DE102010038533A1 - Lifting cylinder combustion engine, has combustion chambers with pistons movably arranged in cylinders, where one chamber is provided for operating point for small load, and other chamber is provided for operating point for large load - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a reciprocating internal combustion engine with the features of the preamble of patent claim 1.
Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die deutsche Offenlegungsschrift
Eine ähnliche Brennkraftmaschine ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
Weiter sind aus der deutschen Offenlegungsschrift
Nachteilig an dem eingangs erwähnten Stand der Technik ist der zerklüftete Brennraum, wodurch insbesondere im Warmlauf der Brennkraftmaschine die HC-Emissionen hoch sind.A disadvantage of the above-mentioned prior art, the fissured combustion chamber, which in particular during warm-up of the engine, the HC emissions are high.
Nachteilig an dem zuletzt genannten Stand der Technik ist, dass variable Verdichtungsverhältnisse nur sehr aufwändig realisierbar sind.A disadvantage of the last-mentioned prior art is that variable compression ratios can be realized only with great difficulty.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine alternative Hubkolben-Brennkraftmaschine aufzuzeigen, deren Wirkungsgrad gegenüber einer herkömmlichen Hubkolben-Brennkraftmaschine deutlich verbessert ist.Object of the present invention is to show an alternative reciprocating internal combustion engine whose efficiency is significantly improved over a conventional reciprocating internal combustion engine.
Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the feature in the characterizing part of patent claim 1.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird durch eine Wirkungsgradverbesserung der Brennkraftmaschine ein Verbrauchsvorteil gegenüber herkömmlichen Brennkraftmaschinen erzielt, da jeder Zylinder in seinem optimierten Betriebspunkt betreibbar ist.Due to the configuration according to the invention, an improvement in the efficiency of the internal combustion engine achieves a consumption advantage over conventional internal combustion engines, since each cylinder can be operated at its optimized operating point.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.Preferred embodiments of the invention are set forth in the subclaims.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ist eine bevorzugte Möglichkeit, die erfindungsgemäße Lösung zur Aufgabe zu erzielen.The embodiment according to claim 2 is a preferred way to achieve the solution of the invention to the task.
Die Verdichtungsverhältnisse gemäß Patentanspruch 3 sind hierfür besonders geeignet.The compression ratios according to claim 3 are particularly suitable for this purpose.
Die Lastbereiche gemäß Patentanspruch 4 sind ebenfalls besonders bevorzugte Bereiche.The load ranges according to claim 4 are also particularly preferred ranges.
Eine weitere Kraftstoffersparnis durch einen verbesserten Wirkungsgrad wird mit einer Ausbildung gemäß Patentanspruch 5 erzielt.A further fuel economy through improved efficiency is achieved with a design according to claim 5.
Die Ausbildung gemäß Patentanspruch 6 lässt eine Zylinderabschaltung zu und führt zu einer nochmaligen Kraftstoffersparnis. The embodiment according to claim 6 allows a cylinder shutdown and leads to a further fuel economy.
Die Ausgestaltungen gem. den Patentansprüchen 7 und 8 steigert nochmals den Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Hubkolben-Brennkraftmaschine.The embodiments acc. The claims 7 and 8 again increases the overall efficiency of the reciprocating internal combustion engine according to the invention.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Figuren für zwei besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele näher erläutert.In the following the invention will be explained in more detail with reference to two figures for two particularly preferred embodiments.
Zur Erläuterung eines Mitteldrucks in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine:
Die für den Antriebszweck geforderte Arbeit in einem Arbeitsspiel einer Brennkraftmaschine kann sowohl aus einem Zylinder mit größerem als auch mit kleinerem Hubraum erzeugt werden. Diese Arbeit stellt für einen Zylinder mit kleinem Hubraum eine große Belastung dar, die gleiche Arbeit bedeutet für einen Zylinder mit einem großen Hubraum eine geringere Belastung. Diese Belastung besitzt in zweierlei Hinsicht eine Bedeutung:
- • Sie charakterisiert die mechanische und thermische Beanspruchung der Brennkraftmaschine einschließlich ihrer Lastzustände zwischen Leerlauf und Volllast.
- • Sie ermöglicht bei einer Gegenüberstellung der je Hubraumeinheit gewonnen Arbeit eine Einschätzung zum Entwicklungsstand der Brennkraftmaschine.
The required for the drive purpose work in a working cycle of an internal combustion engine can be generated both from a cylinder with a larger and smaller displacement. This work is a great burden for a cylinder with a small displacement, the same work means a lower load for a cylinder with a large displacement. This load has a meaning in two ways:
- • It characterizes the mechanical and thermal load of the internal combustion engine including its load conditions between idle and full load.
- • It allows for a comparison of the work won per displacement unit work an assessment of the state of development of the internal combustion engine.
Die je Arbeitsspiel gewonnene und auf das Hubvolumen bezogene Arbeit ist die spezifische Arbeit der Brennkraftmaschine, die unter dem Begriff Energiedichte oder auch Mitteldruck bekannt ist. Wird die ermittelte initiierte Arbeit auf das im Arbeitsspiel wirksame Zylinderhubvolumen bezogen, so entsteht die indizierte Energiedichte (indizierter Mitteldruck):
- Wi
- = indizierter Mitteldruck
- WihA
- = ermittelte initiierte Arbeit
- VhA
- = Hubvolumen
- wi
- = indicated mean pressure
- Wi hA
- = identified initiated work
- V hA
- = Stroke volume
Aus der Betrachtung der Einheiten ist ersichtlich, weshalb die spezifische Arbeit auch als Druck aufgefasst werden kann: Er ist der gedachte, mittlere Druck, der während eines Hubes im Arbeitsspiel dem Kolben die indizierte Arbeit mitteilt.From the consideration of the units it can be seen why the specific work can also be understood as pressure: It is the imaginary, mean pressure, which informs the piston of the indicated work during a stroke in the working cycle.
Analog zur indizierten Energiedichte werden weitere spezifische Arbeiten (Mitteldrücke) angegeben:
Mit der effektiv je Arbeitsspiel an der Brennkraftmaschinenkupplung gewonnene Arbeit (effektiver Mitteldruck):
- We
- = effektiver Mitteldruck
- WehA
- = effektive Arbeit
- VhA
- = Hubvolumen
With the work per effective working cycle at the engine clutch (effective medium pressure):
- We
- = effective medium pressure
- We hA
- = effective work
- V hA
- = Stroke volume
Weiter gilt im Folgenden: Weges = Wegesamt Next applies in the following: We ges = We total
Die Auslegung des Verdichtungsverhältnisses bei bekannten Hubkolben-Brennkraftmaschinen erfolgt normalerweise für den Volllastbetrieb, was den Nachteil mit sich bringt, dass im Teillastbetrieb der Wirkungsgrad aufgrund der geringeren effektiven Verdichtung geringer ist als im Volllastbetrieb.The design of the compression ratio in known reciprocating internal combustion engines is normally carried out for full load operation, which has the disadvantage that in part-load operation, the efficiency is lower due to the lower effective compression than in full load operation.
Um den Wirkungsgrad von Brennkraftmaschinen, insbesondere im Teillastbetrieb zu verbessern, ist es bekannt, beispielsweise eine variable Verdichtung der Verbrennungsluft oder eines Brennstoff-Luft-Gemisches zu steuern.In order to improve the efficiency of internal combustion engines, in particular in part-load operation, it is known, for example, to control a variable compression of the combustion air or a fuel-air mixture.
Dabei werden, wie oben bereits dargestellt, Konstruktionslösungen eingesetzt, die beispielsweise die rotierenden und/oder oszillierenden Massen des Kurbeltriebs in negativer Weise erhöhen oder insgesamt einen komplexen Aufbau des Kurbeltriebs zur Folge haben oder die ungünstige, zerklüftete Brennräume (Nebenkolben) aufweisen und somit die Schadstoffemissionen erhöhen.In this case, as already shown above, design solutions are used, for example, increase the rotating and / or oscillating masses of the crank mechanism in a negative way or overall complex structure of the crank mechanism result or have the unfavorable, fissured combustion chambers (slave piston) and thus the pollutant emissions increase.
Gegenüber diesem bekannten Stand der Technik wird daher erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der erste Brennraum einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine für einen Betriebspunkt für eine kleine Last (A) und der zweite Brennraum für einen Betriebspunkt für eine große Last (B) ausgelegt sind.Compared to this known prior art is therefore inventively proposed that the first combustion chamber of a multi-cylinder internal combustion engine for an operating point for a small load (A) and the second combustion chamber for an operating point for a large load (B) are designed.
Besonders bevorzugt weist hierbei der erste Brennraum ein größeres Verdichtungsverhältnis als der zweite Brennraum auf, wobei der erste Brennraum bevorzugt ein Verdichtungsverhältnis größer 10 und der zweite Brennraum ein Verdichtungsverhältnis kleiner 10 aufweist. Desweiteren ist der erste Zylinder bis zu einer Last von We = 1 kJ/dm3 bis 1,5 kJ/dm3 und der zweite Zylinder bis zu einer Last von We = 3 kJ/dm3 bis 4 kJ/dm3 betreibbar. Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades ergibt sich dadurch, dass für den zweiten Zylinder eine Aufladevorrichtung vorgesehen ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante sind der erste Zylinder und der zweite Zylinder gleichzeitig auch bei einem We-gesamt < 1 kJ/dm3 mit unterschiedlichen Mitteldrücken (
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Hubkolben-Brennkraftmaschine können für den ersten Zylinder und den zweiten Zylinder unterschiedliche Aufladevorrichtungen vorgesehen werden. Hierbei können beispielsweise unterschiedlich große Abgasturbolader oder ein Abgasturbolader und ein Kompressor vorgesehen werden. In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung nutzt die Aufladevorrichtung für den zweiten Zylinder auch die Abgasenergie aus dem ersten Zylinder.In a further development of the reciprocating internal combustion engine according to the invention, different charging devices can be provided for the first cylinder and the second cylinder. Here, for example, different sized exhaust gas turbocharger or an exhaust gas turbocharger and a compressor can be provided. In a particularly advantageous development, the charging device for the second cylinder also uses the exhaust gas energy from the first cylinder.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die erfindungsgemäße Hubkolben-Brennkraftmaschine auch mehr als zwei Brennräume aufweisen. Auch spielt es keine Rolle, ob die Hubkolben-Brennkraftmaschine in Reihenbauart oder V-Bauart vorliegt. Auch kann es sich um ein ottomotorisches oder dieselmotorisches Brennverfahren handeln.In a further embodiment, the reciprocating internal combustion engine according to the invention may also have more than two combustion chambers. Also, it does not matter if the reciprocating internal combustion engine is in Reihenbauart or V-type. It may also be an Otto engine or diesel engine combustion process.
Über die X-Achse ist der effektive Mitteldruck der gesamten Hubkolben-Brennkraftmaschine in einem Bereich von 0 bis 2,5 [kJ/dm3] aufgetragen. In diesem Ausführungsbeispiel steigt der effektive Mitteldruck für die Hubkolben-Brennkraftmaschine von 0 bis 1 [kJ/dm3] linear an, während dann der effektive Mitteldruck des Brennraums für den Betriebspunkt für die kleine Last (A) konstant bei 1 [kJ/dm3] bleibt. Der effektive Mitteldruck für den zweiten Brennraum für den Betriebspunkt für die große Last (B) steigt demgegenüber bis auf 3 [kJ/dm3] an. Der effektive Mitteldruck der gesamten Hubkolben-Brennkraftmaschine ist hierbei die Summe der zwei effektiven Einzeldrucke der zwei Brennräume geteilt durch 2.The effective mean pressure of the entire reciprocating internal combustion engine is plotted in a range from 0 to 2.5 [kJ / dm 3 ] over the X-axis. In this embodiment, the effective medium pressure for the reciprocating internal combustion engine increases linearly from 0 to 1 [kJ / dm 3 ], while then the effective mean pressure of the combustion chamber for the operating point for the small load (A) constant at 1 [kJ / dm 3 ] remains. The effective mean pressure for the second combustion chamber for the operating point for the large load (B), however, increases up to 3 [kJ / dm 3 ]. The effective mean pressure of the entire reciprocating internal combustion engine is the sum of the two effective individual pressures of the two combustion chambers divided by 2.
Deutlich erkennbar ist, dass im Niederlastbereich der effektive Mitteldruck des Brennraums für den Betriebspunkt für die kleine Last (A) deutlich höher liegt als für den zweiten Brennraum für die große Last (B) bis zu einem Weges von 1 [kJ/dm3]. Danach steigt der effektive Mitteldruck des Brennraumes, der für die große Last (B) ausgelegt ist, linear an, während der effektive Mitteldruck für den ersten Brennraum, der für die kleine Last (A) ausgelegt ist, wieder konstant auf 1 [kJ/dm3] bleibt.It can clearly be seen that in the low load range, the effective mean pressure of the combustion chamber for the operating point for the small load (A) is significantly higher than for the second combustion chamber for the large load (B) up to a path of 1 [kJ / dm 3 ]. Thereafter, the effective mean pressure of the combustion chamber designed for the large load (B) increases linearly while the effective mean pressure for the first combustion chamber designed for the small load (A) again becomes constant at 1 [kJ / dm 3 ] remains.
Hieraus folgt, dass die erfindungsgemäße Hubkolben-Brennkraftmaschine bis zu einem Weges von 1,0 [kJ/dm3] überwiegend mit dem Brennraum für die geringe Last (A) und darüber hinaus bis zu einem Weges von 3,0 [kJ/dm3] überwiegend mit dem Brennraum der ausgelegt ist für die große Last (B), betrieben wird. Hierbei ergibt sich das größtmögliche Kraftstoffeinsparpotential.It follows that the reciprocating internal combustion engine according to the invention up to a We ges of 1.0 [kJ / dm 3 ] predominantly with the combustion chamber for the low load (A) and beyond to a We ges of 3.0 [kJ / dm 3 ] predominantly with the combustion chamber is designed for the large load (B), is operated. This results in the greatest possible fuel economy.
Mit anderen Worten ausgedrückt:
Erfindungsgemäß erfolgt eine Differenzierung der Zylinder der Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Verwendungszweck, z. B. als Teillast- und Volllastzylinder. Die Teillastzylinder decken bevorzugt den Lastbereich bis z. B. We = 1 [kJ/dm3], die Volllastzylinder den Bereich bis We = 3 [kJ/dm3] ab. Diese Differenzierung kann weiter umfassen: die Verdichtung, z. B. 13 bei den Teillastzylindern und 10 bei den Volllastzylindern. Auch Einspritzung (Direkteinspritzung, Saugrohreinspritzung usw.), Ventilsteuerung, Aufladung, etc. können differieren.In other words:
According to a differentiation of the cylinder of the reciprocating internal combustion engine according to purpose, z. B. as part load and full load cylinder. The part-load cylinders preferably cover the load range up to z. W e = 1 [kJ / dm 3 ], the full-load cylinder the range to W e = 3 [kJ / dm 3 ] from. This differentiation may further include: compaction, e.g. B. 13 in the partial load cylinders and 10 in the full load cylinders. Also injection (direct injection, intake manifold injection etc.), valve control, charge, etc. may differ.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, die Betriebsstrategie so zu wählen, dass die Zylinder in ihrem „Spezialbereich” bevorzugt genutzt werden (
Durch die erfindungsgemäße Auslegung ergibt sich aufgrund einer Wirkungsgradverbesserung der Brennkraftmaschine ein Kraftstoffverbrauchsvorteil.Due to the inventive design results in fuel efficiency advantage due to an improvement in the efficiency of the internal combustion engine.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 2647091 A1 [0003] DE 2647091 A1 [0003]
- DE 102005024058 A1 [0004] DE 102005024058 A1 [0004]
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DE201010038533 DE102010038533A1 (en) | 2010-07-28 | 2010-07-28 | Lifting cylinder combustion engine, has combustion chambers with pistons movably arranged in cylinders, where one chamber is provided for operating point for small load, and other chamber is provided for operating point for large load |
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DE102010038533A1 true DE102010038533A1 (en) | 2012-02-02 |
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2010
- 2010-07-28 DE DE201010038533 patent/DE102010038533A1/en not_active Withdrawn
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