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 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.
Eine
weitere Eigenart moderner Hubkolbenbrennkraftmaschinen liegt in
deren Einspritztechnik, bei der Otto- oder Dieselkraftstoff direkt
in den Brennraum eingespritzt wird. Bei Otto-Motoren erfordert diese
Technik zwar keine hohen Einspritzdrucke, jedoch ist eine sehr präzise
Steuerung von Einspritzzeitpunkt und -menge, eine im Hinblick auf
optimale und möglichst schadstofffreie Verbrennung ausgelegte
Brennraumgeometrie sowie eine aufwändige Abgasnachbehandlung
erforderlich. Bei dieselmotorischem Betrieb sind aus Gründen der
Russvermeindung sehr hohe Einspritzdrucke (über 2000 bar)
und eine aufwändige Abgasnachbehandlung einschließlich
Dieselpartikelfilter erforderlich.A
Another peculiarity of modern reciprocating internal combustion engines lies in
their injection technology, with the gasoline or diesel fuel directly
is injected into the combustion chamber. For petrol engines this requires
Although technology does not have high injection pressures, it is very precise
Control of injection timing and quantity, one with regard to
designed optimal and pollutant-free combustion
Combustion chamber geometry and a complex exhaust aftertreatment
required. In diesel engine operation are for the sake of
Soot consumption very high injection pressures (over 2000 bar)
and a complex exhaust aftertreatment including
Diesel particulate filter required.
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben
einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine zu schaffen,
das bzw. die gegenüber herkömmlichen Brennkraftmaschinen
mit verbessertem Wirkungsgrad und hinsichtlich der Einspritztechnik
und/oder der Abgasnachbehandlung vermindertem Aufwand arbeitet.Of the
Invention is based on the object, a method for operating
an internal combustion engine and an internal combustion engine to provide
the or over conventional internal combustion engines
with improved efficiency and injection technology
and / or the exhaust aftertreatment reduced effort works.
Der
Anspruch 1 kennzeichnet ein erstes Verfahren zur Lösung
der Erfindungsaufgabe.Of the
Claim 1 indicates a first method for the solution
the invention task.
Dadurch,
dass Frischluft außerhalb des heißen Arbeitszylinders
in einem Verdichterzylinder verdichtet wird, kann die Kompressionsarbeit
bei gleichzeitig guter Füllung herabgesetzt werden, wodurch
der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine gesteigert wird. Wenn der
außerhalb des Arbeitszylinders verdichteten Frischluft bereits
vor deren Einströmen in den Arbeitszylinder Kraftstoff,
insbesondere flüssiger Kraftstoff, zugemischt wird, ist
das im Arbeitszylinder entstehende Gemisch ausgezeichnet homogenisiert
und aufbereitet, wobei die Kompressionsendtemperatur, die im Arbeitszylinder
herrscht, wenn ein im Arbeitszylinder arbeitender Kolben seinen
oberen Totpunkt (OT) erreicht, durch Abstimmung der Verdichtung
der Frischluft bzw. Frischladung, der Menge der in den Arbeitszylinder
einströmenden Frischladung und des Restgases im Arbeitszylinder
derart eingestellt werden kann, dass sich das brennfähige
Gemisch ohne fremde Zündhilfe selbst entzündet.Thereby,
that fresh air outside the hot working cylinder
is compressed in a compressor cylinder, the compression work
be reduced at the same time good filling, which
the efficiency of the internal combustion engine is increased. If the
Outside the working cylinder compressed fresh air already
prior to their flow into the working cylinder fuel,
in particular, liquid fuel is admixed is
the resulting mixture in the working cylinder homogenized excellent
and processed, the compression end temperature being in the working cylinder
prevails when working in the working cylinder piston his
top dead center (TDC) reached, by tuning the compression
the fresh air or fresh charge, the amount of in the working cylinder
incoming fresh charge and the residual gas in the working cylinder
can be adjusted so that the combustible
Self-ignited mixture without foreign ignition aid.
Die
Unteransprüche 2 bis 5 sind auf vorteilhafte Durchführungsformen
des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet.
Gemäß dem Anspruch 3 kann bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren Dieselkraftstoff verwendet werden, der nicht unter Hochdruck
direkt in den Brennraum eingespritzt wird, sondern ähnlich
einer herkömmlichen Saugrohreinspritzung mit externer Gemischbildung
unter geringem Druck in das Saugrohr eingespritzt wird. Auf diese
Weise ist der für das Einspritzsystem erforderliche Systemdruck
deutlich herabgesetzt, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führt.The
Subclaims 2 to 5 are advantageous embodiments
directed the first method according to the invention.
According to claim 3, in the inventive
Procedure diesel fuel used that is not high pressure
injected directly into the combustion chamber, but similar
a conventional intake manifold injection with external mixture formation
is injected under slight pressure in the intake manifold. To this
Way is the system pressure required for the injection system
significantly reduced, resulting in significant cost savings.
Der
Anspruch 6 kennzeichnet ein zweites Verfahren zur Lösung
der Erfindungsaufgabe.Of the
Claim 6 identifies a second method of solution
the invention task.
Bei
dem zweiten Verfahren wird der Brennstoff bzw. Kraftstoff in den
Arbeitszylinder während einer Phase zugeführt,
während der in dem Arbeitszylinder enthaltenes Restgas
komprimiert wird, so dass das im Arbeitszylinder komprimierte Brennstoff-Restgasgemisch
nicht zündfähig ist. Während der Kompression
des nicht zündfähigen Brennstoff-Restgasgemisches
wird der Brennstoff, beispielsweise eingespritzter Dieselkraftstoff,
ausgezeichnet homogenisiert, so dass er beim anschließenden
Einleiten von komprimierter Frischluft in die Arbeitskammer homogen
und schadstoffarm vollständig verbrennt.at
the second method, the fuel or in the fuel
Working cylinder fed during a phase,
during the residual gas contained in the working cylinder
is compressed, so that in the working cylinder compressed fuel-residual gas mixture
is not flammable. During compression
of the non-combustible fuel-residual gas mixture
is the fuel, for example, injected diesel fuel,
perfectly homogenized, so that in the subsequent
Introducing compressed fresh air into the working chamber homogeneously
and completely free of pollutants.
Mit
beiden erfindungsgemäßen Verfahren wird wegen
der ausgezeichneten Aufbereitung des Kraft- bzw. Brennstoffes eine
gute Abgasqualität erhalten. Beim Einsatz von Dieselkraftstoffen
wird jegliche Entstehung von Ruß oder sonstigen Partikeln
weitgehend vermieden. Insgesamt wird die Umweltverträglichkeit
nicht nur auf Grund des verbesserten Wirkungsgrades, sondern auch
auf Grund der verbesserten Abgasqualität deutlich verbessert.With
two methods of the invention is because
the excellent preparation of the fuel or a fuel
good exhaust quality received. When using diesel fuels
will any formation of soot or other particles
largely avoided. Overall, the environmental impact
not only because of the improved efficiency, but also
significantly improved due to the improved exhaust quality.
Die
weiteren Unteransprüche 7 bis 17 sind auf vorteilhafte
Durchführungsformen der erfindungsgemäßen
Verfahren gerichtet.The
further dependent claims 7 to 17 are advantageous
Implementation forms of the invention
Directed.
Der
Anspruch 18 kennzeichnet eine erfindungsgemäße
Brennkraftmaschine zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.Of the
Claim 18 indicates an inventive
Internal combustion engine for carrying out the inventive
Process.
Die
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine wird mit den
Merkmalen der Ansprüche 19 bis 37 in vorteilhafter Weise
weitergebildet.The
inventive internal combustion engine is with the
Characteristics of claims 19 to 37 in an advantageous manner
further training.
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 mit einem Verdichterzylinder, Überströmzylinder
und Arbeitszylinder; 1 a schematic cross-sectional view of parts of an internal combustion engine according to the invention with a compressor cylinder, transfer cylinder and working cylinder;
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; 13 a schematic plan view of a multi-cylinder internal combustion engine according to the invention;
14 eine
schematische perspektivische Ansicht der Kolben einer Zylindereinheit
der Brennkraftmaschine gem. 13 mit
Kurbelwelle; und 14 a schematic perspective view of the piston of a cylinder unit of the internal combustion engine gem. 13 with crankshaft; and
15 eine
Schemazeichnung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
mit Saugrohreinspritzung. 15 a schematic drawing of an internal combustion engine according to the invention with intake manifold injection.
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 ein Einspritzventil 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 which an injection valve 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 Überströmöffnung
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 overflow 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 in
dieser beispielhaften Ausführungsform 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 in this exemplary embodiment by a few degrees ahead, resulting in a corresponding displacement 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 Überström kammer 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 contained compacted fresh charge not yet fully into 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 – d. h. bei seinem minimalen Volumen – 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 - ie at its minimum volume - 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 obe 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 Überström kolben 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 strömt in die Überströmkammer 42 über. 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 piston at about befindliches in its bottom dead center overflow 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 flows into the overflow chamber 42 above.
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 überdrückt
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 suppressed, 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 bei nur geringen Druckunterschieden
von kleiner als 15 bar, bevorzugt kleiner als 10 bar oder noch vorteilhafter
kleiner 5 bar zwischen den Kammern beginnt bzw. vorhanden ist. Diese
Werte sind nur beispielhaft und nicht einschränkend. Besonders vorteilhaft
erfolgt die Verbindung der Überströmkammer 42 mit
der Arbeitskammer 36 zumindest bei näherungsweise
Druckgleichgewicht in beiden Kammern. Das Auslassventil 50 wird
vor dem OT des Arbeitskolbens 18 geschlossen, so dass in
der Arbeitskammer 36 eine gewisse Restgasmenge verbleibt.
Das Einlassventil 54 ist vorteilhafterweise bei Schließen
des Auslassventils 50 noch geschlossen und öffnet
beim Erreichen der oben genannten kleinen Druckunterschiede zwischen
Arbeitskammer 36 und Überströmkammer 42 oder
bei nahezu erreichter Druckgleichheit, so dass die Frischladung
in energetisch bzw. thermodynamisch vorteilhafter Weise von der
sich verkleinernden Überströmkammer 42 in
die 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 with only slight pressure differences of less than 15 bar, preferably less than 10 bar or even more advantageously less than 5 bar between the chambers begins or is present. These values are exemplary only and not limiting. Particularly advantageous is the connection of the overflow chamber 42 with the working chamber 36 at least at approximately pressure equilibrium in both chambers. The outlet valve 50 is before the TDC of the working piston 18 closed, leaving in the working chamber 36 a certain amount of residual gas remains. The inlet valve 54 is advantageously when closing the exhaust valve 50 still closed and opens when reaching the above small pressure differences between working chamber 36 and overflow chamber 42 or at almost equal pressure equality, so that the fresh charge in energetically or thermodynamically advantageous manner of the decreasing overflow chamber 42 in the 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
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 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.As a result
of the forced change of charge by pushing over
the compacted fresh charge into the working chamber is only one
low cooling of the working cylinder required.
Durch
die Integration des Überströmventils 52 in
den Überströmkolben 40 wird Bauraum gespart
und dennoch ein Überströmventil mit großem
Durchströmquerschnitt ermöglicht.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 Verdichterkolben 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 beispielhafte 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 compression end temperatures and high densities, it is advantageous if the working piston lags the compressor piston slightly, so that the fresh charge discharged from the overflow chamber into the working chamber is further compressed by the working piston, wherein it is additionally compressed by the absorbed 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 compressor chamber and in addition exemplary 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 Volu mens 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
bevorzugt annähernd gleich dem der Arbeitskammer ist oder
Druckunterschiede von kleiner 15 bar, vorteilhafter kleiner 10 bar
oder noch besser kleiner 5 bar herrschen. Das Überschieben
und Ausschieben 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 °, the exhaust valve closes 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 , So that compressed air is ejected from the overflow into the working chamber, wherein the pressure in the overflow chamber is preferably approximately equal to the working chamber or pressure differences of less than 15 bar, more preferably less than 10 bar or even better less than 5 bar prevail. The pushing over and pushing out 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.
Die
sich in der Arbeitskammer befindende verdichtete Ladung zündet,
woraus sich der in 10 dargestellte Druckverlauf
in der Arbeitskammer 36 ergibt. Bei etwa 10°KW
wird das Frischladungseinlassventil 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.The compressed charge located in the working chamber ignites, from which the in 10 illustrated pressure curve in the working chamber 36 results. At about 10 ° CA, 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 aufgrund der kontinuierlich
hohen Wandtemperaturen in der Arbeitskammer 36 sowie aufgrund
der Einspritzung in heißes Restgas 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 control, it is due to the continuously high wall temperatures in the working chamber 36 as well as due to the injection into hot residual gas possible, also gasoline without Help a spark plug under direct injection into the working chamber, similar to burn diesel fuel under auto-ignition, so that both gasoline and diesel fuels can be used by the inventive method.
Wie
sich aus dem Vorstehenden ergibt, kann das Überströmen
der im Verdichterzylinder 22 verdichteten Frischladung
in die Überströmkammer 42 und von dort
das Überschieben in die Arbeitskammer in unterschiedlichster
Weise gesteuert werden. Unter Strömungsgesichtspunkten
ist energetisch günstig, wenn die in der Verdichterkammer 34 verdichtete
Frischladung bereits während ihrer Verdichtung in die sich
zunächst vergrößernde Überströmkammer überströmt
und von dort bei zumindest annähernder Druckgleichheit
zwischen Überströmkammer und Arbeitskammer in
die Arbeitskammer ausgeschoben wird, wobei die annähernde Druckgleichheit
zwischen Überströmkammer und Arbeitskammer während
des Ausschiebens aufrechterhalten werden kann. Dabei können
sich das Überschieben und Ausschieben überlappen.
Dadurch, dass das Volumen der Verdichterkammer bei Beendigung des Überschiebens
etwa Null ist und das Volumen der Überströmkammer
bei Beendigung des Ausschiebens etwa Null ist, ist gewährleistet,
dass die gesamte, außerhalb der Arbeitskammer verdichtetet
Frischladung in die Arbeitskammer gelangt. Für die Verbrennungsbedingungen
in der Arbeitskammer kann es günstig sein, dass das Überschieben
erst nach Beendigung des Überströmens erfolgt,
wobei sich der Druck in der Überströmkammer durch
Erwärmung der dort kurzzeitig gespeicherten Frischladung
mittels Abgasenergie erhöht und das Ausschieben dann innerhalb
eines verhältnismäßig kurzen Zeitraums
erfolgt.As can be seen from the above, the overflow in the compressor cylinder 22 compacted fresh charge in the overflow chamber 42 and from there the sliding into the working chamber are controlled in different ways. From a flow point of view is energetically favorable when in the compression chamber 34 compressed fresh charge already flows during their compression in the initially increasing overflow chamber and is ejected from there at least approximately equal pressure equality between overflow and working chamber into the working chamber, wherein the approximate pressure equality between the overflow and working chamber can be maintained during Ausschiebens. The overlapping and ejection may overlap. Characterized in that the volume of the compression chamber at the end of the sliding over is approximately zero and the volume of the overflow chamber at the end of the expulsion is about zero, it is ensured that the entire fresh compressed outside the working chamber fresh charge enters the working chamber. For the combustion conditions in the working chamber, it may be favorable that the sliding over takes place only after completion of the overflow, whereby the pressure in the overflow chamber is increased by heating the fresh charge temporarily stored there by means of exhaust gas energy, and the expulsion then takes place within a relatively short period of time.
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 Verhältnis des Volumens 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 ratio of 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 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 drangen 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 Null 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 oval in plan view and is formed in one piece with four shafts in the illustrated example, 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 penetrated 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 close to zero. 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 pressure prevailing in the overflow 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.The overflow valve 52 can be omitted as a separate component.
Der Überströmkolben 40 kann
sich unmittelbar nach dem Überschieben der Frischladung
in die Arbeitskammer 36 und Schließen des Einlassventils 54 unter
Volumenzunahme der Überströmkammer 42 in Richtung
seines unteren Totpunktes bewegen, so dass der Verdichterkolben 16 unmittelbar
nach dem Einsetzen der Aufwärtsbewegung Frischladung in
die Überströmkammer 42 fördert.The overflow piston 40 may occur immediately after pushing the fresh charge into the working chamber 36 and closing the inlet valve 54 under increase in volume of the overflow chamber 42 move towards its bottom dead center, leaving the compressor piston 16 Immediately after the onset of upward movement fresh charge into the overflow chamber 42 promotes.
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 Arbeits kammer 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 gezündetem 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 in terms of 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, the overflow piston can only geöff against spring force so that it is urged by springs into its OT and is moved by the pressure in the compressor chamber towards the TDC, 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
- * Der Überströmkolben
hat hier eine elliptische Form, um die Anforderung bezüglich
Volumenverlauf und Strömungsquerschnittsverlauf optimal
zu erfüllen.
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
- * The overflow piston has an elliptical shape in order to optimally fulfill the requirements regarding volume flow and flow cross section.
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 20 bar 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 20 bar achieved and effective efficiencies
of over 55%.
Vorteilhafterweise
sollte das Verhältnis der Volumina der Arbeitskammer zu
der Überströmkammer jeweils im UT des zugehörigen
Kolbens zwischen 25 und 60 liegen. Das Verhältnis der Volumina
der Verdichterkammer zu der Überströmkammer, jeweils
im UT des zugehörigen Kolbens, sollte zwischen 15 und 25
liegen. Das geometrische Verdichtungsverhältnis der Arbeitskammer
liegt vorteilhafterweise zwischen 25 und 40. Das Einlassventil,
das 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 overflow chamber respectively in the UT of the associated
Pistons between 25 and 60 are. The ratio of volumes
the compression chamber to the overflow chamber, respectively
in the UT of the associated piston, should be between 15 and 25
lie. The geometric compression ratio of the working chamber
is advantageously between 25 and 40. The inlet valve,
that 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 wenigstens einen der folgenden Faktoren
zurückzuführen:
Ein 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 significant improvement in efficiency achieved by the invention is essentially due to at least one of the following factors:
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 internal combustion engine according to the invention, wherein the individual described cylinder units of 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
Brennkraftmaschine wurde vorstehend mit Direkteinspritzung in den
Arbeitszylinder 22 (Einspritzventil 38) geschildert,
wobei auch mit weitgehend jedem flüssigen oder gasförmigen
Brennstoff ohne Fremdzündung gearbeitet werden kann.The internal combustion engine was above with direct injection into the working cylinder 22 (Injector 38 ), although it is also possible to work with substantially any liquid or gaseous fuel without spark ignition.
Im
Vorstehenden wurde der Zeitpunkt der Direkteinspritzung nicht im
Detail erläutert, da der Zeitverlauf der Direkteinspritzung,
wie an sich bekannt, gewählt werden kann, wobei die Einspritzung
auf vor dem OT des Arbeitskolbens liegende Voreinspritzungen und
im Bereich oder nach dem OT liegende Haupteinspritzungen aufgeteilt
werden kann. Erfindungsgemäß kann der Kraftstoff
in die Arbeitskammer eingespritzt (flüssige Kraftstoffe)
oder eingeleitet (gasförmige Kraftstoffe) werden zwischen
den Zeitpunkten B und C (10), d.
h. der Kraftstoff kann der Arbeitskammer zugeführt werden,
während sich in der Arbeitskammer nur Restgas befindet.
Dieses Restgas wird zusammen mit dem zugeführten Kraftstoff
verdichtet, wobei wegen der hohen Temperaturen eine ausgezeichnete
Homogenisierung zwischen Kraftstoff und Restgas erfolgt, so dass
der Kraftstoff, auch wenn es sich um Dieselkraftstoff handelt, zu
dem Zeitpunk C, zu dem das Einlassventil öffnet, vollständig
gasförmig vorliegt und mit der verdichteten Frischluft
unter Selbstzündung vollständig verbrennt. Die
in der Arbeitskammer vorhandene Restgasmenge wird durch den Schließzeitpunkt
B des Auslassventils bestimmt. Der Öffnungszeitpunkt C
des Einlassventils und der Schließzeitpunkt D des Einlassventils
werden zusammen mit den Volumina der Verdichterkammer, der Überströmkammer
und der Arbeitskammer sowie dem Volumen der Arbeitskammer im OT
des Arbeitskolbens derart auf die Zündbedingungen abgestimmt, dass
die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Restgasgemisches im Wesentlichen
nach dem OT des Arbeitskolbens erfolgt. Die Zeitdauer zwischen dem
Zeitpunkt B (Auslassventil schließt) und dem Zeitpunkt
C (Einlassventil öffnet) wird derart gewählt,
dass vor dem Einleiten von verdichteter Frischluft die angesprochene
Homogenisierung des Kraftstoff-Restgasgemisches in ausreichender
Weise erfolgt. Gegenüber der Direkteinspritzung des Kraftstoffes
nahe dem OT des Arbeitskolbens hat die erfindungsgemäße
Einspritzung bzw. Einleitung des Kraftstoffes in das Restgas nicht
nur den Vorteil der ausgezeichneten Kraftstoffhomogenisierung, sondern auch
den Vorteil, dass das Einspritzen bei niedrigerem Druckniveau erfolgt,
wodurch der Aufwand für die Einspritzausrüstung
vermindert ist. Während konventionell Kraftstoff in die
Frischluft enthaltende Arbeitskammer eingespritzt wird, wird erfindungsgemäß verdichtete
Frischluft der Arbeitskammer zugeführt, in der ein nicht brennfähiges
Kraftstoff-Restgasgemisch vorhanden ist.In the foregoing, the timing of the direct injection has not been explained in detail because the timing of the direct injection can be selected as known per se, whereby the injection can be divided into pre-injector TDC and main or post-TDC main injections , According to the invention, the fuel can be injected into the working chamber (liquid fuels) or introduced (gaseous fuels) between the times B and C (FIG. 10 ), ie the fuel can be supplied to the working chamber, while there is only residual gas in the working chamber. This residual gas is compressed together with the supplied fuel, wherein due to the high temperatures, an excellent homogenization between fuel and residual gas, so that the fuel, even if it is diesel fuel, at the time point C to which the inlet valve opens, completely gaseous is present and completely burned with the compressed fresh air under auto-ignition. The amount of residual gas present in the working chamber is determined by the closing time B of the outlet valve. The opening timing C of the intake valve and the closing timing D of the intake valve are adjusted together with the volumes of the compression chamber, the transfer chamber and the working chamber and the volume of the working chamber in the TDC of the working piston to the ignition conditions such that the combustion of the air-fuel-residual gas mixture substantially after the TDC of the working piston. The time period between the time B (exhaust valve closes) and the time C (inlet valve opens) is selected such that before the introduction of compressed fresh air, the mentioned homogenization of the fuel-residual gas mixture takes place sufficiently. Compared to the direct injection of the fuel near the TDC of the working piston, the injection or introduction of the fuel into the residual gas according to the invention not only has the advantage of excellent fuel homogenization, but also the advantage that the injection takes place at a lower pressure level, thereby reducing the cost of the injection equipment is. While conventionally fuel is injected into the fresh air containing working chamber, according to the invention compressed fresh air is fed to the working chamber, in which a non-combustible fuel residual gas mixture is present.
Anhand
der 15 wird im Folgenden erläutert, dass
die Brennkraftmaschine auch mit externer Gemischbildung betrieben
werden kann.Based on 15 will be explained below that the internal combustion engine can also be operated with external mixture formation.
15 zeigt
eine Prinzipansicht einer Einheit aus Verdichterzylinder 20, Überströmzylinder 33 und
Arbeitszylinder 22. In dem in den Verdichterzylinder 20 führenden
Frischladungseinlasska nal 44 ist ein Einspritzventil 106 angeordnet,
die, wie bei herkömmlichen Saugrohreinspritzungen bekannt,
flüssigen Kraftstoff oder Brenngas in den Frischladungseinlasskanal 44 einspritzt,
der Frischluft durch ein Luftfilter hindurch ansaugt oder an den
Verdichter einer Aufladeeinrichtung angeschlossen ist. Bevorzugt
erfolgt, insbesondere wenn eine oder mehrere Einspritzventile 106 bei
mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen in jedem in einen Verdichterzylinder 20 führenden
Frischladungseinlasskanal 44 angeordnet sind, die Einspritzung
nicht kontinuierlich, sondern nur während des Zeitraums,
währenddessen die Verdichterkammer 34 durch das
offene Frischladungseinlassventil 46 (in 15 nicht
dargestellt) mit Frischluft befüllt wird. 15 shows a schematic view of a unit of compressor cylinder 20 , Overflow cylinder 33 and working cylinder 22 , In the in the compressor cylinder 20 leading fresh cargo intake channel 44 is an injector 106 arranged, as in conventional intake manifold injections, liquid fuel or fuel gas in the fresh charge intake passage 44 injects the fresh air is sucked through an air filter or connected to the compressor of a charging device. Preferably, in particular if one or more injectors 106 in multi-cylinder internal combustion engines in each in a compressor cylinder 20 leading fresh charge inlet channel 44 are arranged, the injection is not continuous, but only during the period during which the compression chamber 34 through the open fresh charge inlet Valve 46 (in 15 not shown) is filled with fresh air.
Durch
das Einspritzventil 106 kann jedwelcher flüssige
oder gasförmige Kraftstoff zugeführt werden. Auch
schwerflüchtige Dieselkraftstoffe können eingespritzt
werden, wobei das entstehende Gemisch während der Verdichtung
in der Verdichterkammer 34 und dem anschließenden Überschieben
in die Arbeitskammer 36 durch die Überströmkammer 42 hindurch
zumindest weitgehend vollständig verdampft und ausgezeichnet
aufbereitet und homogenisiert wird. Auf diese Weise läuft
die Verbrennung des Diesel-Luftgemisches praktisch rußfrei
ab. Lediglich der Teil des Gemischvolumens, welcher bereits in die
Arbeitskammer übergeschoben ist, erreicht durch die in
der Arbeitskammer vorherrschenden hohen Wandtemperaturen und durch
die Durchmischung mit in der Arbeitskammer vorhandenem heißen
Restgas Zündbedingungen. Dadurch entzündet sich weder
das Dieselkraftstoff-Luftgemisch noch bei Betrieb mit Ottokraftstoff,
das Ottokraftstoff-Luftgemisch oder, bei Gasbetrieb, das Gas-Luftgemisch
spontan insgesamt, sondern es erfolgt durch den zeitlichen Ablauf
des Gemischüberschiebens eine verhältnismäßig
weiche Verbrennung entsprechend der 10, deren
Druckverlauf sowohl bei externer Einspritzung als auch bei Einspritzung
direkt in die Arbeitskammer ohne Druckspitzen erfolgt, wie sie bei
klopfendem Betrieb herkömmlicher Otto-Motoren oder bei
herkömmlichen Dieselmotoren auftreten. In Folge dieser
weichen Verbrennung können belastete Bauteile schwacher
dimensioniert werden und erhöht sich die Lebensdauer des
Motors. Ein weiterer Vorteil, der mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren, insbesondere bei Saugrohreinspritzung von Dieselkraftstoff
erzielt wird, ist, dass ein Rußfilter entfallen kann und
dass konventionelle Abgasnachbehandlungen mit preiswerten Katalysatoren
die Erfüllung schärfster Abgasgesetze ermöglichen.Through the injection valve 106 Any liquid or gaseous fuel can be supplied. Even low volatility diesel fuels can be injected, with the resulting mixture during compression in the compression chamber 34 and then pushing over into the working chamber 36 through the overflow chamber 42 is at least largely completely evaporated and prepared excellent and homogenized. In this way, the combustion of the diesel-air mixture is virtually free of soot. Only the part of the mixture volume, which is already pushed into the working chamber, achieved by the prevailing in the working chamber high wall temperatures and by the mixing with existing in the working chamber hot residual ignition conditions. As a result, ignited neither the diesel fuel-air mixture nor when operating with gasoline, the gasoline-air mixture or, in gas operation, the gas-air mixture spontaneously total, but it is carried out by the timing of the mixture over a relatively soft combustion according to 10 , the pressure curve takes place both in external injection and injection directly into the working chamber without pressure peaks, as they occur in knocking operation of conventional gasoline engines or conventional diesel engines. As a result of this soft combustion, loaded components can be dimensioned weaker and increases the life of the engine. A further advantage which is achieved with the method according to the invention, in particular with intake manifold injection of diesel fuel, is that a soot filter can be dispensed with and that conventional exhaust gas aftertreatments with inexpensive catalysts make it possible to fulfill the strictest emission laws.
Die
Drehmoment- und Leistungscharakteristika, die mit der geschilderten
Brennkraftmaschine erzielt werden, sind weitgehend unabhängig
davon, ob mit Einspritzung direkt in die Arbeitskammer oder mit
externer Einspritzung gearbeitet wird, wobei bei externer Einspritzung
ein Sys temdruck (Kraftstoffdruck stromoberhalb des Einspritzventils)
zwischen 3 und 8 bar durchaus ausreicht.The
Torque and power characteristics, with the described
Internal combustion engine are achieved, are largely independent
whether with injection directly into the working chamber or with
external injection is performed, with external injection
a system pressure (fuel pressure upstream of the injection valve)
between 3 and 8 bar is quite sufficient.
Das
Einspritzventil 106 bzw. die Einspritzventile müssen
nicht zwangsläufig stromoberhalb der Verdichterkammer 34 angeordnet
sein. Die Einspritzung kann auch direkt in die Verdichterkammer 34 oder
in die Überströmkammer 42 erfolgen.The injection valve 106 or the injection valves do not necessarily upstream upstream of the compression chamber 34 be arranged. The injection can also be directly into the compression chamber 34 or in the overflow chamber 42 respectively.
Sowohl
bei Direkteinspritzung als auch bei Saugrohreinspritzung kann die
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit stöchiometrischem
Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ = 1) oder mit rein
lastabhängiger Kraftstoffmengeneinspritzung betrieben werden.
Im ersteren Fall muss die Luftmenge lastabhängig gesteuert
und gemessen werden, damit die eingespritzte Kraftstoffmenge auf
den Luftdurchsatz abgestimmt werden kann. Je nach Betriebspunkt
der Brennkraftmaschine kann von einer Betriebsweise auf die andere übergegangen
werden. Die jeweilige Betriebsweise bestimmt in an sich bekannter
Weise die für die Abgasnachbehandlung zur verwendenden
Katalysatoren und weitere, für die Abgasnachbehandlung
wichtige Parameter, beispielsweise das Ausmaß der Abgasrückführung.Either
with direct injection as well as with intake manifold injection, the
Internal combustion engine according to the invention with stoichiometric
Air-fuel ratio (λ = 1) or with pure
load-dependent fuel quantity injection are operated.
In the former case, the amount of air must be load-dependent
and measured, so that the injected fuel quantity
the air flow can be adjusted. Depending on the operating point
The internal combustion engine can be transferred from one mode of operation to the other
become. The respective mode of operation determines in per se known
Way to be used for the exhaust aftertreatment
Catalysts and others, for exhaust aftertreatment
important parameters, such as the degree of exhaust gas recirculation.
Die
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist vielstofffähig,
d. h. sie kann, wie ausgeführt, mit weitgehend allen Arten
von flüssigen und gasförmigen Kraftstoffen betrieben
werden. Der jeweils verwendete bzw. getankte Kraftstoff kann in
an sich bekannter Weise bestimmt werden und die einzelnen Steuerzeiten
können durch Einsatz entsprechender Ventilbetätigungssysteme
auf den jeweiligen Kraftstoff abgestimmt werden. Insbesondere durch
Veränderung des Öffnungszeitpunkts des Auslassventils
und Veränderung der Phasenlage der Bewegung des Überströmkolbens
relativ zur Kurbelwellendrehung kann die zum Zeitpunkt des OT des
Arbeitskolbens erreichte Temperatur in der Arbeitskammer beeinflusst
werden.The
internal combustion engine according to the invention is versatile,
d. H. it can, as stated, with largely all kinds
operated by liquid and gaseous fuels
become. The used or refueled fuel can in
be determined in a known manner and the individual control times
can by using appropriate valve actuation systems
be matched to the respective fuel. In particular by
Change in the opening time of the exhaust valve
and changing the phase position of the movement of the overflow piston
relative to the crankshaft rotation at the time of the OT of
Working piston reached temperature in the working chamber influenced
become.
Zur
Verbesserung des Kaltstartverhaltens kann es zweckmäßig
sein, bei Saugrohreinspritzung gegenüber dem Einspritzventil
ein zeitweilig beheiztes Heizelement anzuordnen, mit dem die Gemischbildung
im Kaltzustand unterstützt wird. Weiter kann es zweckmäßig
sein, in der Arbeitskammer ein zeitweilig beheiztes Element, beispielsweise
eine Glühkerze, anzuordnen.to
Improvement of the cold start behavior may be appropriate
be, with intake manifold injection relative to the injection valve
to arrange a temporarily heated heating element, with the mixture formation
is supported in the cold state. Next it may be appropriate
be, in the working chamber a temporarily heated element, for example
a glow plug, to arrange.
Insbesondere
bei Betrieb mit Direkteinspritzung ist es möglich, die
Brennkraftmaschine mit unterschiedlichen Kraftstoffen bei gleichen
Steuerzeiten der Ventile zu betreiben und die Kraft stoffart nur
durch Veränderung des Zeitablaufes der Einspritzung zu
verändern, was bei elektronisch ansteuerbaren Einspritzventilen
in einfacher Weise möglich ist.Especially
When operating with direct injection it is possible to use the
Internal combustion engine with different fuels at the same
To operate timing of the valves and the fuel type only
by changing the timing of injection too
change, what with electronically controllable injectors
is possible in a simple manner.
Die
Erfindung kann in vielfältiger Weise abgeändert
werden, solange die wesentlichen Merkmale der Erfindung vorhanden
sind, nämlich Verdichtung von Frischladung in einem Verdichterzylinder, Überschieben der
verdichteten Frischladung in eine Volumen veränderliche Überströmkammer,
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 wird vorteilhafterweise bei einem vorhergehenden Arbeitstakt
frei werdende thermische Energie zugeführt.The invention can be varied in many ways, as long as the essential features of the invention are present, namely compression of fresh charge in a compressor cylinder, pushing over the compacted fresh charge in a variable volume overflow chamber, pushing out the compression ten fresh charge from the overflow into a working chamber, wherein the volume of the overflow chamber decreases at least during a portion of the pushing out and burning the pushed out into the working chamber, compacted fresh charge under work delivery. The working chamber is advantageously thermally insulated from the compression chamber and possibly also from the overflow chamber. The charge pushed out of the compression chamber into the overflow chamber and pushed out of the overflow chamber into the working chamber is advantageously supplied with thermal energy released during a preceding work cycle.
Die
geschilderten Verfahren der direkten Einspritzung bzw. Einleitung
von Kraftstoff in den Arbeitszylinder derart, dass der Kraftstoff
in Frischluft enthaltendes, verdichtetes Gas eingeleitet wird, oder
der Kraftstoff in keine Luft bzw. keinen Sauerstoff enthaltendes
Restgas eingeleitet wird, oder der Kraftstoff strömungsoberhalb
des Arbeitszylinders in urverdichtete oder verdichtete Frischluft
eingeleitet wird, können miteinander kombiniert werden,
so dass Kraftstoffanteile entsprechend den verschiedenen Verfahren
eingeleitet werden. Die Anteile können beispielsweise last-
oder temperaturabhängig verändert werden.The
described method of direct injection or initiation
of fuel in the working cylinder such that the fuel
introduced into fresh air containing, compressed gas, or
the fuel in no air or no oxygen-containing
Residual gas is introduced, or the fuel flow above
the working cylinder in urverdichtet or compressed fresh air
initiated, can be combined with each other,
so that fuel shares according to the different procedures
be initiated. For example, the shares can be
or temperature-dependent.
-
1010
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Kurbelwellecrankshaft
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1212
-
Pleuelpleuel
-
1414
-
Pleuelpleuel
-
1616
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Verdichterkolbenpistons compressor
-
1818
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Arbeitskolbenworking piston
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2020
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Verdichterzylindercompression cylinder
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2222
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Arbeitszylinderworking cylinder
-
2424
-
Zylinderrohrcylinder tube
-
2828
-
Zylindergehäusecylinder housing
-
3030
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Zylinderkopfcylinder head
-
3232
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Stirnwandbulkhead
-
3333
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ÜberströmzylinderÜberströmzylinder
-
3434
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Verdichterkammercompression chamber
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3636
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Arbeitskammerworking chamber
-
3838
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EinspritzventilInjector
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4040
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ÜberströmkolbenÜberströmkolben
-
4242
-
Überströmkammeroverflow chamber
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4444
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FrischladungseinlasskanalFresh charge intake port
-
4646
-
FrischladungseinlassventilFresh charge intake valve
-
4848
-
Auslasskanalexhaust port
-
5050
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Auslassventiloutlet valve
-
5252
-
Überströmventiloverflow
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5353
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Federfeather
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5454
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Einlassventilintake valve
-
5656
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FrischladungsnockenFresh charge cam
-
5858
-
Auslassnockenexhaust
-
6060
-
Einlassnockenintake cams
-
6262
-
ÜberströmnockenÜberströmnocken
-
7070
-
Stirnwandbulkhead
-
7272
-
Stirnwandbulkhead
-
7474
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Nockenwellecamshaft
-
7676
-
Nockenwellecamshaft
-
7878
-
Radwheel
-
8080
-
Zahnradgear
-
8282
-
Zahnradgear
-
8484
-
Rollerole
-
8686
-
Federfeather
-
9090
-
Dichtungpoetry
-
9292
-
Hülseshell
-
9494
-
Federfeather
-
9898
-
Ventilsitzvalve seat
-
100100
-
Pleuelpleuel
-
102102
-
Pleuelpleuel
-
104104
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Kurbelwellecrankshaft
-
106106
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EinspritzventilInjector
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