DE102010005614A1

DE102010005614A1 - Vorrichtung zur Reduzierung der aerodynamischen Verluste im Ansaugtakt bei der Drehzahl- und Leistungsregelung eines Rotationskolbe-Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102010005614A1
Application number: DE201010005614
Authority: DE
Inventors: Klaus Bruchner
Original assignee: Bruchner Klaus Dr 73061
Current assignee: Bruchner Klaus Dr 73061
Priority date: 2010-01-25
Filing date: 2010-01-25
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2030-01-26
Also published as: DE102010005614B4

Abstract

Die Darstellung unterschiedlicher Drehzahl- und Lastpunkte im Betriebskennfeld eines Verbrennungsmotors erfolgt über die für jedem Betriebspunkt angepasste Gemischmenge, d. h. den jeweils spezifischen Luft- und Kraftstoffanteilen, die an der Verbrennung teilnehmen. Üblicher Weise wird hierzu der angesaugte Luftanteil mittels einer Drosselklappe gesteuert und die erforderliche Kraftstoffmenge zugefügt. Insbesondere bei geringem Luftbedarf und damit nahezu geschlossener Drosselklappe entstehen so hohe Drosselverluste beim Ansaugen. Um die Verlustanteile beim Ladungswechsel zu minimieren sind Systeme bekannt, bei denen durch die Anwendung variabler Ventilhübe z. B. die Drosselklappe entfallen kann, indem die Luftmengensteuerung über die Veränderung der offenen Strömungsquerschnitte an den Einlassventilen erfolgt. Einfachere Anwendungen basieren auf einer Ventilhubumschaltung mittels Nocken mit unterschiedlichen Nockenerhebungen. Bei allen diesen Systemen kann zwar im Niederhub-Betrieb die mechanische Reibung an den Ventilschäften reduzieAnsaugluftmenge ist aber trotzdem bei allen Varianten vorhanden. Zur Reduzierung der aerodynamischen Verluste bei der Ansaugluft-Mengensteuerung wird eine Möglichkeit dargestellt, bei der von einer konstant angesaugten Luft- oder Gemischmenge nur der Anteil an der Verbrennung teilnimmt, der dem eingestellten Lastpunkt entspricht. Die zu viel angesaugte Gemischmenge wird vor der Verdichtung wieder auf die Ansaugseite zurück verdrängt. Hierfür ist ein Kurzschlussschieber auf der Verdichtungs- und Ansaugseite eines Rotationskolben-Verbrennungsmotors vorgesehen, der in verstellter Position eine Kurzschlussströmung vom Verdichtungs- in den Ansaugraum ermöglicht. Über die radiale Größe des Verschiebeweges des Kurzschlussschiebers kann die Rückströmmenge und damit die an der Verbrennung teilnehmende Gemischmenge gesteuert werden.

Description

Stand der Technik
Drehzahl- und Laständerungen werden bei Verbrennungs-Motoren über die angesaugte Luft- und die hierbei zugeführte Kraftstoffmenge geregelt. Die für jeden Betriebspunkt erforderliche Dosierung der Luftmenge erfolgt im Allgemeinen mittels einer Drosselklappe, die je nach deren Einstellwinkel mehr oder weniger Luft oder Gemisch zu den Brennräumen des Motors strömen lässt. Speziell im niedrigen Teillastbereich entstehen so, bei nahezu geschlossener Drosselklappe, hohe Drosselverluste.
Zusätzlich ergeben sich auch an den Steuerelementen des Ventiltriebs – nämlich an den beim Ladungswechsel offenen Ventil-Querschnitten der Ein- und Auslassventile – drehzahlabhängige Strömungswiderstände, die das Ansaugen von Frischluft in die Brennräume und das Ausschieben der Abgase aus diesen drosseln.
Neben den genannten aerodynamischen Verlusten sind beim Ladungswechsel auch mechanische Verluste vorhanden, die aus dem Antrieb des Ventiltriebs resultieren. Hier sind insbesondere die meist mittels einer Kette bewegte Nockenwelle und deren Lagerung im Zylinderkopf, aber auch die Gleitreibung der über den Nockenhub in den Ventilführungen bewegten Ventile und die aus den Relativbewegungen zwischen Schlepp- oder Kipphebeln und den Ventilschaftenden entstehenden Reibungsverluste zu nennen.
Um diese Verlustleistungen bei der Regelung der Drehzahl- und Lastpunkte zu reduzieren, sind mechanische Ventilsteuerungs-Systeme mit variablen Ventilhüben bekannt, die auch die Ladungsmengensteuerung übernehmen. Hierbei kann zwar auf eine Drosselklappe verzichtet werden, die Drosselverluste oder die aerodynamischen Verluste entstehen aber dennoch an den veränderbaren, den jeweiligen Lastpunkten angepassten offenen Ventilquerschnitten. Vorteilhaft ist bei dieser Ausführungsvariante jedoch, dass im Niederlastbereich die mechanischen Reibungsverluste infolge der reduzierten Ventilhübe abnehmen.
In ähnlicher Weise wirken auch Steuerungen, bei denen die Einlassventile zumindest auf zwei unterschiedliche Nockenhöhen und damit Ventilhübe umgeschaltet werden können. Die Umsetzung dieser Varianten erfolgt z. B. einlassseitig mittels Doppelnocken mit unterschiedlichen Nockenerhebungen die axial auf einer Welle verschiebbar angeordnet sind, oder durch die Verwendung von schaltbaren Schlepp- oder Kipphebeln, die ebenfalls auf meist zwei unterschiedliche Nockenerhebungen und damit auf veränderbare Ventilhübe umschaltbar sind. Auch bei den letztgenannten Lösungen sind ebenfalls nur die mechanischen Reibungsverluste an den Ventilschäften beeinflussbar, die aus den reduzierten Ventilhüben folgen. Eine zusätzliche Steuerung der Füllungsmenge über eine Drosselklappe zur Einstellung der jeweiligen Betriebspunkte im Lastkennfeld bleibt weiterhin erforderlich.
Beim Einsatz der genannten Systeme können zwar die mechanischen Verluste reduziert werden, die aerodynamischen Aufwendungen bleiben aber davon nahezu unberührt. Zudem erfordern diese Möglichkeiten einen entsprechend großen technischen Änderungsaufwand und zusätzliche Steuermechanismen, wie elektrische Steuermotoren, Hydrauliksysteme, oder von Aktuatoren gesteuerte Schiebenockenhülsen, etc., was mit hoher Störanfälligkeit, Mehrgewicht des Aggregates und nicht geringen Mehrkosten verbunden ist.
Aufgabenbeschreibung
Die oben aufgezeigten aerodynamischen und mechanischen Steuerungsverluste beeinflussen den effektiven Wirkungsgrad eines Motors negativ und wirken sich nachteilig auf dessen Verbrauch aus. Wegen den bei einem Rotationskolben-Verbrennungsmotor nach Pat.-Nr. 101 10 261 systembedingt fehlenden Ein- und Auslass-Ventilen mit entsprechenden Antriebselementen, liegen hier auch keine mechanischen Verluste aus bewegten Steuerelementen vor, sondern ausschließlich aerodynamische Widerstände, die aus der Ansaugluft- oder Gemisch-Steuerung resultieren.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Steuerung aller Lastpunkte im Betriebskennfeld des Verbrennungsmotors darzustellen, bei der die aerodynamischen Verluste infolge einer Ansaugluft-Drosselung zumindest deutlich minimiert werden, die ein gutes Ansprechverhalten zeigt und gleichzeitig einfach aufgebaut ist.
Diese Anforderung wird am Beispiel eines Rotationskolben-Verbrennungsmotors mittels eines Kurzschlussschiebers, der im Außengehäuse auf der Ansaug- und Verdichtungsseite angebracht ist, mit den Merkmalen des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.
Entsprechend der Funktionsweise des Rotationskolben-Verbrennungsmotors nach Pat.-Nr. 101 10 261 erfolgt der Ansaug- und Verdichtungstakt getrennt vom Expansions- und Ausschiebetakt. So wird beim Drehen der Rotorscheiben (2.1; 2.2) auf der Ansaug- und Verdichtungsseite links von der Trennwand (4) beim Vergrößern des Ansaugraumes (8) Luft oder Gemisch (im Weiteren als „Gas” bezeichnet) über den Ansaugkanal (17) angesaugt (1 u. 3). Das Gas strömt infolge des bei der Vergrößerung des Ansaugraumes (8) entstehenden Unterdruckes in den kompletten Raum (8) ein. Der Ansaugtakt ist beendet, wenn die axiale Erhebung der Rotorscheibe (2.1) den Ansaugkanal (17) verschließt. Das Gas wird nun durch die Drehung des Rotors (2.1) im Ansaugraum (8) in Drehrichtung weiterbewegt. Beim Erreichen der Dichtlamelle (40) wird der Raum (8) zum Verdichtungsraum (6), d. h. der Raum verkleinert sich, das Gas wird verdichtet und in den Brennraum (14) geschoben (1).
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nun im linken Außengehäuse (1.4) in einem Abschnitt des Ansaug- und Verdichtungsbereichs ein Kurzschlussschieber (25) vorgesehen, der hier beispielhaft radial nach außen bewegt werden kann, so dass sich dabei zwischen dessen Innenfläche (25.1) und der Außenfläche (2.1.5) der linken Rotorscheibe (2.1) ein Kanal (27) bildet (3). Über diesen Kanal (27), die Durchtrittsöffnung (28) und den Kurzschlusskanal (24) im linken Außengehäuse (1.4) kann eine Teilmenge des Gases auf die Ansaugseite zum Ansaugkanal (17) solange zurückströmen, bis die axiale Erhebung des Rotors (2.1) das in dessen Drehrichtung befindliche linke Ende des Kanals (27) erreicht.
Durch die Möglichkeit, die radiale Lage des Kurzschlussschiebers (25) beliebig einstellen zu können, kann der Rückströmquerschnitt des Kanals (27) und damit auch die Durchtrittsöffnung (28) variiert und somit die Rückströmmenge des Gases verändert werden.
Obige, sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten, nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen (1 bis 4) näher erläutert. Die hier dargestellten Beispiele zeigen das System zur Ladungsmengensteuerung in stark vereinfachter Form.
Bei dem o. g. Rotationskolben-Verbrennungsmotor ist entsprechend den 1 u. 2 auf der Ansaug- und Verdichtungsseite im hier linken Außengehäuse (1.4) ein Kurzschlussschieber (25) vorgesehen, der radial vom Rotationsmittelpunkt (31) aus nach außen bewegt werden kann. Weiterhin befindet sich, beginnend an der Dichtfläche (A2) in der Kurzschlussschieberführung im linken Außengehäuse (1.4) ein Kurzschlusskanal (24), der in den Ansaugkanal (17) mündet. Bei einer radialen Verschiebung des Kurzschlussschiebers (25) vom Rotationsmittelpunkt (31) weg (3 u. 4), entsteht, wie beschrieben, ein Kanal (27) zwischen der Innenfläche (25.1) des Kurzschlussschiebers (25) und der Außenfläche (2.1.5) der linken Rotorscheibe (2.1), der den Verdichtungsraum (6) über die Durchtrittsöffnung (28) und den Kurzschlusskanal (24) mit dem Ansaugkanal (17) zeitanteilig pro Umdrehung verbindet. Zur Abdichtung des Kurzschlussschiebers sind in dessen Führungsbereich, entweder am Kurzschlussschieber (25) selbst, oder im Außengehäuse (1.4), oder an beiden, umlaufende Dichtelemente (55) angebracht, die ein Ausströmen von Verdichtungsgasen oder den Eintritt von Falschluft verhindern. Zusätzlich kann auch ein Leckgas-Sammelkanal vorgesehen werden, der das dort eintretende Leckgas dem Kurzschlusskanal (24) und damit dem Ansaugkanal (17) zuleitet.
Die Verdichtung des angesaugten Gases beginnt, wenn sich die linke Rotorscheibe (2.1) ca. 180° in Drehrichtung vor der Dichtlamelle befindet (1 u. 2). In dieser Position wird der Ansaugkanal (17) von der Erhebung der linken Rotorscheibe (2.1) noch verschlossen. Im Volllastbetrieb befindet sich der Kurzschlussschieber (25) gleichzeitig in der eingefahrenen Endposition, d. h. das radiale Spiel zwischen der Innenfläche des Kurzschlussschieber (25.1) und der Außenfläche der linken Rotorscheibe (2.1.5) entspricht dem der übrigen Bereiche zwischen linkem Außengehäuse (1.4) und der linken Rotorscheibe (2.1) und dichtet den Verdichtungsraum (6) ab. Es wird hierbei die komplett angesaugte Gasmenge verdichtet, die dann auch an der Verbrennung im Brennraum (14) teilnimmt.
Zur Reduzierung des angesaugten Gases im Teillastbereich des Motors, wird der Kurzschlussschieber vom Rotationsmittelpunkt (31) weg radial nach außen bewegt (3 u. 4). Dadurch entsteht im Bereich des Kurzschlussschiebers (25) und der Außenfläche der linken Rotorscheibe (2.1) ein Kanal (27). Durch die Lageänderung des Kurzschlussschiebers bewegen sich auch die beiden Dichtflächen (A1) am Kurzschlussschieber und die Dichtfläche (A2) im Führungsdurchbruch des Kurzschlussschiebers im linken Außengehäuse (1.4) auseinander, so dass hierbei eine Durchtrittsöffnung (28) entsteht. Diese Durchtrittsöffnung (28) verbindet nun den Kanal (27) mit dem Kurzschlusskanal (24) im linken Außengehäuse (1.4), so dass das Gas vom Verdichtungsraum (6) zum Ansaugkanal (17) zurückströmen kann. Der Rückströmvorgang ist beendet, wenn die axiale Erhebung der linken Rotorscheibe das in Rotordrehrichtung linke Ende des Kurzschlussschiebers (25) erreicht und den Kanal (27) verschließt.
Mittels der beliebig, innerhalb der geometrischen Gegebenheiten, radialen Positionierung des Kurzschlussschiebers (25) kann so auch die Durchtrittsöffnung (28) variiert werden und die vom Verdichtungsraum (6) zum Ansaugkanal (17) rückströmende, bzw. die an der Verdichtung teilnehmende Gasmenge, gesteuert werden.
Neben der hier als Beispiel dargestellten Ausführung eines radial geradlinig bewegten einteiligen Kurzschlussschiebers (25) sind auch beliebige andere Anordnungen (z. B. schwenkbar, etc.) umsetzbar. Ebenso kann der Kurzschlussschieber (25) auch mehrteilig dargestellt werden. Voraussetzung bei allen geometrischen Varianten ist allerdings, dass bei der Lageveränderung des Kurzschlussschiebers eine Art Kanal (27) zwischen dessen Innenfläche (25.1) und der Außenfläche der Rotorscheibe (2.1.5) entsteht, der die Rückströmung des Gases von der Verdichtungsseite zum Kurzschlusskanal (24) und damit zur Ansaugseite gewährleistet.
Das Ausschieben des Gases vom Verdichtungsraum (6) zurück zum Ansaugkanal (17) im Kurzschlussbetrieb erfolgt bei nur geringer Druckerhöhung im Verdichtungsraum (6) und entspricht damit einem Verdrängungsprozess. Wegen des dabei niedrigen Druckgefälles sind die aufzuwendende Verdrängungsarbeit und damit der Leistungsverlust deutlich geringer, als bei herkömmlichen Ventilsteuerungen. Somit entfallen bei dieser Möglichkeit der Frischgasregelung die Drosselverluste beim Ansaugen und es nimmt infolge der Verdrängung von bereits angesaugtem Gas aus dem Verdichtungsraum nur noch die Gasmenge an der Verdichtung und Verbrennung teil, die für den entsprechenden Betriebspunkt erforderlich ist.
Das drehzahl- und lastabhängige Verschieben des Kurzschlussschiebers (25) und damit die Steuerung der an der Verbrennung teilnehmenden Gasmenge kann mechanisch, hydraulisch, pneumatisch, elektro-mechanisch, oder einer Kombination aus den vorgenannten Möglichkeiten erfolgen, ohne dass die vorliegende Erfindung alleine auf diese Antriebsarten beschränkt sein soll.
Die radialen und axialen Abmessungen des Kurzschlussschiebers (25) und deren Anzahl sind dabei so auszulegen, dass sämtliche Betriebspunkte innerhalb des Motor-Kennfeldes dargestellt werden können.
Um die Gleitreibung bei der Bewegung des Kurzschlussschiebers (25) zu reduzieren, besteht die Möglichkeit, in dessen Führungsbereich eine Ölschmierung vorzusehen.
Das beschriebene System, die Ladungsmenge mittels eines Kurzschlussschiebers zu steuern, ist auch bei 2Takt-Hubkolbenmotoren anwendbar. Hierbei müssten Kurzschlussschieber axial in den Zylinderlaufbahnen der einzelnen Zylinder angeordnet und jeweils Kurzschlusskanäle von den zwischen Kolbenaußenseite und Kurzschlussschieber-Innenfläche gebildeten Kanälen zur Ansaugseite vorgesehen werden.

Claims

Ladungsmengen-Steuersystem für einen Rotationskolben-Verbrennungsmotor, bei dem ein Ansaug- (6) und ein Verdichtungsraum (8) auf einer Seite einer Trennwand (4) angeordnet sind, wobei diese Arbeitsräume (6; 8) durch eine Dichtlamelle (40), eine Trennwand (4), eine profilierte Rotorscheibe (2.1), eine Rotornabe und der Innenwand eines stationären Außengehäuses (1.4) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine während des Ansaugtaktes angesaugte konstante Gasmenge bis zum Beginn des Verdichtens soweit wieder auf die Ansaugseite zurück verdrängt wird, dass nur die dem Kennfeld-Lastpunkt entsprechende Gasmenge verdichtet wird und an der Verbrennung im Brennraum (14) teilnimmt, wobei im Außengehäuse (1.4) im Bereich des Ansaug- und Verdichtungsraumes mindestens ein Kurzschlussschieber (25) angeordnet ist, wobei der mindestens eine Kurzschlussschieber (25) verschiebbar in Führungen oder schwenkbar im Außengehäuse (1.4) anbracht ist, wobei die Verschieberichtung des mindestens einen Kurzschlussschiebers (25) so gewählt ist, dass bei dessen Lageänderung eine Art Kanal (27) zwischen der Innenfläche (25.1) des Kurzschlussschiebers (25) und der Außenfläche (2.1.5) der Rotorscheibe (1.4) entsteht, wobei dieser mindestens eine Kurzschlussschieber (25) auch mehrteilig ausführbar ist. wobei dieser mindestens eine Kurzschlussschieber (25) mittels einer Verstelleinrichtung in beliebigen Positionen innerhalb des geometrisch möglichen Verstellweges positioniert werden kann, wobei an den Führungsflächen des mindestens einen Kurzschlusschiebers (25), oder im Außengehäuse (1.4), oder an beiden umlaufende Dichtelemente (55) angebracht werden können, die einen Gasausritt aus den Arbeitsräumen (6; 8), oder den Eintritt von Falschluft in die Arbeitsräume verhindern, wobei die Verschiebung des mindestens einen Kurzschlussschiebers (25) mittels aller gängigen Verstellmechanismen (z. B. mechanisch, elektro-mechanisch, pneumatisch, hydraulisch, oder einer Kombination der vorgenannten Möglichkeiten) bewerkstelligt werden kann, wobei zur Reibungsminimierung bei der Bewegung des Kurzschlussschiebers (25) im Führungsbereich des Außengehäuses (1.4) eine Ölschmierung vorgesehen werden kann.
Ladungsmengen-Steuersystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Außengehäuse (1.4) einen Kurzschlusskanal (24) aufweist, wobei der Kurzschlusskanal (24) auf der einen Seite an der Dichtfläche (A2) – der Führung des mindestens einen Kurzschlussschiebers (25) im linken Außengehäuse (1.4) – beginnt und auf der anderen Seite in den Ansaugkanal (17) mündet.
Ladungsmengen-Steuersystem nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kurzschlussschieber (25) auf der dem Kurzschlusskanal (24) zugewandten Seite mit einer Fläche (A1) versehen ist, die bei unverstelltem Kurzschlussscheiber an einer Fläche (A2) im Außengehäuse (1.4) dichtend anliegt.
Ladungsmengen-Steuersystem nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass beim Verschieben des mindestens einen Kurzschlussschiebers (25) zwischen den Flächen (A1) und (A2) eine Durchtrittsöffnung (28) entsteht, die den Kanal (27) mit dem Kurzschlusskanal (24) im Außengehäuse (1.4) verbindet, wobei über den Verschiebeweg des mindestens einen Kurzschlussschiebers (25) die freie Durchtrittsöffnung (28) zwischen dem Kanal (27) und dem Kurzschlusskanal (24) veränderbar ist und somit die zurückströmende Gasmenge gesteuert werden kann, wobei die Rückströmung der Gasmenge aus dem Verdichtungsraum (6) über den Kanal (27) nur solange erfolgt, bis der Kanal (27) von der axialen Erhebung der linken Rotorscheibe (2.1) wieder verschlossen wird.
Ladungsmengen-Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Lage des mindestens einen Kurzschlussschiebers (25) und dessen benötigte Fläche – nämlich die radiale Höhe und die axiale Breite – im Außengehäuse (1.4) so ausgelegt ist, dass alle erforderlichen Rückströmmengen und damit alle Lastfälle dargestellt werden können.
Ladungsmengen-Steuersystem nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass ein vergleichbares System, d. h. Kurzschlussschieber zur Steuerung der an der Verbrennung teilnehmenden Gemischmenge, auch bei den einzelnen Zylindern eines 2Takt-Hubkolbenmotors Anwendung finden kann, wobei die einzelnen Zylinder in axialer Richtung mit Kurschlussschiebern versehen werden, wobei der jeweilige Kanal, der zwischen der Kolbenaußenfläche und der dem Kolben zugewandten Kurzschlussschieber-Fläche entsteht, mittels eines Kurzschlusskanals mit der Ansaugseite verbunden wird.