DE102010054520A1 - Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) mit zumindest einem ersten und einem zweiten Zylinder (2, 2'), mit einem ersten und einem zweiten, von einem Kurbeltrieb (3) hubbeweglich antreibbaren Kolben (4, 4'), wobei für jeden Zylinder (2, 2') zumindest ein Gaswechseleinlassventil (5, 5') und ein Gaswechselauslassventil (6, 6') vorgesehen ist, wobei die Gaswechselventile (5, 6) eines Zylinders (2) für eine Zylinderabschaltung hubvariabel sind und wobei für eine Verbrennungsluftzufuhr eine Sauganlage (7) und zur Abgasabfuhr eine Abgasanlage (8) vorgesehen ist, wobei die Sauganlage (7) und die Abgasanlage (8) durch eine Überbrückungsleitung (10) 9, 9') gasführend miteinander verbindbar sind und wobei bei einer Zylinderabschaltung die Gaswechselventile (5, 6) des abgeschalteten Zylinders (2) geöffnet sind und Gas aus dem abgeschalteten Zylinder (2) von dem Kolben (4) des abgeschalteten Zylinders (2) durch die Überbrückungsleitung (10) in den nicht abgeschalteten Zylinder (2') pumpbar ist. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden Emissionsvorteile während einer Schubabschaltung erzielt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die deutsche Offenlegungsschrift DE-OS 27 19 668 hingewiesen. Aus dieser ist ein Hubkolben-Viertakt-Dieselmotor bekannt. Bei dieser bekannten Brennkraftmaschine wird die Luft aus Verdichtungstakten von nicht zur Arbeitsabgabe herangezogenen Zylindern in ein Zwischenvolumen eingebracht. Das Zwischenvolumen ist aus den Luftzuführungen der zur Arbeitsabgabe vorgesehenen Zylinder gebildet. Damit in einem relativ großen Zwischenvolumen ausreichend verdichtete Luft auf der Einlassseite der Arbeitszylinder ansteht, ist die Gaswechselsteuerung der die verdichtete Luft liefernden Zylinder dieser Hubkolben-Viertakt-Brennkraftmaschine auf Zweitaktbetrieb umstellbar. Damit liefert jeder dieser Zylinder bei einer Umdrehung der Kurbelwelle verdichtete Luft in das Zwischenvolumen.
  • Eine Weiterbildung einer derartigen Hubkolben-Viertakt-Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 29 08 718 A1 bekannt. Aus dieser Offenlegungsschrift ist eine in geteilter Betriebsweise betreibbare Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, insbesondere eine niedrigverdichtbare Viertakt-Dieselbrennkraftmaschine, bekannt. Bei dieser ist zumindest beim Anlassen Luft aus dem Verdichtungstakt eines ersten Zylinders über ein Zwischenvolumen in einen zweiten, zur Arbeitsabgabe vorgesehenen Zylinder zugeführt. Diese Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder direkt oder mit einem gesonderten Verbindungskanal verbunden sind, der mit Steuerorganen ausgerüstet ist, wobei der Verbindungskanal den ersten Zylinder mit dem in der Taktfolge unmittelbar nacheilenden zweiten Zylinder verbindet.
  • Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2005 040 959 A1 eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine bekannt, die einlassseitig einen hubvariablen Ventiltrieb aufweist. Dieser hubvariable Ventiltrieb kann zusätzlich auch auslassseitig vorgesehen werden. Der hubvariable Ventiltrieb ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuernocke zur Hubeinstellung über einen Abschnitt verfügt, mit dem ein Nullhub, d. h. das Gaswechselventil öffnet nicht, möglich ist, so dass für die Brennkraftmaschine eine Zylinderabschaltung möglich ist. Dies bedeutet, dass bei den abgeschalteten Zylindern keine Kraftstoff-Einspritzung und Zündung erfolgt, so dass die abgeschalteten Zylinder von den befeuerten Zylindern geschleppt werden.
  • Der Vorteil bei diesem Zylinderabschaltbetrieb mit geschlossenen Gaswechseleinlass- und Gaswechselauslassventilen besteht darin, dass die befeuerten Zylinder nur ein sehr geringes Schleppmoment aufbringen müssen. Auch Emissionsprobleme treten direkt nach dem Abschalten der Zylinder kaum auf. Allerdings stellt das sogenannte „Ölziehen” bei längerer Zylinderabschaltung, durch den sich im abgeschalteten Zylinder aufbauenden Unterdruck, relativ große Probleme dar. Bei dieser Betriebsart wird aufgrund des Unterdrucks im Zylinder Schmiermittel bzw. Öl an den Kolbenringen vorbei in den Zylinder gezogen, welches bei anschließenden, wieder befeuerten Betrieb zu massiven Emissionsproblemen führt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit aufzuzeigen, um das Problem des „Ölziehens” zu verhindern.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung werden in vorteilhafter Weise Emissionsvorteile während und nach der Schubabschaltung eines Fahrzeuges erzielt, da weniger oder keine Kohlenwasserstoffe aus dem Schmiermittel teilweise verbrannt ausgestoßen werden. Bei Einsatz der Sperrelemente während der Schubabschaltung mit Zylinderabschaltung wird darüber hinaus der Luftstrom in der Abgasanlage verringert, es folgt eine geringere Abkühlung der Abgasreinigungsanlage, des Katalysators, und damit eine bessere Schadstoffkonvertierung bei Wiederbefeuerung sämtlicher Zylinder. Ferner wird in vorteilhafter Weise durch den Aufladeeffekt die Dynamik der Brennkraftmaschine deutlich erhöht.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
  • Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 können einfache Schaltelemente wie z. B. Schalttassen oder Schaltschlepphebel zum Einsatz kommen.
  • Die Ausführungen gemäß Patentanspruch 3 sind besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele.
  • Die Ausgestaltungen gemäß Patentanspruch 4 sind ebenfalls bevorzugte Ausführungsbeispiele, wobei hierbei insbesondere die Herstellkosten ausschlaggebend sind, welches System zum Einsatz kommen soll.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles in einer einzigen Figur näher erläutert.
  • 1 zeigt sehr schematisch eine erfindungsgemäß ausgestaltete Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine
  • 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäß ausgestaltete Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine 1. Die erfindungsgemäße Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel nur einen ersten und einen zweiten Zylinder 2, 2' auf, in denen ein erster und ein zweiter, von einem Kurbeltrieb 3 hubbeweglich antreibarer Kolben 4, 4' angeordnet sind. Eine Drehrichtung des Kurbeltriebs ist mit zwei strichpunktierten gekrümmten Pfeilen schematisch dargestellt. Für jeden Zylinder 2, 2' ist exemplarisch ein Gaswechseleinlassventil 5, 5' und ein Gaswechselauslassventil 6, 6' vorgesehen, es können auch je Zylinder 2, 2' mehrere Gaswechselventile 5, 5', 6, 6' vorgesehen werden. Zumindest die Gaswechselventile 5, 6 des Zylinders 2 sind hubvariabel für eine Zylinderabschaltung.
  • Für eine Verbrennungsluftzufuhr ist eine Sauganlage 7 und zur Abgasabfuhr eine Abgasanlage 8 vorgesehen, die in der vorliegenden Darstellung jeweils nur mit einem Zylinder 2, 2' in Wirkverbindung stehen. Die Sauganlage 7 und die Abgasanlage 8 sind durch eine Überbrückungsleitung 10 miteinander verbindbar. Zur Gasumleitung sind in diesem beispielhaften Ausführungsbeispiel ein erstes und ein zweites Sperrelement 9, 9' vorgesehen. Bei einer Zylinderabschaltung wird das Gaswechseleinlassventil 5, des abgeschalteten Zylinders 2 geöffnet, um Gas anzusaugen und das Gaswechselauslassventil 6 geöffnet, um Gas aus dem abgeschalteten Zylinder 2 von dem Kolben 4 durch die Überbrückungsleitung 10 in den nicht abgeschalteten Zylinder 2' zu pumpen. Weiter weist die Sauganlage 7 einen schematisch dargestellten Sammler 11 und die Abgasanlage 8 eine Abgasreinigungsanlage 12 auf. Eine Gasströmung ist mit einem Pfeil schematisch eingezeichnet. Eine Hubbewegung der Kolben 4, 4' ist durch zwei strichpunktierte gerade Pfeile ebenfalls schematisch dargestellt.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen die Gaswechselventile 5, 6 des abschaltbaren Zylinders 2 bei einer Zylinderabschaltung einen Teilhub auf. Dies kann beispielsweise mittels Schalttassen oder Schaltschlepphebeln erfolgen. In zwei besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen sind das erste und/oder das zweite Sperrelement 9, 9' eine Klappe oder ein Drehschieber. In Abhängigkeit der strömungstechnischen Randbedingungen können die Sperrelemente 9, 9' jeweils auch als Drosselklappe, wie das Sperrelement 9', oder als Umschaltventil, wie das Sperrelement 9, zur einfachen Absperrung des Überströmkanals 10 ausgestaltet sein, um die Abgasanlage 8 oder die Sauganlage 7 abzusperren. Selbstverständlich können die Sperrelemente 9, 9' die Abgasanlage 8 und/oder die Sauganlage 7 vollständig oder auch nur teilweise öffnen oder absperren. Als weitere bevorzugte Ausführungsvarianten kann die Hubvariabilität der Gaswechselventile 5, 6 des abschaltbaren Zylinders 2 kontinuierlich variabel oder schaltbar sein.
  • Zylinderabschaltung bedeutet, dass für zumindest einen Zylinder 2 eine Kraftstoffeinspritzung bzw. und/oder die Zündung ausgeblendet wird. Bezüglich des motorischen Ladungswechsels gibt es vier Möglichkeiten Zylinderabschaltung zu betreiben. Dabei kann unterschieden werden, ob ein Gaswechseleinlassventil 5 oder ein Gaswechselauslassventil 6 während der Zylinderabschaltung entsprechend dem beim Viertaktprinzip üblichen Zyklus geöffnet wird oder geschlossen bleibt.
    Variante 1: Gaswechseleinlass- und Gaswechselauslassventil geschlossen
    Variante 2: Gaswechseleinlass- und Gaswechselauslassventil offen (erfindungsgemäße Ausgestaltung)
    Variante 3: Gaswechseleinlassventil geöffnet, Gaswechselauslassventil geschlossen
    Variante 4: Gaswechseleinlassventil geschlossen, Gaswechselauslassventil geöffnet
  • Zu Variante 1:
  • Wie eingangs erwähnt, entspricht diese Zylinderabschaltvariante dem Stand der Technik und weist ein geringes Schleppmoment auf (wenig Verlustleistung für die befeuerten Zylinder). Es existieren die Probleme des „Ölziehens” bei Unterdruck im Zylinder.
  • Zur erfindungsgemäßen Variante 2:
  • Die erfindungsgemäße Variante weist ein ähnlich geringes Schleppmoment auf wie die Variante 1. In vorteilhafter Weise erreicht bei einer Zylinderabschaltung nur wenig unverbrannte Frischluft den Katalysator, wodurch dieser kaum abkühlt und die Emissionsgrenzen eingehalten werden können, da kurz nach Wiederbefeuerung der Zylinder die Konvertierungstemperatur des Katalysators erreicht ist.
  • Zu Variante 3:
  • Diese Variante der Zylinderabschaltung zeichnet sich in nachteilhafter Weise durch ein erhöhtes Schleppmoment aus.
  • Zu Variante 4:
  • Auch diese vierte Zylinderabschaltvariante zeichnet sich in negativer Weise durch ein erhöhtes Schleppmoment aus.
  • Somit wird erfindungsgemäß die Variante 2 vorgeschlagen. Erfindungsgemäß kann ein bekannter, hubvariabler Ventiltrieb ohne eine aufwendige mechanische Änderung eingesetzt werden. Der Gaswechselventilhub für das Gaswechseleinlassventil und das Gaswechselauslassventil ist vorzugsweise identisch für den abgeschalteten Zylinder und den nicht abgeschalteten Zylinder. Die unverbrannte Luft aus dem abgeschalteten Zylinder wird von der Abgasseite über die Überbrückungsleitung 10 und die Sperrelemente 9, 9' an die Einlassseite zurückgeführt. Die Sperrelemente 9, 9' werden bevorzugt zylindernah (wenn möglich direkt im Zylinderkopf) angeordnet, um keine Störeinflüsse mit anderen Zylindern zu generieren.
  • Die erfindungsgemäße Ausgestaltung bietet Emissionsvorteile, insbesondere während einer Schubabschaltung. Bei Einsatz der Sperrelemente 9, 9' während der Schubabschaltung in Verbindung mit einer Zylinderabschaltung wird der Luftstrom in der Abgasanlage 8 verringert (in Abhängigkeit der Anzahl der verwendeten Sperrelemente 9, 9'), es folgt eine geringere Abkühlung der Abgasreinigungsanlage 12 und damit eine bessere Schadstoffkonvertierung nach Abschaltung der Zylinderabschaltung. In vorteilhafter Weise wird zusätzlich durch den Aufladeeffekt die Dynamik der Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine erhöht, wodurch zusätzlich das Potential zur Senkung des Momentenvorhalts durch eine späte Zündung in der Motorapplikation ausgenutzt und damit der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine
    2
    erster Zylinder
    2'
    zweiter Zylinder
    3
    Kurbeltrieb
    4
    erster Kolben
    4'
    zweiter Kolben
    5
    erstes Gaswechseleinlassventil
    5'
    zweites Gaswechseleinlassventil
    6
    erstes Gaswechselauslassventil
    6'
    zweites Gaswechselauslassventil
    7
    Sauganlage
    8
    Abgasanlage
    9
    erstes Sperrelement
    9'
    zweites Sperrelement
    10
    Überbrückungsleitung
    11
    Sammler
    12
    Abgasreinigungsanlage
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 2719668 [0002]
    • DE 2908718 A1 [0003]
    • DE 102005040959 A1 [0004]

Claims (4)

  1. Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine (1) mit zumindest einem ersten und einem zweiten Zylinder (2, 2'), mit einem ersten und einem zweiten, von einem Kurbeltrieb (3) hubbeweglich antreibbaren Kolben (4, 4'), wobei für jeden Zylinder (2, 2') zumindest ein Gaswechseleinlassventil (5, 5') und ein Gaswechselauslassventil (6, 6') vorgesehen ist, wobei die Gaswechselventile (5, 6) eines Zylinders (2) für eine Zylinderabschaltung hubvariabel sind und wobei für eine Verbrennungsluftzufuhr eine Sauganlage (7) und zur Abgasabfuhr eine Abgasanlage (8) vorgesehen ist, wobei die Sauganlage (7) und die Abgasanlage (8) durch eine Überbrückungsleitung (10) und ein erstes und/oder ein zweites Sperrelement (9, 9') gasführend miteinander verbindbar sind und wobei bei einer Zylinderabschaltung die Gaswechselventile (5, 6) des abgeschalteten Zylinders (2) geöffnet sind und Gas aus dem abgeschalteten Zylinder (2) von dem Kolben (4) des abgeschalteten Zylinders (2) durch die Überbrückungsleitung (10) in den nicht abgeschalteten Zylinder (2') pumpbar ist.
  2. Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaswechselventile (5, 6) des abschaltbaren Zylinders (2) bei einer Zylinderabschaltung einen Teilhub aufweisen.
  3. Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Sperrelement (9, 9') eine Klappe oder ein Drehschieber oder ein kombiniertes Schaltelement ist.
  4. Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hubvariabilität der Gaswechselventile (5, 6) des abschaltbaren Zylinders (2) kontinuierlich variabel oder schaltbar ist.
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