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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder und zumindest vier Ventilen, nämlich zumindest zwei Einlassventilen und zwei Auslassventilen, und einem Arbeitskolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein mit einer derartigen Brennkraftmaschine ausgestattetes Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
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Gattungsgemäße Brennkraftmaschinen sind hinlänglich bekannt, wobei vier Ventile pro Zylinderkopf eine effiziente Füllung und Entleerung des Zylinders mit einem brennbaren Gemisch ermöglichen. Verbunden damit sind eine höhere Leistung im gesamten Drehzahlbereich sowie eine erhöhte Laufruhe und eine Reduzierung des Verbrauchs. Durch die Aufteilung der Ladungswechselorgane auf je zwei Ein- und Auslassventile kann die Brennkraftmaschine in kürzerer Zeit mehr Luft ansaugen bzw. Abgase ausstoßen, wodurch eine bessere Luftversorgung der Zylinder gewährleistet und somit mehr Leistung und ein höheres Drehmoment erreicht werden können.
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Aus der
DE 699 29 239 T2 ist eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder, der mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil aufweist, bekannt. Diese Brennkraftmaschine weist darüber Mittel zum Variieren eines geometrischen Verdichtungsverhältniszylinders sowie Mittel zum Zuführen eines homogenen Kraftstoff-Luftgemisches zu einer Brennkammer des Zylinders auf.
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Aus der
DE 37 36 724 A1 ist ebenfalls eine Brennkraftmaschine bekannt, mit zumindest einem Zylinder und einem damit in Verbindung stehenden Sekundärzylinder. In dem Sekundärzylinder geht ein Sekundärkolben synchron mit dem Arbeitskolben hin und her. Während des Verdichtungshubs der Brennkraftmaschine wird der Sekundärkolben eingefahren und der Sekundärzylinder füllt sich mit brennbarem Gemisch. Dieses Gemisch wird zum Zylinder rückgeführt, während sich der Arbeitskolben aus seiner oberen Totpunktlage herausbewegt, wodurch der Zeitraum, in dem das Gemisch maximal verdichtet ist, verlängert werden kann und somit eine Verbrennung erfolgt, wenn die Kurbelwelle sich bereits aus ihrer oberen Totpunktlage um einen wesentlichen Winkelbetrag herausbewegt hat.
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Schließlich ist aus der
DE 103 11 229 A1 eine Brennkraftmaschine bekannt, deren Verdichtungsverhältnis während des Betriebs angepasst werden kann. Die Verdichtungsänderung wird dabei mittels einem in seiner Endstellung veränderbaren Gaswechselventil erzeugt, das vorzugsweise von einem Ventiltrieb mit variablem Ventilhub angetrieben wird. Mit der variablen Hubventilsteuerung wird die Endstellung eines Ventiltellers eines axial verschiebbaren Gaswechselventils verändert, wobei die Hubventilsteuerung derart ausgelegt ist, dass bei geschlossenem Gaswechselkanal die Endstellung des Ventiltellers zwischen einem Ventilsitz und einer Einmündung des Gaswechselkanals in den Brennraum variabel einstellbar ist. Der Ventilteller liegt dabei bei kleinstem Verdichtungsverhältnis an dem Ventilsitz an und bildet bei größtem Verdichtungsverhältnis mit einer giebelseitigen Wand des Brennraums nahezu eine Ebene. Hierdurch soll insbesondere den beengten Platzverhältnissen in einem Zylinderkopf Rechnung getragen werden.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art, eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen erhöhten Innenwirkungsgrad und eine kompakte Bauweise auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder und zumindest vier Ventilen, nämlich zwei Einlass- und zwei Auslassventilen, wenigstens ein Einlassventil und/oder wenigstens ein Auslassventil durch einen Verdichtungskolben zu ersetzen, der insbesondere in einem Teillastbetrieb ein Kraftstoff-Luftgemisch innerhalb des Zylinders zusätzlich verdichtet und dadurch einen erhöhten Innenwirkungsgrad der Brennkraftmaschine bewirkt. Derartige Verdichtungskolben sind bisher bereits Stand der Technik, bisher wurde jedoch noch nie ein Ein- und/oder Auslassventil einer Brennkraftmaschine durch einen derartigen Verdichtungskolben ersetzt. Hierdurch lässt sich insbesondere ein Bauraum in einem ohnehin beengten Zylinderkopf besser nutzen, da der Verdichtungskolben keinen zusätzlichen Platz erfordert, sondern anstelle eines Ein- oder Auslassventils angeordnet werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, ist der wenigstens eine Verdichtungskolben zu- und abschaltbar. Mit zunehmender Ladungsdichte durch hohe Aufladegrade (Hochaufladung) steigt zunehmend auch die Gefahr einer Selbstzündung an. Dies muss unbedingt vermieden werden, um die Brennkraftmaschine wirkungsgradoptimal betreiben zu können. Würde die Brennkraftmaschine unter derartigen Bedingungen mit einer hohen Grundverdichtung ausgelegt werden, müsste ein Zündzeitpunkt immer weiter in Richtung „spät” verschoben werden, mit entsprechend später Energieumsetzung, was mit spürbaren Wirkungsgradeinbußen verbunden wäre. Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, bei welcher der wenigstens eine Verdichtungskolben zu- und abschaltbar ist, kann eine schaltbare dynamische Verdichtungserhöhung erreicht und dadurch eine Klopfneigung reduziert werden, da eine Verdichtungsüberhöhung erst nach einer Gemischzündung erfolgt und bei höchster Belastung auf die niedrigere Basisverdichtung zurückgenommen werden kann. Unter Betriebsbedingungen mit hohem bzw. höchstem Ladedruck kann somit durch Abschalten des Ventilkolbens die dynamische Verdichtungsüberhöhung zurückgenommen werden, so dass der Volllastbetrieb mit einer betriebssicheren Grundverdichtung erfolgen kann. Ein Zu- bzw. Abschalten des Dichtungskolbens kann dabei bspw. Über eine ohnehin vorhandene Nockenwelle (bspw. mit angepasstem Stempel) erfolgen, wobei zwischen der Nockenwelle und dem Dichtungskolben eine Schalttasse oder ein Schiebenocken angeordnet ist. Hierdurch ist insbesondere erreichbar, dass im Teillastbereich die Verdichtung in der Kompressionsphase von bspw. 9,5 (Basiswert) bis 11 erhöht werden kann, was zu einem besseren Innenwirkungsgrad und damit günstigerem Kraftstoffverbrauch führt. Im Volllastbereich wird die Verdichtung auf den konstanten Basiswert von 9,5 durch Abschaltung des Verdichtungskolbens zurückgeführt. Je nach Positionierung des Verdichtungskolbens muss selbstverständlich ein Ein- bzw. Auslasstrakt hinsichtlich seiner Größe angepasst und möglichst strömungsgünstig ausgeführt werden, um einen Drosselverlust durch den Wegfall eines Ein- oder Auslassventils kompensieren zu können.
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Die Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine derart zu betreiben, dass der wenigstens eine Verdichtungskolben und ein Arbeitskolben synchron in einen Brennraum des Zylinders einfahren, oder dass der wenigstens eine Verdichtungskolben erst am ZOT (Zünd-Oberer-Totpunkt) in den Brennraum des Zylinders einfährt, wobei der Verdichtungskolben ein Volumen des Brennraums am Ende des Kompressionshubes des Arbeitskolbens am ZOT minimiert. Durch das temporäre Ein- und Ausfahren des Verdichtungskolbens um den ZOT-Bereich wird somit eine Ladungsbewegung zur optimalen Gemischbildung (z. B. Drallströmung) während einer Einlass- und Kompressionsphase ohne Störung durch den Verdichtungskolben generiert. Während des Einspritzvorgangs und der Gemischbildung im Verlauf der Kompression bleibt somit der Brennraum kompakt, d. h. es wird insbesondere eine Brennraumdach-Oberfläche nicht vergrößert, wodurch evtl. verbundene negative Kraftstoffanlagerungen am Verdichtungskolben ausgeschlossen werden können. Erst zum Zündzeitpunkt, an dem die Gemischbildung weitgehend abgeschlossen ist, fährt der Verdichtungskolben aus und erhöht die Verdichtung bis zum Maximum im ZOT, während die Verbrennung eingeleitet wird und eine Flammenfront fortschreitet. Erst in dieser Phase wird das Temperaturniveau durch zusätzliche Komprimierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erhöht, was zu einer schnelleren Verbrennung und damit zu einer näher am oberen Totpunkt stattfindenden Energieumsetzung mit positiven Auswirkungen auf den Innenwirkungsgrad führt. Weiterhin wird durch die frühe Verbrennungslage die Verbrennungsstabilität verbessert und zugleich die Gemischanreicherung, die zum thermischen Bauteilschutz benötigt wird, reduziert.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer Schnittdarstellung im Bereich eines Verdichtungskolbens,
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2a, b unterschiedliche Anordnungsmöglichkeiten eines erfindungsgemäß vorgesehenen Verdichtungskolbens bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine,
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3 ein Verdichtungsverhältnis mit und ohne erfindungsgemäßem Verdichtungskolben in Abhängigkeit eines Kurbelwinkels.
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Entsprechend der 1, weist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 einen Zylinder 2 auf, der üblicherweise zumindest zwei Einlassventile 3 und zwei Auslassventile 4 besitzt. Darüber hinaus ist ein in bekannter Weise im Zylinder 2 geführter Arbeitskolben 5 vorgesehen. Erfindungsgemäß ist nun zumindest eines der Einlassventile 3 und/oder eines der Auslassventile 4 durch einen Verdichtungskolben 6 ersetzt. Dieser wenigstens eine Verdichtungskolben 6 ist dabei vorzugsweise zu- und abschaltbar, wobei diese Zu- bzw. Abschaltung bspw. von einer zwischen einer Nockenwelle 7 und dem Ventilkolben angeordneten Schalttasse 8 bewirkt werden kann. Denkbar ist selbstverständlich auch der Einsatz eines sog. Schiebenockens zum Zu- bzw. Abschalten des Verdichtungskolbens 6.
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Generell kann die Nockenwelle 7 als einzige Nockenwelle auch zum Schalten der Ein- bzw. Auslassventile 3, 4 dienen, wobei selbstverständlich auch vorstellbar ist, dass die Nockenwelle 7 eine von zwei Nockenwellen 7, 7' der Brennkraftmaschine 1 darstellt.
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Betrachtet man die 2, so kann man erkennen, dass der Zylinder 2 ursprünglich vier Ventile, nämlich zwei Einlassventile 3 und zwei Auslassventile 4 aufwies, wobei gemäß der 2a eines der beiden Einlassventile 3 den Verdichtungskolben 6 ersetzt wurde, wogegen gemäß der 2b eines der beiden Auslassventile 4 durch den Verdichtungskolben 6 ersetzt wurde. Die Größe der Einlassventile 3, der Auslassventile 4 und/oder des Verdichtungskolbens 6 kann dabei individuell angepasst werden.
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Zur Reduzierung eines CO2-Ausstoßes werden zunehmend sog. aufgeladene Downsizing-Motoren mit reduziertem Hubraum eingesetzt, die generell niedriger verdichtet sind als Saugmotoren mit vergleichbarer Leistung und deshalb üblicherweise einen geringeren Innenwirkungsgrad besitzen. Mit steigendem Aufladegrad muss die Verdichtung immer weiter reduziert werden, um Wirkungsgradverluste durch eine Spätzündung, als Maßnahme gegen ein Klopfen, zu vermeiden. Im Teillastbereich hat ein geringeres Verdichtungsverhältnis generell negative Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch. Eine variable Verdichtung ist somit, insbesondere bei hoch aufgeladenen Turbomotoren von großer Bedeutung. Aus diesem Anlass schlägt die Erfindung vor, zumindest ein Einlassventil 3 und/oder ein Auslassventil 4 durch den Verdichtungskolben 6 zu ersetzen.
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Der Verdichtungskolben 6 kann dabei im Teillastbereich zu- und in einem Vollastbereich abgeschaltet werden, wobei dieser bspw. während einer Einspritzphase und während einer Gemischbildungsphase nicht in den Brennraum, d. h. in den Zylinder 2 der Brennkraftmaschine 1 einfährt. Durch dieses temporäre Ein- und Ausfahren des Verdichtungskolbens 6 um den ZOT-Bereich (Zünd-Oberer-Totpunkt) wird die Ladungsbewegung zur optimalen Gemischbildung (z. B. Drallströmung) während der Einlass- und Kompressionsphase ohne Störung durch den Verdichtungskolben 6 generiert. Während des Einspritzvorgangs und der Gemischbildung im Verlauf der Kompression bleibt somit der Brennraum kompakt, d. h. insbesondere wird eine Brennraumdach-Oberfläche nicht vergrößert, wodurch evtl. damit verbundene negative Kraftstoffanlagerungen am Verdichtungskolben ausgeschlossen werden können. Erst zum Zündzeitpunkt, an dem die Gemischbildung weitestgehend abgeschlossen ist, fährt der Verdichtungskolben 6 aus und erhöht die Verdichtung bis zum Maximum im ZOT, während die Verbrennung eingeleitet wird und eine Flammenfront fortschreitet. Erst in dieser Phase wird das Temperaturniveau durch zusätzliche Komprimierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erhöht, was zu einer schnelleren Verbrennung und damit einer näher am oberen Totpunkt stattfindenden Energieumsetzung mit positiven Auswirkungen auf den Innenwirkungsgrad führt. Des Weiteren wird durch die frühe Verbrennungslage die Verbrennungsstabilität verbessert und die Gemischanreicherung, die zum thermischen Bauteilschutz benötigt wird, reduziert.
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Mit zunehmender Ladungsdichte hingegen steigt die Gefahr der Selbstzündung stark an, was unbedingt vermieden werden muss, um die Brennkraftmaschine 1 wirkungsgradoptimal betreiben zu können. Da die Verdichtungsüberhöhung mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 erst nach der Gemischzündung erfolgt, und zudem der Verdichtungskolben 6 im Volllastbereich abgeschalten wird, kann eine Klopfneigung deutlich reduziert werden. Ein Basiswert der Verdichtung im Volllastbereich beträgt dabei ca. 9,5, während dieser im Teillastbereich durch Einfahren des Verdichtungskolbens 6 in den Zylinder 2 auf ca. 11 erhöht werden kann.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und insbesondere mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 kann somit ein gesteigerter Innenwirkungsgrad erreicht werden, wobei die erhöhte Verdichtung gemäß der 3 nur bis ca. 380° Kurbelwelle für den Basiswert des Volllastbereichs liegt. Betrachtet man die 3, so kann man erkennen, dass sich die obere Kurve, beginnend bei ca. 320° Kurbelwinkel, bis ca. 360° Kurbelwinkel zunehmend von der unteren Kurve entfernt, wobei die obere Kurve den zugeschalteten Verdichtungskolben 6 und die untere Kurve den abgeschalteten Verdichtungskolben 6 darstellt. Bei 380° Kurbelwinkel ist trotz zugeschaltetem Verdichtungskolben 6 wieder der Zustand wie bei abgeschaltetem Verdichtungskolben 6 erreicht, sodass die Verdichtungsüberhöhung lediglich in einem engen Bereich des ZOT-Bereichs (bei ca. 360°) erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69929239 T2 [0003]
- DE 3736724 A1 [0004]
- DE 10311229 A1 [0005]
