DE102008051383A1 - Internal-combustion engine i.e. four-stroke engine, has internal combustion chamber for adjusting stroke volume, such that crankshaft is not shifted during throttling, where stroke length remains constant in power range and throttle range - Google Patents

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Abstract

The engine has an internal combustion chamber for adjusting stroke volume, such that a crankshaft is not shifted during throttling, where the stroke length remains constant in entire power range and throttle range. Ignition frequency of the throttle range is not affected by a disconnection or connection of a secondary part. Fuel flow rate required for a work cycle of the engine is determined by the disconnection or connection of the secondary part. The throttle range is applied to cylinders in the chamber depending on power requirements.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem oder mehreren Zylindern. Verbrennungsmotoren dienen der Leistungserzielung, welche über die Kurbelwelle dem Verbraucher zur Verfügung gestellt wird. Aufgrund der stetigen Steigerung des erforderlichen Lastbereiches von Verbrennungsmotoren ergibt sich ein zum Teil sehr hoher Leistungsüberschuss bei Teillastbetrieb. Dieser Leistungsüberschuss im Teillastbereich hat einen wesentlichen Brennstoffmehrverbrauch zur Folge.The The present invention relates to an internal combustion engine having a or more cylinders. Internal combustion engines serve to achieve performance, which are available to the consumer via the crankshaft is provided. Due to the steady increase in the required Load range of internal combustion engines results in some very high Power surplus at partial load operation. This excess of performance in the partial load range has a substantial fuel consumption result.

Verbrennungsmotoren, insbesondere Viertaktmotoren, sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Sowohl das U.S. Pat. No. 4864979 , US Pat. 6286482 , DE102004049688A1 , U.S. Pat. No. 7233854 , U.S. Pat. No. 7080625 als auch US Pat. 6279550 beschreiben den grundsätzlichen Aufbau, die Wirkungsweise dieser Motoren als auch mögliche Designoptionen.Internal combustion engines, in particular four-stroke engines, are basically known from the prior art. Both that US Pat. 4864979 . US Pat. No. 6286482 . DE102004049688A1 . US Pat. 7233854 . US Pat. 7080625 as well as US Pat. No. 6279550 describe the basic structure, the mode of action of these motors as well as possible design options.

Die Hubraumleistung eines Verbrennungsmotors ist grundsätzlich definiert als Verhältnis der Leistung pro Liter Hubvolumen.The Engine capacity of an internal combustion engine is basically defined as the ratio of power per liter of displacement.

Figure 00010001
Figure 00010001

In dieser Gleichung ist VH das Hubvolumen, PH die Literleistung und Pe die effektive Leistung.In this equation, V H is the stroke volume, P H is the liter power, and P e is the effective power.

Die effektive Leistung ist die Nutzleistung an der Antriebswelle bzw. der Schwungscheibe, die bei entsprechender Drehzahl zur Verfügung steht. Diese Leistung reduziert sich durch zusätzliche Verluste im Getriebe als auch zusätzliche Leistungsabnehmer, wie Lichtmaschine, Einspritzpumpe, Spül- und Kühlluftgebläse, Kühlwasserpumpe etc. Die effektive am Motor zur Verfügung stehende Leistung Pe ist wie folgt definiert: Pe = VH·pme·n·i

VH
Hubvolumen,
pme
effektiver Mitteldruck,
n
Drehzahl und
i
Anzahl der Arbeitsspiele pro Umdrehung.
The effective power is the useful power at the drive shaft or the flywheel, which is available at the appropriate speed. This power is reduced by additional losses in the transmission as well as additional power consumers, such as alternator, injection pump, purging and cooling air blower, cooling water pump, etc. The effective power P e available at the engine is defined as follows: P e = V H · p me * N * i
V H
stroke volume,
p me
effective medium pressure,
n
Speed and
i
Number of working cycles per revolution.

Diesen Motoren ist jedoch nachteilig, dass diese bei Teillast hohe Verluste durch Ladungswechsel aufweisen. Aufgrund der allgemeinen Leistungsdefinition ergeben sich mehrere Möglichkeiten hinsichtlich der Leistungsanpassung. Dies kann zum einen durch die Änderung der Drehzahl als auch des Hubvolumens erfolgen. Die Zylinderabschaltung ist ein derzeit taugliches Mittel, um das aktuelle Hubvolumen den momentanen Gegebenheiten anzupassen und dadurch z. B. die Ladungswechselverluste bei Teillast drastisch zu reduzieren. Dies hat auch eine Kraftstoffeinsparung zur Folge. D. h. bei diesen Motoren erfolgt die Hubraumanpassung durch die Abschaltung einzelner Zylinder. Der Nachteil dieser technischen Lösung ergibt sich aus der Tatsache, dass für eine teilweise Zylinderabschaltung eine ausreichend große Anzahl von Zylindern vorhanden sein muss, um auch bei Teillast eine ausreichende Laufruhe zu gewährleisten. Dies ist auch dadurch begründet, dass durch die Verringerung der Anzahl der aktiven Zylinder die Zündfrequenz reduziert und somit das akustische Verhalten aufgrund der sich ändernde Laufruhe negativ beeinflusst wird. Daher kann dieses System nicht auf Motoren mit zum Beispiel vier und weniger Zylinderblöcken angewendet werden. Außerdem müssen bei derartigen Systemen zusätzlich die Ein- und Auslassventile deaktiviert werden.this However, engines is disadvantageous in that they are at part load high losses by changing the charge. Due to the general power definition There are several possibilities with regard to the power adjustment. This can be done by changing the speed as also the stroke volume. The cylinder deactivation is currently one suitable means to the current displacement to the current conditions to adapt and thereby z. B. the charge exchange losses at partial load drastically reduce. This also has a fuel economy result. Ie. in these engines, the displacement adjustment takes place by switching off individual cylinders. The disadvantage of this technical Solution arises from the fact that for a partial cylinder shutdown a sufficiently large Number of cylinders must be present, even at partial load one to ensure sufficient smoothness. This is also because of it justifies that by reducing the number of active Cylinder reduces the ignition frequency and thus the acoustic Behavior negatively influenced by the changing smoothness becomes. Therefore, this system can not work with motors, for example four and fewer cylinder blocks are applied. Furthermore have in addition to such systems Inlet and exhaust valves are disabled.

Eine weitere Variante die Verluste bei Gaswechselarbeit zu reduzieren ist die Verwendung von verschiebbaren als auch mechanisch verstellbaren Kurbelwellen zur Adaption des Hubvolumens. Jedoch ist diese Lösung technisch sehr aufwendig. Außerdem führt die Verlagerung der Kurbelwelle zu zusätzlichen Lasten, welche den Betrieb als auch die Lebensdauer des Motors beeinflussen. Durch diese konstruktive Lösung ergeben sich auch zusätzliche Massen, welche in Bewegung versetzt werden müssen und somit zu erhöhten Leistungsverlusten führen.A Another variant to reduce losses in gas exchange work is the use of sliding as well as mechanically adjustable crankshafts for adapting the stroke volume. However, this solution is technical very expensive. In addition, the relocation leads the crankshaft to additional loads, which is the operation as well as the life of the engine. Through this constructive Solution also arise additional masses, which must be set in motion and thus increased Lead to power losses.

Es ist deshalb Aufgabe dieser Erfindung einen alternativen Lösungsansatz aufzuzeigen, welcher eine Leistungsadaption selbst bei Einzylindersystemen erlaubt. Gegenstand dieser Erfindung ist somit eine Möglichkeit zur variablen Gestaltung des Hubraumvolumens von Viertaktmotoren in Abhängigkeit vom jeweiligen Teillastbetrieb. Gemäß dieser Erfindung ist es möglich diese technische Lösung unabhängig von der Anzahl der Zylinder bei Aufrechterhaltung der Laufruhe einzusetzen. Gleichzeitig ist es möglich die variable Hubraumgestaltung mit zusätzlichen Systemen zur Aufladung (Turbolader, Kompressor) zu kombinieren und zu betreiben. Eine variable Hubraumgestaltung erlaubt eine Variation der Leistung bei Aufrechterhaltung der jeweiligen Drehzahl.It Therefore, object of this invention is an alternative approach To show what a performance adaptation even with single-cylinder systems allowed. The subject of this invention is thus a possibility for the variable design of the displacement volume of four-stroke engines depending on the respective partial load operation. According to this Invention, it is possible this technical solution regardless of the number of cylinders while maintaining to use the smooth running. At the same time it is possible the variable displacement design with additional systems for Charge (turbocharger, compressor) to combine and operate. A variable displacement design allows a variation of the power while maintaining the respective speed.

Bei der Erfindung handelt es sich um ein adaptives Teil- bzw. Volllastsystem. Hierbei ist der Hubraum in zwei Teilbereiche unterteilt, wobei der Primärteil dem Betrieb bei Teillast garantiert, während der zu- bzw. abschaltbare Sekundärteil nur der Leistungssteigerung entsprechend den Leistungsanforderungen bei Volllast dient. Der Sekundärteil bildet während der Teillastphase einen Teil des begrenzenden Verbrennungsraums und steht somit während dieser Phase nicht für die Erzielung einer Leistung zur Verfügung. Aufgrund dieser Tatsache bleibt bei konstantem Hub der mittlere Betriebsdruck im gesamten Regelbereich annähernd erhalten, wodurch keine Beeinflussung des Ausbrenngrades erfolgt. Die Form und Größe des Sekundärteils ist von der jeweiligen konstruktiven Ausführung als auch geforderten Leistungsbereichen im Teil- und Volllastbetrieb abhängig. Die 1 zeigt eine vereinfachte Schnittdarstellung einer möglichen konstruktiven Ausführung eines solchen Systems, welcher aus dem Zylinderkopf mit Zündereinheit sowie Einlass- und Ablasskanal 1 zur Integration der Ventile, dem Gehäuse 6, der Schwungscheibe 3 und dem Pleuel 4 besteht. Der Arbeitskolben besteht aus dem abschaltbaren Kolben-Sekundärteil 2, dessen Zuschalt-Mechanismus in der Abbildung nicht gezeigt ist, und dem in beiden Laststufen aktiven Kolben-Primärteil 5.The invention is an adaptive partial or full load system. Here, the displacement is divided into two sub-areas, the primary part guarantees operation at partial load, while the secondary part which can be switched on or off only serves to increase the power in accordance with the power requirements at full load. The secondary part forms part of the limiting combustion space during the partial load phase and is thus not available for the achievement of power during this phase. Due to this fact remains at a constant stroke, the average operating pressure in ge velvet control range approximately, whereby no influence on Ausombenngrades takes place. The shape and size of the secondary part is dependent on the respective structural design as well as required performance ranges in partial and full load operation. The 1 shows a simplified sectional view of a possible structural design of such a system, which consists of the cylinder head with igniter unit and inlet and outlet channel 1 to integrate the valves, the housing 6 , the flywheel 3 and the connecting rod 4 consists. The working piston consists of the disconnectable piston secondary part 2 , whose Zuschalt mechanism is not shown in the figure, and the active in both load stages piston primary 5 ,

Zur Aufrechterhaltung einer optimalen Verbrennung bleibt auch während des Drosselbetriebs das Verdichtungsverhältnis nahezu erhalten. Dies wird in erster Linie durch die konstruktive Ausführung des Sekundärteils 2 gewährleistet, welcher einen konstanten Hub trotz verändertem Hubvolumen, im gesamten Leistungsspektrum gewährleistet.In order to maintain optimal combustion, the compression ratio is almost maintained even during throttle operation. This is primarily due to the structural design of the secondary part 2 guaranteed, which ensures a constant stroke despite changing the stroke volume, in the entire performance spectrum.

2 zeigt das p-v-Diagramm eines Otto-Prozesses mit den vier zugehörigen Takten. Im ersten Takt erfolg die Ansaugung – dies entspricht dem Abschnitt 7 bis 8. Der zweite Takt dient der Verdichtung (isentrope Kompression) – Abschnitt 8 bis 9 Im dritten Takt, den sogenannten Arbeitstakt, erfolgt die Wärmezufuhr durch Verbrennung – Abschnitt 9 bis 10. Die Zündung erfolgt hierbei im oberen Totpunkt. 2 shows the pv diagram of an Otto process with the four associated clocks. In the first cycle, the suction is successful - this corresponds to the section 7 to 8th , The second bar is used for compaction (isentropic compression) section 8th to 9 In the third cycle, the so-called power stroke, the heat is supplied by combustion - section 9 to 10 , The ignition takes place here at top dead center.

Anschließend erfolgt die isentrope Expansion – Abschnitt 10 bis 11. Die hierbei freiwerdende Energie wird über die Kurbelwelle abgeführt.This is followed by the isentropic expansion section 10 to 11 , The released energy is dissipated via the crankshaft.

Der vierte Takt stellt den sogenannten Ausblastakt dar. Durch öffnen der Auslassventile expandieren die Abgase im unteren Totpunkt ohne weitere Arbeitsleistung nach außen – Abschnitt 11 bis 7.The fourth cycle represents the so-called discharge cycle. By opening the exhaust valves expand the exhaust gases in the bottom dead center without further work to the outside - section 11 to 7 ,

Durch die Erfindung ist im Wesentlichen der Bereich zwischen den Abschnitten 7 bis 11 betroffen. Bei der Drosselung erfolgt durch eine externe Steuereinheit die Abschaltung = Ruhelegung des Sekundärteils (2 1) des Verbrennungsmotors.By the invention is essentially the area between the sections 7 to 11 affected. When throttling is done by an external control unit, the shutdown = rest of the abutment ( 2 1 ) of the internal combustion engine.

Dies hat zur Folge, dass eine Volumenverringerung stattfindet. Hierdurch verringert sich auch der Volumenstrom der eintretenden Luft, was bei der Aufrechterhaltung des Mischungsverhältnisses zu einer entsprechenden Verringerung des notwendigen Brennstoffes führt. Aufgrund der Tatsache der Erhaltung des Hubes und somit des mittleren Betriebsdruckes bleibt die Effizienz der Gemischaufbereitung und Verbrennung erhalten.This As a result, a volume reduction takes place. hereby also reduces the volume flow of the incoming air, which in maintaining the mixing ratio too a corresponding reduction of the necessary fuel leads. Due to the fact of maintaining the stroke and thus the middle Operating pressure remains the efficiency of the mixture preparation and Received combustion.

3 zeigt eine idealisierte Gegenüberstellung der zwei möglichen Lastzustände eines Motors mit einem Primär- und Sekundärhubvolumenanteil. Der Bereich des Ansaugens als auch des Auswurfes wird hierbei nicht betrachtet, da dieser zum Beispiel durch die Integration eines Turboladers beeinflusst werden kann. 3 shows an idealized comparison of the two possible load conditions of an engine with a primary and Sekundärhubvolumenanteil. The area of the suction as well as the ejection is not considered here, since this can be influenced for example by the integration of a turbocharger.

Die Darstellung verdeutlicht besonders anschaulich den Fakt der Aufrechterhaltung des Druckbereiches im Teil- und Volllastbetrieb, gekennzeichnet durch die Punkte 9 und 10 des Volllastbetriebes und die Punkte 13 und 14 für den Teillastzustand. Die wesentliche Änderung wird durch die Aufteilung des Hubraumes erzielt. Der Vergleich des Abschnittes 9–10 bei Voll- und 13–14 bei Teillast zeigt nur eine unwesentliche Änderung, welche in erster Linie von der jeweiligen konstruktiven Ausführung bestimmt wird. Hierbei kennzeichnet die Fläche 8–9–10–11 die erzielte Arbeit bei Volllastbetrieb. Dies entspricht einem Betrieb mit aktiven Kolbenprimär 5 – und Sekundärteil 2. Während des Teillastbetriebs erfolgt die zeitweise ”Ruhelegung” des Sekundärteiles 2 des Zylinderkolbens. Dieser Betrieb ist durch die Fläche 12–13––14–15 gekennzeichnet. Die sich hierbei durch den Prozess ergebende aufsummierte Fläche des Volllastbetriebs ist durch die Linie 18–19 gekennzeichnet. Der entsprechende Flächenverlauf des Teillastbetriebs ist hingegen durch die Linie 16–17 gekennzeichnet. Der direkte Vergleich beider Flächen 8–9–10–11 und 12–13–14–15 zeigt deutlich eine geringere Arbeit bei Teillastbetrieb. Der resultierende Arbeitsunterschied ΔW, welcher sich aus der Flächendifferenz ergibt, lässt sich durch die Subtraktion der Flächenendwerte in den Punkten 19 und 17 errechnen.The illustration illustrates particularly clearly the fact of maintaining the pressure range in partial and full load operation, characterized by the points 9 and 10 full load operation and points 13 and 14 for the partial load condition. The main change is achieved by dividing the cubic capacity. The comparison of the section 9 - 10 at full and 13 - 14 At partial load shows only an insignificant change, which is primarily determined by the respective structural design. Here, the area indicates 8th - 9 - 10 - 11 the work achieved at full load. This corresponds to operation with active piston primary 5 And secondary parts 2 , During partial load operation, the temporary "rest assignment" of the secondary part takes place 2 of the cylinder piston. This operation is by the area 12 - 13 - 14 - 15 characterized. The cumulative area of full load operation resulting from this process is through the line 18 - 19 characterized. The corresponding surface course of the partial load operation, however, is through the line 16 - 17 characterized. The direct comparison of both surfaces 8th - 9 - 10 - 11 and 12 - 13 - 14 - 15 clearly shows a lower work at partial load operation. The resulting working difference ΔW, which results from the area difference, can be obtained by subtracting the area end values in the points 19 and 17 calculate.

Unter Berücksichtigung der Leistung Pe für den Voll- und Teillastbetrieb ergibt sich somit ein Unterschied, welcher primär auf der Änderung des Hubvolumens VH beruht, wobei die anderen eingehenden Parameter nahezu unberührt bleiben.Taking into account the power P e for the full and part load operation thus results in a difference, which is based primarily on the change in the stroke volume V H , the other incoming parameters remain virtually untouched.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (7)

Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum zur Verringerung der Verluste bei Teillast gekennzeichnet dadurch, dass die Anpassung des Hubvolumens durch die axiale und/oder radiale Bauweise des Verbrennungsraumes bedingt ist.Combustion engine with variable displacement for reduction the losses at partial load characterized by the fact that the adjustment the stroke volume by the axial and / or radial construction of the combustion chamber is conditional. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass bei der Drosselung keine Verschiebung der Kurbelwelle erfolgt und der Hubweg im gesamten Leistungs- und Drosselbereich erhalten bleibt.Internal combustion engine according to claim 1, characterized that during the throttling no displacement of the crankshaft takes place and the stroke is maintained throughout the power and throttle range. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselmöglichkeit entweder auf einen Teil oder alle zur Verfügung stehende Zylinder in Abhängigkeit von den Leistungsanforderungen angewendet werden kann, ohne das Laufverhalten zu beeinflussen.Internal combustion engine according to claim 2, characterized that the choke possibility either on a part or all available cylinders in dependence can be applied by the performance requirements without that To influence running behavior. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3 gekennzeichnet dadurch, dass die Zündfrequenz im gesamten Drosselbereich nicht von der Ab- oder Zuschaltung des Sekundärteils beeinflusst wird.Internal combustion engine according to claim 3 in that the ignition frequency in the entire throttle area not influenced by the disconnection or connection of the secondary part becomes. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4 gekennzeichnet dadurch, dass die Luftbeaufschlagung im ersten Takt primär durch das zur Verfügung stehende Volumen bestimmt wird.Internal combustion engine according to claim 4 in that the air supply in the first cycle is primary is determined by the available volume. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, das der im Arbeitstakt notwendige Brennstoffdurchsatz, bei einer Aufrechterhaltung des optimalen Mischungsverhältnisses, durch die Ab- und Zuschaltung des Sekundärteils bestimmt wird.Internal combustion engine according to claim 5, characterized characterized in that the fuel flow rate necessary in the working cycle, while maintaining the optimal mixing ratio, through the disconnection and connection of the secondary part is determined. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, das die Deaktivierung des Sekundärteils zur Bereitstellung des notwendigen Leistungsspektrums bei allen Zylindern gleichzeitig oder sequenziell erfolgen kann, um eine optimale Leistungsbereitstellung zu gewährleisten.Internal combustion engine according to claim 6, characterized thereby, deactivating the secondary to provide the necessary power spectrum for all cylinders simultaneously or can be sequential to provide optimal performance to ensure.
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