einen
Anschlag gegeben ist.In a modified embodiment of the overflow piston can be opened only against spring force, so that it is urged by springs in its TDC and the pressure in the compression chamber in Direction to the OT, which is given by a stop.
Ein
ausgeführter Motor, auf den sich die Diagramme der 9 und 10,
sowie die Darstellungen der 11 und 12 beziehen,
hat folgende Abmessungen: Verdichterkolben Überströmkolben Arbeitskolben
Bohrung
(mm) 86 65* 115
Hub
(mm) 86 7 120
OT-Volumen
(cm3) ~0 ~0 38
A running engine on which the diagrams of the 9 and 10 , as well as the representations of the 11 and 12 have the following dimensions: pistons compressor Überströmkolben working piston
Bore (mm) 86 65 * 115
Stroke (mm) 86 7 120
OT volume (cm 3 ) ~ 0 ~ 0 38
*Der Überströmkolben
hat eine elliptische Form, um die Anforderung bezüglich
Volumenverlauf und Strömungsquerschnittsverlauf optimal
zu erfüllen.* The overflow piston
has an elliptical shape regarding the requirement
Volume flow and flow cross section course optimal
to fulfill.
Die Überexpansion
dieses Motors liegt bei etwa 2,5, was für Volllastwirkungsgrade
optimal ist.The overexpansion
This engine is about 2.5, which is full load efficiency
optimal.
Für
die Optimierung der Wirkungsgrade im Teillastbereich ist eine geringere Überexpansion
von beispielsweise 1,8 vorteilhaft, d. h., der Arbeitskolben wird
dann kleiner.For
the optimization of the efficiencies in the partial load range is a lower overexpansion
of 1.8, for example, d. h., the working piston is
then smaller.
Mit
dem erfindungsgemäßen Motor wurden bei Direkteinspritzung
sowohl mit Dieselkraftstoff als auch mit Ottokraftstoff effektive
Mitteldrucke von über 20bar erzielt und effektive Wirkungsgrade
von über 55%.With
the engine according to the invention were in direct injection
with both diesel fuel and petrol effective
Medium pressures of over 20bar achieved and effective efficiencies
of over 55%.
Vorteilhafterweise
sollte das Verhältnis der Volumina der Arbeitskammer zu
der Verdichtungskammer jeweils im UT des zugehörigen Kolbens
zwischen 16 und 25 liegen. Das Verhältnis der Volumina
der Verdichterkammer und der Überströmkammer,
jeweils im UT des zugehörigen Kolbens, sollte zwischen
15 und 20 liegen. Das geometrische Verdichtungsverhältnis
der Arbeitskammer liegt vorteilhafterweise zwischen 25 und 40. Das
Einlassventil, das vorteilhafterweise schließt, wenn der Überströmkolben
seinen OT erreicht hat, schließt vorteilhafterweise in
einem Bereich zwischen 20 und 5° KW vor OT des Arbeitskolbens.
Die vorgenannten Werte sind nur beispielhaft und nicht einschränkend.advantageously,
should be the ratio of the volumes of the working chamber too
the compression chamber in the UT of the associated piston
between 16 and 25 are. The ratio of volumes
the compression chamber and the overflow chamber,
each in the UT of the associated piston, should be between
15 and 20 are. The geometric compression ratio
the working chamber is advantageously between 25 and 40. The
Inlet valve, which advantageously closes when the overflow piston
has attained its OT, advantageously closes in
a range between 20 and 5 ° CA before TDC of the working piston.
The above values are only illustrative and not restrictive.
Zur
Unterstützung der Kaltstartfähigkeit bei nicht
fremdgezündetem Betrieb kann zusätzlich eine Glühkerze
installiert werden.to
Support of cold start capability at not
In addition, a glow plug can be operated with spark ignition
be installed.
Die
durch die Erfindung erzielte erhebliche Wirkungsgradverbesserung
ist im Wesentlichen auf vier Faktoren zurückzuführen:
Ein
wesentlicher Teil der Kompression erfolgt außerhalb des
Brennraums bzw. der Arbeitskammer, wodurch die Kompression bei niederer
Temperatur erfolgt und die Kompressionsarbeit vermindert wird. Ein
Teil der Abgasenergie wird jeweils genutzt, indem die weitgehend
oder nur wenig erwärmte verdichtete Frischladung dem heißen
Brennraum bzw. der heißen Arbeitskammer zugeführt
wird und dort thermische Energie aufnimmt. Zur noch besseren Nutzung
der Abgaswärme kann das aus dem Auslasskanal 48 strömende
Abgas zur Aufheizung der Überströmkammer 42 verwendet
werden, indem es beispielsweise an der Rückseite des Überströmkolbens 40 entlang
oder durch ihn hindurch geführt wird und/oder die Umfangswand
des Überströmzylinders 33 aufheizt. In
diesem Fall ist der Überströmkolben nicht zur Überströmkammer
hin thermisch isoliert. Es kann auch mit zwei Überströmzylindern
gearbeitet werden, deren Überströmkammern abwechselnd
von Abgas und verdichteter Frischladung durchströmt wird.
Es versteht sich, dass die Aufheizung der Überströmkammer
derart ausgeführt wird, dass die Temperatur der Verdichterkammer
dadurch möglichst nicht ansteigt. Bei Aufheizung der in
die Überströmkammer übergeschobenen verdichteten
Frischladung wird diese thermisch weiter verdichtet und der Öffnungszeitpunkt
des Einlassventils entsprechend angepasst.The considerable improvement in efficiency achieved by the invention is essentially due to four factors:
A significant part of the compression takes place outside the combustion chamber or the working chamber, whereby the compression takes place at low temperature and the compression work is reduced. A portion of the exhaust energy is used in each case by the largely or only slightly heated compressed fresh charge is supplied to the hot combustion chamber or the hot working chamber and absorbs thermal energy there. For even better use of the exhaust heat that can from the exhaust duct 48 flowing exhaust gas to heat the overflow chamber 42 can be used by, for example, at the back of Überströmkolbens 40 is guided along or through it and / or the peripheral wall of the transfer cylinder 33 heating up. In this case, the overflow piston is not thermally insulated from the overflow chamber. It can also be used with two Überströmzylindern whose flow chambers is alternately flowed through by exhaust gas and compressed fresh charge. It is understood that the heating of the overflow chamber is carried out such that the temperature of the compressor chamber thereby does not rise as possible. Upon heating of the superimposed in the overflow compacted fresh charge this is thermally further compressed and the opening time of the inlet valve adjusted accordingly.
Die
Wandwärmeverluste sind vermindert, da die gegenüber
dem Verdichter thermisch isolierte Arbeitskammer nur wenig gekühlt
werden muss oder auf eine externe Kühlung der Arbeitskammer
ganz verzichtet werden kann.The
Wall heat losses are reduced because the opposite
the compressor thermally insulated working chamber cooled only slightly
must be or on an external cooling of the working chamber
can be dispensed with completely.
Die
Prozessführung erfolgt mit verlängerter Expansion.The
Process management takes place with extended expansion.
Weitere
Vorteile des erfindungsgemäßen Motors sind sein
runder Lauf und seine Vielstofffähigkeit. Der Betrieb kann
mit flüssigen Kraftstoffen, gasförmigen Kraftstoffen
und auch staubförmigen Festbrennstoffen erfolgen.Further
Advantages of the motor according to the invention are
round barrel and its multi-fuel capability. The operation can
with liquid fuels, gaseous fuels
and also dust-like solid fuels.
13 zeigt
eine schematische Aufsicht auf eine dreizylindrige erfindungsgemäße
Brennkraftmaschine, wobei die einzelnen beschriebenen Zylindereinheiten
aus Verdichterzylinder 20, Überströmzylinder 33 und Arbeitszylinder 22 in
einer Reihe hintereinander angeordnet sind. Die Verdichterkolben 16 und
Arbeitskolben 18 können über Pleuel 100, 102 (14)
mit einer gemeinsamen Kurbelwelle (104) verbunden sein,
deren Drehachse in 13 doppelpunktiert angedeutet
ist. Das Pleuel 100 des Verdichterkolbens 16 und
das Pleuel 102 und der Arbeitskolben 18 jeder
der Einheiten können mit einer gemeinsamen Kurbel zusammen
wirken, die einen Kurbelzapfen mit zwei in Längsrichtung
der Kurbelwelle 104 hintereinander angeordneten und zueinander
versetzten Kurbelzapfenabschnitten aufweist, mit denen der erwünschte
Phasenversatz zwischen der Bewegung des Arbeitskolbens 18 und
des Verdichterkolbens 16 erzielt wird. Der Arbeitskolben 18 und
der Verdichterkolben 16 können auch mit jeweils
eigenen Kröpfungen bzw. Kurbeln zusammen wirken, um den
erwünschten Phasenversatz zwischen Arbeitskolben und Verdichterkolben
zu erreichen, der auch Null sein kann. 13 shows a schematic plan view of a three-cylinder Brennkraftmaschi invention ne, wherein the individual described cylinder units from compressor cylinder 20 , Overflow cylinder 33 and working cylinder 22 arranged in a row one behind the other. The compressor pistons 16 and working pistons 18 can over connecting rods 100 . 102 ( 14 ) with a common crankshaft ( 104 ) whose axis of rotation is in 13 indicated by double-dotted lines. The connecting rod 100 of the compressor piston 16 and the connecting rod 102 and the working piston 18 each of the units may cooperate with a common crank having a crank pin with two longitudinally of the crankshaft 104 Having successively arranged and staggered crank pin portions, with which the desired phase offset between the movement of the working piston 18 and the compressor piston 16 is achieved. The working piston 18 and the compressor piston 16 can also work together with their own cranks or cranks to achieve the desired phase offset between the working piston and the compressor piston, which can also be zero.
Für
alle Ventile und den Überströmkolben ist ein Nockentrieb,
beispielsweise entsprechend 11, vorgesehen,
der sich längs der gesamten Brennkraftmaschine erstreckt.For all valves and the overflow piston is a cam drive, for example, accordingly 11 , provided, which extends along the entire internal combustion engine.
Die
erfindungsgemäßen Zylindereinheiten mit Verdichterkolben, Überströmkolben
und Arbeitskolben können in jedwelcher Anzahl und Anordnung
vorhanden sein, wie sie auch bei herkömmlichen Motoren
bekannt sind.The
Cylinder units according to the invention with compressor piston, overflow piston
and working pistons can in any number and arrangement
be present, as with conventional engines
are known.
Die
Erfindung kann in vielfältiger Weise abgeändert
werden, solange die wesentlichen Merkmale der Erfindung vorhanden
sind, nämlich Verdichtung von Frischladung in einem Verdichterzy linder, Überschieben der
verdichteten Frischladung in eine Volumen veränderliche Überströmkammer,
deren Volumen beim Überströmen zumindest zeitweilig
zunimmt, Ausschieben der verdichteten Frischladung aus der Überströmkammer in
eine Arbeitskammer, wobei das Volumen der Überströmkammer
zumindest während eines Teils des Ausschiebens abnimmt
und Verbrennen der in die Arbeitskammer ausgeschobenen, verdichteten
Frischladung unter Arbeitsabgabe. Die Arbeitskammer ist vorteilhafterweise
von der Verdichterkammer und möglichst auch von der Überströmkammer
thermisch isoliert. Der aus der Verdichterkammer in die Überströmkammer übergeschobenen
und aus der Überströmkammer in die Arbeitskammer
ausgeschobenen Ladung wir vorteilhafterweise bei einem vorhergehenden
Arbeitstakt frei werdende thermische Energie zugeführt.The
Invention can be modified in many ways
as long as the essential features of the invention exist
are, namely compression of fresh charge in a compressor cylinder, sliding the
compacted fresh charge into a volume variable overflow chamber,
their volume during overflow at least temporarily
increases, pushing out the compressed fresh charge from the overflow chamber in
a working chamber, wherein the volume of the overflow chamber
decreases during at least part of the pushing out
and burning the pushed into the working chamber, compacted
Fresh load under labor levy. The working chamber is advantageously
from the compression chamber and possibly also from the overflow chamber
thermally insulated. The pushed from the compression chamber in the overflow chamber
and from the overflow chamber into the working chamber
ejected charge we advantageously at a previous charge
Power stroke released thermal energy supplied.
-
1010
-
Kurbelwellecrankshaft
-
1212
-
Pleuelpleuel
-
1414
-
Pleuelpleuel
-
1616
-
Verdichterkolbenpistons compressor
-
1818
-
Arbeitskolbenworking piston
-
2020
-
Verdichterzylindercompression cylinder
-
2222
-
Arbeitszylinderworking cylinder
-
2424
-
Zylinderrohrcylinder tube
-
2828
-
Zylindergehäusecylinder housing
-
3030
-
Zylinderkopfcylinder head
-
3232
-
Stirnwandbulkhead
-
3333
-
ÜberströmzylinderÜberströmzylinder
-
3434
-
Verdichterkammercompression chamber
-
3636
-
Arbeitskammerworking chamber
-
3838
-
Einspritzdüseinjection
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4040
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ÜberströmkolbenÜberströmkolben
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4242
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Überströmkammeroverflow chamber
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FrischladungseinlasskanalFresh charge intake port
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FrischladungseinlassventilFresh charge intake valve
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Auslasskanalexhaust port
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5050
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Auslassventiloutlet valve
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Überströmventiloverflow
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Federfeather
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Einlassventilintake valve
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FrischladungsnockenFresh charge cam
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Auslassnockenexhaust
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Einlassnockenintake cams
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ÜberströmnockenÜberströmnocken
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Stirnwandbulkhead
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Stirnwandbulkhead
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Nockenwellecamshaft
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Nockenwellecamshaft
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Radwheel
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Zahnrädergears
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Zahnradgear
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Rollerscooter
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Hülseshell
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Federfeather
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Ventilsitzvalve seat
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Pleuelpleuel
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Pleuelpleuel
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Kurbelwellecrankshaft
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- US 2005/0268609
A1 [0003] US 2005/0268609 A1 [0003]