DE102011000412A1

DE102011000412A1 - Kolbenmotor

Info

Publication number: DE102011000412A1
Application number: DE102011000412A
Authority: DE
Inventors: Michael Baum
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2012-08-02

Abstract

Kolbenmotor, insbesondere Sport- und/oder Rennmotor, mit Beaufschlagung der Kolbenräume über eine Sauganlage bzw. Saugspinne (1) mit integriertem elektromechanischem Druckgenerator (2).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenmotor nach Patentanspruch 1.
Zur Leistungssteigerung von Kolbenmotoren ist es allgemein bekannt, bei den Ladungswechselvorgängen die Brennräume des Kolbenmotors aufzuladen. Die Motoraufladung ist ein Verfahren, bei dem die Leistung von Verbrennungsmotoren durch Zuführen von Luft mit erhöhtem Druck gesteigert wird. Durch den höheren Druck wird der Füllungsgrad verbessert, so dass mehr Luft für die Verbrennung von Kraftstoff zur Verfügung steht, was die pro Arbeitstakt abgegebene Arbeit erhöht. Der Druck der vom Motor angesaugten Luft kann durch Gebläse oder durch Strömungseffekte erhöht werden. Allerdings kommt es durch die Aufladung auch zu höheren thermischen und mechanischen Belastungen des Motors. Deshalb sind der Leistungssteigerung durch diese Verfahren materialtechnische und konstruktive Grenzen gesetzt.
Allgemein bekannt sind mechanische Lader oder Kompressoren sowie Abgasturbolader. Ebenso ist eine Schwingrohraufladung bekannt, bei der sich im Betrieb des Kolbenmotors im Frischlufttrakt ausbildende Schwingungen zur Verbesserung der Aufladung genutzt werden. Hierbei kommen unterschiedlich lange Saugrohre zum Einsatz, wobei kürzere Saugrohre als Leistungsrohre bei relativ hohen Drehzahlen die Aufladung verbessern, während längere Saugrohre als Drehmomentrohre bei niedrigeren Drehzahlen des Kolbenmotors die Aufladung verbessern. Desweiteren gibt es Resonanzaufladung, die mit Eigenfrequenzen, die sich in dem durch den Frischlufttrakt gebildeten schwingungsfähigen System ausbilden, arbeitet. Darüber hinaus gibt es die sogenannte Impulsaufladung, bei der durch schnelles Öffnen und Schließen des Frischlufttrakts Druckimpulse erzeugt werden können, die ebenfalls zur Verbesserung der Aufladung der Brennräume nutzbar sind.
Die Aufladung mittels mechanischer Lader, Kompressoren und Abgasturbolader ist mit einem extrem hohen aparativen. Aufwand verbunden und dementsprechend kostspielig.
Die Schwingrohraufladung benötigt einerseits einen relativ großen Bauraum, da für jeden. Brennraum zwei unterschiedlich lange Saugrohre bereit gestellt werden müssen. Zum anderen ist die vorteilhafte Aufladungswirkung nur in relativ engen Frequenzbereichen gegeben, die mit entsprechenden Drehzahlen des Kolbenmotors korrelieren.
Im Gegensatz zur mechanischen Einspritzung, die lediglich Luftdruck und -temperatur als Einflussgrößen berücksichtigt, wird bei elektronischen Einspritzanlagen auch die angesaugte Luftmenge mit einem Luftmassenmesser gemessen. Aus diesen und anderen Werten (Restsauerstoff im Abgas, Kühlwassertemperatur, Drosselklappenstellung, Motordrehzahl, etc.) wird von der Motorsteuerung die optimale Einspritzmenge errechnet. Eine meist elektrische Einspritzpumpe nebst Druckregulierer stellen einen konstanten Kraftstoffdruck bereit. Über die Öffnungszeit der elektromagnetischen Einspritzventile wird dann die Einspritzmenge bestimmt.
Beispielsweise offenbart die EP 1299 622 B1 einen Druckimpulsgenerator, der einen Druckfluidkreislauf mit einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite und ein Druckimpulsgeneratorelement aufweist. Der Druckimpulsgenerator weist eine elektrische Vorrichtung auf, die eingerichtet ist, die Aktivierung oder Deaktivierung eines oder mehrerer Elektromagnete zum Zweck der Beeinflussung und des Bewegens der Ventile eines Ventilpaares zu steuern.
Die DE 195 10 723 B4 betrifft eine Saugrohranlage für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine. Die zu einer angestrebten Resonanzaufladung erforderlichen Saugrohrlängen werden durch entsprechende Krümmungsabschnitte der Einsaugrohre und durch die Fortführung der Einzelsaugrohre innerhalb des Ansaugverteilers bereitgestellt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kolbenmotor bereitzustellen, welcher eine hohe Motorleistung bei möglichst geringem Kraftstoffverbrauch und möglichst geringem CO2-Ausstoß, bei gleichzeitig verbesserten Drehmomentwerten in unteren Drehzahlbereichen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kolbenmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Merkmale beinhalten die Unteransprüche.
Die Erfindung schlägt dazu einen Kolbenmotor, insbesondere Sport- und/oder Rennmotor, mit Beaufschlagung der Kolbenräume über eine Sauganlage bzw. Saugspinne mit integriertem elektromechanischem Druckgenerator, insbesondere Druckwellen-Generator, vor. Ein innerhalb der Sauganlage bzw. Saugspinne angeordneter Druckgenerator hat u. a. den Vorteil, dass kein zusätzlicher Bauraum benötigt wird, wodurch die Integration innerhalb des Kolbenmotors vereinfacht wird. Mit dem innerhalb der Sauganlage bzw. Saugspinne angeordnetem Druckgenerator können auf einfache. Weise vorteilhafte Druckimpulse erzeugt werden, welche zur Verbesserung der Aufladung der Brennräume nutzbar sind.
Bei einer ersten Ausführungsform umfasst der Druckgenerator eine Schwingungs-Membran, die von einer, insbesondere spannungssteuerbaren, Tauchspule umschlossen ist, welche ihrerseits von einem Magneten umgeben ist.
Beispielsweise ist als Schwingungs-Membran eine Metall-Membran vorgesehen. Die Schwingungs-Membran kann beispielsweise in einem Rahmen aufgespannt sein.
Vorzugsweise, jedoch keinesfalls zwingend, kann die Schwingungs-Membran gummigelagert sein.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass eine für die Speisung der Tauchspule vorgesehene, eine korrespondierende Auslenkung der Schwingungs-Membran auslösende Spannung mittels eines Steuergerätes in Abhängigkeit von einem, insbesondere von einem Druckfühler gemessenen, Saugrohrdruck- und/oder Motordruckzahl-Wert steuerbar ist. Mit anderen Worten steuert das Steuergerät die Spannung für die Tauchspule in Abhängigkeit des vom Druckfühler gemessenen Saugrohrdrucks und/oder in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und der Motorlast. Je höher die Spannung an der Tauchspule ist, desto größer ist die Membranauslenkung (Lautsprecherprinzip).
In den Saugrohren oder einem Sammelsaugrohr sind bedingt durch die Ladungswechsel Druckspitzen vorhanden, die es zu verstärken gilt. Vom Steuergerät werden die Druckspitzen und die Frequenz des Druckverlaufs erkannt. Das. Steuergerät des Druckgenerators steuert die Membran mit einer Frequenz und Auslenkung dergestalt an, dass die vorhandenen Druckschwingungen in Resonanz geraten und sich dadurch erheblich verstärken.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Auslenkung und/oder die Schwingungsfrequenz dabei in Steuerabhängigkeit von dem Steuergerät im Sinne einer Resonanz zu den an sich vorhandenen Druckschwingungen und entsprechenden Verstärkung des in die Kolbenräume geförderten Luftvolumens steht. Durch diesen Effekt bedingt, kann mehr Luftvolumen (und somit eine größere Menge Sauerstoffmoleküle) in die Verbrennungsräume gefördert werden.
Zusammenfassend können die Vorteile des mit einem integrierten elektromechanischen. Druckgenerator versehenen Kolbenmotors wie folgt beschrieben werden:

– Höhere Motorleistung
– Weniger CO2-Ausstoß
– Mehr Drehmoment in unteren Drehzahlbereichen
– Einfache Integration innerhalb der Sauganlage ohne Benötigung zusätzlichen Bauraums.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die einzige Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt die schematisch dargestellte Sauganlage 1 (bei der Saugrohreinspritzung wird die Gemischbildung nicht im Brennraum, sondern vor dem Einlassventil, hinter der Drosselklappe vorgenommen) eines nicht näher dargestellten Kolbenmotors (beispielsweise handelt es sich bei dem nicht näher dargestellten Kolbenmotor um einen Boxermotor).
Die Sauganlage 1 umfasst u. a. die Saugrohre S1 und S2. Innerhalb der Sauganlage 1 ist ferner ein Druckwellen-Generator 2 angeordnet. Der Druckwellen-Generator 2 ist wie folgt aufgebaut:
Eine in einem Rahmen 3 aufgespannte und gummigelagerte Metallmembran 4 wird in. ihrem Zentrum 5 von einer Tauchspule 6 umschlossen, welche ihrerseits von einem Magneten 7 umgeben ist.
Ein dem Druckwellen-Generator 2 zugeordnetes Steuergerät 8, mit einem Mikroprozessor 9, steuert die Spannung für die Tauchspule 6 in Abhängigkeit des von einem Druckfühler gemessenen Saugrohrdrucks und in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und der Motorlast. Je höher die Spannung an der Tauchspule 6, desto größer ist die Membranauslenkung.
In den Saugrohren S1 und S2 sind bedingt durch die Ladungswechsel (siehe Pfeile L1 und L2) Druckspitzen vorhanden, die es zu verstärken gilt. Vom Steuergerät 8 werden die Druckspitzen und die Frequenz des Druckverlaufs erkannt. Das Steuergerät 8 steuert die Metallmembran 4 mit der Frequenz und der Auslenkung in der Form an, dass die vorhandenen Druckschwingungen in Resonanz geraten und sich dadurch verstärken.
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

EP 1299622 B1 [0007]
DE 19510723 B4 [0008]

Claims

Kolbenmotor, insbesondere Sport- und/oder Rennmotor, mit Beaufschlagung der Kolbenräume über eine Sauganlage bzw. Saugspinne (1) mit integriertem elektromechanischem Druckgenerator (2).
Kolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgenerator (2) eine Schwingungs-Membran (4) enthält, die von einer, insbesondere spannungssteuerbaren, Tauchspule (6) umschlossen ist, die ihrerseits von einem Magneten (7) umgeben ist.
Kolbenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Schwingungsmembran eine Metall-Membran vorgesehen ist.
Kolbenmotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungs-Membran (4) in einem Rahmen (3) aufgespannt ist.
Kolbenmotor nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungs-Membran (4) gummigelagert ist.
Kolbenmotor nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine für die Speisung der Tauchspule (6) vorgesehene, eine korrespondierende Auslenkung der Schwingungs-Membran (4) auslösende Spannung mittels eines Steuergerätes (8) in Abhängigkeit von einem, insbesondere von einem Druckfühler gemessenen, Saugrohrdruck- und/oder Motordruckzahl-Wert steuerbar ist.
Kolbenmotor nach einem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung und/oder die Schwingungsfrequenz in Steuerabhängigkeit von dem Steuergerät (8) im Sinne einer Resonanz zu den an sich vorhandenen Druckschwingungen und entsprechenden Verstärkung des in die Kolbenräume geförderten Luftvolumens steht.