DE102010005614B4

DE102010005614B4 - Vorrichtung zur Reduzierung der aerodynamischen Verluste im Ansaugtakt bei der Drehzahl- und Leistungsregelung eines Rotationskolben-Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102010005614B4
Application number: DE201010005614
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-01-25
Filing date: 2010-01-25
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2030-01-26
Also published as: DE102010005614A1

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 im Ventiltrieb reduziert werden, eine Drosselregelung zur Steuerung der Ansaugluftmenge 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 einen Kanal bildet, über den eine Kurzschlussströmung vom Verdichtungs- in den Ansaugraum ermöglicht wird. Über die radiale Größe des Verschiebeweges des Kurzschlussschiebers kann der Kanalquerschnitt und damit die Rückströmmenge verändert und letztlich 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 Ventilschaltenden 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 Verbrennungsmotors negativ und wirken sich nachteilig auf dessen Verbrauch aus. Im Vergleich zu einem 4T-Hubkolbenmotor entfallen beim Rotationskolben-Verbrennungsmotor nach DE 101 10 261 A1 zwar systembedingt die Ein- und Auslass-Ventile einschließlich der erforderlichen Antriebselemente, so dass deshalb auch keine mechanischen Steuerungsverluste vorliegen, jedoch entstehen bei der Ansaugluft- oder Gemisch-Steuerung, die z. B. mittels eines Drosselklappenstellers erfolgen muss, aerodynamische Widerstände, die insbesondere im Niederlastbereich bei nahezu geschlossener Drosselklappe ebenfalls deutliche aerodynamische Verluste verursachen. Weiterhin sind Bypassleitungen zwischen der Ansaug- und Kompressionskammer bei einem Rotations-Kompressor-Motor aus der Anmeldung DE 197 32 325 A1 bekannt, wo über mit dem Kompressionsraum verbundene Bohrungen, die in der Kompressor-Seitenwand angebracht sind, mittels Steuerschiebern def. Luftmengen auf die Ansaugseite zurückströmen können. Derartige Luftmengensteuerungen weisen bei hohen Luftdurchsätzen von bereits teilverdichteter Luft und wegen der mehrfachen Umlenkung des Luftstromes verbunden mit engen und strömungsungünstigen Durchtrittquerschnitten immer deutliche aerodynamische Verluste auf.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bei Nutzung aller Lastpunkte im Betriebskennfeld des Verbrennungsmotors so darzustellen, dass hierbei die aerodynamischen Verluste bei der Ansaugluftsteuerung zumindest deutlich minimiert werden, dass ein gutes Ansprechverhalten des Motors gewährleistet ist und dass das Steuersystem gleichzeitig einfach aufgebaut ist.
Diese Anforderung wird am Beispiel eines Rotationskolben-Verbrennungsmotors nach DE 101 10 261 A1 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 DE 101 10 261 A1 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 im Außengehäuse (1.4) 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 diesen ein. Der Ansaugtakt ist beendet, wenn die axiale Erhebung der ansaug- u. verdichtungsseitigen Rotorscheibe (2.1) den Ansaugkanal (17) verschließt. Das Gas wird nun durch die Drehung der Rotorscheibe (2.1) im Ansaugraum (8) in Drehrichtung weiterbewegt. Beim Erreichen der Dichtlamelle (40) wird der Ansaugraum (8) zum Verdichtungsraum (6), d. h. der Ansaugraum (8) verkleinert sich, das Gas wird verdichtet und in den Brennraum (14) geschoben (1). Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nun im ansaug- und verdichtungsseitigen 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 ansaug- u. verdichtungsseitigen Rotorscheibe (2.1) ein Kanal (27) bildet (3 u. 4). Über diesen Kanal (27), die Durchtrittsöffnung (28) und den Kurzschlusskanal (24) im Außengehause (1.4) kann eine Teilmenge des Gases auf die Ansaugseite zum Ansaugkanal (17) solange zurückströmen, bis die axiale Erhebung der ansaug- und verdichtungsseitigen Rotorscheibe (2.1) das in dessen Drehrichtung dem Brennraum (14) nahe 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 gesteuert werden (4).
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 bis 3 auf der Ansaug- und Verdichtungsseite, die dem Außengehäuse (1.4) zugeordnet ist, ein Kurzschlussschieber (25) vorgesehen, der radial vom Rotationsmittelpunkt (31) aus nach außen bewegt werden kann. Weiterhin beinhaltet das ansaug- u. verdichtungsseitige Außengehäuse (1.4) – beginnend an der Dichtfläche (A2) innerhalb der Kurzschlussschieberführung – einen 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 ansaug- und verdichtungsseitigen 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 (25) sind in dessen Führungsbereich, entweder am Kurzschlussschieber (25) selbst, oder im ansaug- und verdichtungsseitigen Außengehäuse (1.4), oder an beiden, umlaufende Dichtelemente (55) angebracht, die ein Ausströmen von Verdichtungsgasen oder den Eintritt von Falschluft verhindern. Zusätzlich ist optional auch ein Leckgas-Sammelkanal vorgesehen, der das dort evtl. eintretende Leckgas dem Kurzschlusskanal (24) und damit dem Ansaugkanal (17) zuleitet.
Die Verdichtung des angesaugten Gases beginnt, wenn sich die ansaug- und verdichtungsseitige Rotorscheibe (2.1) ca. 180° in Drehrichtung vor der Dichtlamelle (40) befindet (1 u. 2). In dieser Position wird der Ansaugkanal (17) von der axialen Erhebung der ansaug- und verdichtungsseitigen Rotorscheibe (2.1) noch verschlossen. Im Volllastbetrieb befindet sich der Kurzschlussschieber (25) in der eingefahrenen Endposition, d. h. das radiale Spiel zwischen der Innenfläche (25.1) des Kurzschlussschiebers (25) und der Außenfläche (2.1.5) der ansaug- und verdichtungsseitigen Rotorscheibe (2.1) entspricht dem der übrigen Bereiche zwischen ansaug- und verdichtungsseitigen Außengehäuse (1.4) und der ansaug- und verdichtungsseitigen 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 der angesaugten Gasmenge im Teillastbereich des Motors, wird der Kurzschlussschieber (25) vom Rotationsmittelpunkt (31) weg radial nach außen bewegt (3 u. 4). Dadurch entsteht im Bereich des Kurzschlussschiebers (25) und der Außenfläche (2.1.5) der ansaug- und verdichtungsseitigen Rotorscheibe (2.1) ein Kanal (27). Durch die Lageänderung des Kurzschlussschiebers bewegen sich auch die beiden Dichtflächen (A1) am Kurzschlussschieber (25) und die Dichtfläche (A2) im Führungsdurchbruch des Kurzschlussschiebers (25) im ansaug- und verdichtungsseitigen Außengehäuse (1.4) auseinander, so dass hierbei eine Durchtrittsöffnung (28) entsteht. Diese Durchtrittsöffnung (28) verbindet nun den Kanal (27) mit dem Kurzschlusskanal (24) im ansaug- und verdichtungsseitigen Außengehäuse (1.4), so dass das Gas vom Verdichtungsraum (6) zum Ansaugkanal (17) zurückströmen kann. Der Rückströmvorgang ist beendet, wenn die axiale Erhebung der ansaug- und verdichtungsseitigen Rotorscheibe (2.1) das in Rotordrehrichtung dem Brennraum (14) nahe Ende des Kurzschlussschiebers (25) erreicht und den Kanal (27) verschließt.
Mittels der beliebigen, 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 besteht die Möglichkeit den Kurzschlussschieber (25) zur Veränderung seiner radialen Ausdehnung und damit der aktiven Länge des Kanals (27) auch mehrteilig auszuführen. Voraussetzung bei allen geometrischen Varianten ist allerdings, dass bei der Lageveränderung des Kurzschlussschiebers (25) eine Art Kanal (27) zwischen dessen Innenfläche (25.1) und der Außenfläche (2.1.5) der ansaug- und verdichtungsseitigen Rotorscheibe (2.1) entsteht, der die Rückströmung des Gases von der Verdichtungsseite zum Kurzschlusskanal (24) und damit zur Ansaugseite (Ansaugkanal 17) 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 Frischgassteuerung 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 mittels eines gängigen Verstellmechanismus (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 die Anzahl bei Verwendung mehrerer parallel angeordneter Kurzschlussschieber 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, ist in dessen Führungsbereich eine Ölschmierung vorzusehen.

Claims

Ladungsmengen-Steuersystem für einen Rotationskolben-Verbrennungsmotor, bei dem ein Ansaug- (8) und ein Verdichtungsraum (6) auf einer Seite der 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 des stationären ansaug- und verdichtungsseitigen Außengehäuses (1.4) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass nur die dem Kennfeld-Lastpunkt entsprechende Gasmenge verdichtet wird und an der Verbrennung im Brennraum (14) teilnimmt, wobei im ansaug- und verdichtungsseitigen Außengehäuse (1.4), mindestens ein Kurzschlussschieber (25) angeordnet ist, wobei der mindestens eine Kurzschlussschieber (25) verschiebbar in Führungen oder schwenkbar im ansaug- und verdichtungsseitigen 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 an den Führungsflächen des mindestens einen Kurzschlussschiebers (25), oder an den Führungsflächen im ansaug- und verdichtungsseitigen Außengehäuse (1.4), oder an beiden umlaufende Dichtelemente (55) angebracht sind, die einen Gasausritt aus den Arbeitsräumen (6; 8), oder den Eintritt von Falschluft in die Arbeitsräume verhindern, wobei auftretendes Leckgas im Führungsbereich des Kurzschlussschiebers (25) über einen Leckgas-Sammelkanal dem Kurzschlusskanal (24) im ansaug- und verdichtungsseitigen Außengehäuse (1.4) und damit dem Ansaugkanal (17) zugeleitet wird, wobei der mindestens eine Kurzschlussschieber (25) mittels einer Verstelleinrichtung dem gewählten Lastpunkt entsprechend innerhalb des geometrisch möglichen Verstellweges positioniert wird, wobei das Verschieben des mindestens einen Kurzschlussschiebers (25) mittels eines gängigen Verstellmechanismus (z. B. mechanisch, elektro-mechanisch, pneumatisch, hydraulisch, oder einer Kombination der vorgenannten Möglichkeiten) bewerkstelligt wird, wobei zur Reibungsminimierung bei der Bewegung des Kurzschlussschiebers (25) im Führungsbereich des ansaug- und verdichtungsseitigen Außengehäuses (1.4) eine Ölschmierung vorgesehen ist, wobei das ansaug- und verdichtungsseitige 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 ansaug- und verdichtungsseitigen Aussengehäuse (1.4) – beginnt und auf der anderen Seite in den Ansaugkanal (17) mündet, wobei 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 ansaug- und verdichtungsseitigen Außengehäuse (1.4) und damit den Verdichtungsraum (6) mit dem Ansaugkanal (17) verbindet.
Ladungsmengen-Steuersystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kurzschlussschieber (25) zur Veränderung der aktiven radialen Kanallänge (27) auch mehrteilig ausführbar ist.
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 ansaug- und verdichtungsseitigen Außengehäuse (1.4) dichtend anliegt.
Ladungsmengen-Steuersystem nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass über den Verschiebeweg des mindestens einen Kurzschlussschiebers (25) die freie Durchtrittsöffnung (28) zwischen dem Kanal (27) und dem Kurzschlusskanal (24) veränderbar ist, wobei die Verbindung vom Verdichtungsraum (6) über den Kanal (27), die Durchtrittsöffnung (28) und den Kurzschlusskanal (24) zum Ansaugkanal (17) pro Umdrehung der ansaug- und verdichtungsseitigen Rotorscheibe (2.1) nur zeitanteilig besteht und beendet ist, wenn die ansaug- und verdichtungsseitige Rotorscheibe (2.1) das in Drehrichtung dem Brennraum (14) nahe Ende des Kurzschlussschiebers (25) erreicht.
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 ansaug- und verdichtungsseitigen Außengehäuse (1.4) so ausgelegt ist, dass alle erforderlichen Rückströmmengen und damit alle Lastfälle darstellbar sind.