DE102011050990B4 - Hubkolbenverbrennungsmotor - Google Patents

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Abstract

Hubkolbenverbrennungsmotor mit einem Motorblock (10), mindestens einem Zylinder (12), der im Motorblock (10) ausgebildet ist, einem Zylinderkopf (14), der einen durch den Zylinder (12) gebildeten Zylinderraum (16) verschließt, einem Kolben (18) pro Zylinder (12), der im Zylinderraum (16) zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt axial auf und ab bewegbar ist, mindestens einem Brennstoffeinspritzventil (20) pro Zylinder (12), mindestens einem Einlasskanal (22) pro Zylinder (12), der mit dem Zylinderraum (16) über ein Einlassventil (23) fluidisch verbindbar ist und über den Ladeluft zuführbar ist, mindestens einem Auslasskanal (24) je Zylinder (12), der mit dem Zylinderraum (16) über ein Auslassventil (26) fluidisch verbindbar ist und über den Abgas abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasklappe (15) und Steuermittel vorgesehen sind, derart, dass die Steuerzeit der Auslassventile (26) verspätet in Bezug auf die Steuerzeit der Einlassventile (23) stattfindet und bei Schubbetrieb, bei ausgelöster Start-Stopp-Automatik oder bei Abschaltung des Motors die Einlassventile (23) und die Abgasklappe (15) geschlossen sind, derart, dass in und um die Zylinder (12) für einen Neustart oder Re-Start Abgas zurückgehalten bzw. eingeschlossen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenverbrennungsmotor mit einem Motorblock, mindestens einem Zylinder, der im Motorblock ausgebildet ist, einem Zylinderkopf, der einen durch den Zylinder gebildeten Zylinderraum verschließt, einem Kolben pro Zylinder, der im Zylinderraum zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt axial auf und ab bewegbar ist, mindestens einem Brennstoffeinspritzventil pro Zylinder, mindestens einem Einlasskanal pro Zylinder, wobei der Einlasskanal mit dem Zylinderraum über ein Einlassventil fluidisch verbindbar ist und über den Einlasskanal Ladeluft zuführbar ist, mindestens einem Auslasskanal pro Zylinder, wobei der Auslasskanal mit dem Zylinderraum über ein Auslassventil fluidisch verbindbar ist und über den Auslasskanal Abgas abführbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Hubkolbenverbrennungsmotors.
  • Derartige Motoren sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. So beschreibt die DE 10 2009 035 846 A1 einen Hubkolbenverbrennungsmotor, der nach dem Zweitaktprinzip arbeitet, der Mittel zur Variation der Öffnungsfläche der Auslassventile vorsieht, derart, dass ein hoher Anteil an Abgas dem Verbrennungsgemisch im jeweiligen Zylinder zugeführt ist. Eine derart aufgebaute Verbrennung ist insbesondere hinsichtlich einer Verringerung der Emissionswerte vorteilhaft. Auch ist es auf diese Art und Weise möglich, insbesondere in der Kaltstartphase, die Zylinder und damit den Verbrennungsmotor schneller in den Bereich der Betriebstemperatur zu führen. Derartige Motorenkonzepte weisen jedoch den Nachteil auf, dass insbesondere bei Schubbetrieb, also nach erfolgter Schubabschaltung, und beim Einsatz einer an sich bekannten Start-Stopp-Automatik die Betriebstemperatur des Motors schnell absinken kann und dementsprechend beim nachfolgenden Startvorgang wieder aufgebaut werden muss.
  • Als weiterer relevanter Stand der Technik seien die Schriften DE 10 2006 010 095 A1 , DE 10 2008 015 600 A1 , DE 10 2005 043 685 A1 , DE 10 2009 016 668 A1 , DE 198 21 130 B4 und die DE 101 30 633 B4 genannt.
  • Aus der DE 10 2006 010 095 A1 ist dabei ein Verfahren zur Steuerung einer Regeneration eines Partikelfilters in einer Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei Verbrennungszuluft über einen Verbrennungszuluftkanal mit einer Drosselklappe zugeführt wird und wobei Abgas in einem Abgaskanal über eine Abgasrückführung und/oder eine Niederdruck-Abgasrückführung rückgeführt wird, über die dem Verbrennungszuluftkanal Abgas zugeführt werden kann. Werden die Eingriffe der Drosselklappe und der Abgasrückführung und/oder der Niederdruck-Abgasrückführung in einer vordefinierten Reihenfolge vorgenommen, kann erreicht werden, dass der Partikelfilter vor Schäden durch Überhitzung geschützt wird und gleichzeitig der Fahrkomfort nicht beeinträchtigt wird.
  • Die DE 10 2008 015 600 A1 betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, wobei Abgas über einen Partikelfilter, insbesondere einen Dieselpartikelfilter, in eine Abgasanlage geleitet, für eine Niederdruckabgasrückführung (Niederdruck-AGR) stromab des Dieselpartikelfilters Abgas aus der Abgasanlage abgezweigt und stromauf eines Verdichters eines Abgasturboladers einer Frischluftanlage über ein Niederdruck-AGR-Ventil zugeführt wird, wobei ferner für eine Hochdruckabgasrückführung (Hochdruck-AGR) Abgas stromauf einer Turbine des Abgasturboladers aus der Abgasanlage abgezweigt und stromab des Verdichters der Frischluftanlage über ein Hochdruck-AGR-Ventil zugeführt wird. Hierbei wird während einer Regeneration des Partikelfilters das Hochdruck-AGR-Ventil vollständig geschlossen und das Niederdruck-AGR-Ventil wenigstens teilweise geöffnet.
  • In der DE 10 2005 043 685 A1 wird ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors mit Benzindirekteinspritzung und mit mehreren Zylindern, offenbart, wobei Kraftstoffverbrauch und Emissionen weiter minimiert werden, indem ein Teil der Zylinder in einer Betriebsart Schubabschaltung (SA), ein anderer Teil der Zylinder in einer Betriebsart Selbstzündung (SZ) betrieben wird.
  • Aus der DE 10 2009 016 668 A1 ist ein Brennverfahren für einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder, in dem ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird um einen Koben anzutreiben, bekannt. Das Verfahren weist die folgenden Merkmale auf: der oder die Zylinder werden, für alle Lastfälle des Verbrennungsmotors, stets voll befüllt; die Befüllung des oder der Zylinders weist einen relativ hohen Anteil an Restgas auf; das Luftverhältnis λ ist, für nahezu alle Lastfälle des Verbrennungsmotors, größer als 1; sowie die Fremdzündung ist als Raumzündung ausgeführt, die an nahezu allen zündfähigen Stellen der Befüllung des Zylinders stattfindet.
  • Die DE 198 21 130 B4 betrifft eine Brennkraftmaschine, die mit einer Motorstaubremse ausgestattet ist, bei der im Auspufftrakt eine Stauklappe angeordnet ist, um die Strömung von Abgas aus der Brennkraftmaschine zu unterbinden. Eine Steigerung der Leistung der Motorbremsleistung wird dadurch erreicht, dass eine Umgehungsleitung vorgesehen ist, die den stromaufwärts der Stauklappe angeordneten Abschnitt des Auspufftraktes mit dem stromabwärts der Stauklappe angeordneten Abschnitt des Auspufftraktes verbindet, und dass die Umgehungsleitung einen vorbestimmten Drosselquerschnitt aufweist.
  • In der DE 101 30 633 B4 wird ein Verfahren zur Regenerierung eines Partikelfilters offenbart. Rußfilter an Dieselmotoren neigen dazu, dass sie sich mit Ruß verlegen, da die katalytisch unterstützte Abbrenngeschwindigkeit ab einem gewissen Grad der Beladung nicht mehr für die Regenerierung ausreicht. Das erfindungsgemäße Verfahren zielt darauf ab, den Beladungsgrad des Partikelfilters genau zu erfassen. An einer mit der Brennkraftmaschine im Fahrzeug baugleichen Referenzkraftmaschine wird in Abhängigkeit relevanter Betriebsparameter die Rußbildung ermittelt und in einem Steuergerät (ECU) abgelegt. Ferner wird die Menge des abgebrannten Rußes im Partikelfilter in Abhängigkeit der Temperatur und des NO-Gehaltes über das Steuergerät (ECU) ermittelt. Aus beiden Werten wird eine Rußbilanz erstellt. Sobald über die Rußbilanz ermittelt wird, dass mehr Ruß entsteht als im Partikelfilter verbrennt, werden sofort Maßnahmen ergriffen, dass die Rußbildung in der Brennkraftmaschine reduziert und der Abbrand des Rußes im Partikelfilter erhöht wird. Durch diese Sofortmaßnahmen wird erreicht, dass die Überladung des Partikelfilters zielstrebig unterbunden wird.
  • Somit stellt sich die Aufgabe, einen Hubkolbenverbrennungsmotor bereitzustellen, der die oben genannten Nachteile vermeidet. Des Weiteren besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Hubkolbenverbrennungsmotors bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird bezüglich des Hubkolbenverbrennungsmotors dadurch gelöst, dass eine Abgasklappe und Steuermittel vorgesehen sind, derart, dass bei Schubbetrieb, bei ausgelöster Start-Stopp-Automatik oder bei Abschaltung des Motors die Einlassventile und die Abgasklappe geschlossen sind und die Steuerzeit der Auslassventile verspätet in Bezug auf die Steuerzeit der Einlassventile stattfindet, derart, dass in und um die Zylinder für einen Neustart oder Re-Start Abgas zurückgehalten bzw. eingeschlossen ist. Auf diese Weise wird das in den Zylindern und um die Zylinder befindliche Abgas benutzt, um die Kompression und damit die Temperatur in den Zylindern hoch zu halten. Beim erneuten Startvorgang des Hubkolbenverbrennungsmotors wird zunächst der Kolben über einen Anlasser angesteuert und ohne Verbrennung im Zylinder bewegt, wodurch das im System befindliche Abgas wiederum komprimiert wird und dementsprechend die Zylindertemperatur ohne Zündung erhöht wird.
  • Dadurch, dass im Zylinder eine Raumzündung, insbesondere durch Mikrowellen, vorgesehen ist, findet eine besonders gleichmäßige Zündung des im Zylinder befindlichen Gemisches statt, was sich insbesondere vorteilhaft auf die Nutzung eines hohen Abgasanteils in der Verbrennung auswirkt.
  • Vorzugsweise ist die Ladeluft durch eine Ladevorrichtung oder durch ein Druckluftreservoir bereitgestellt. Um die Ladeluftversorgung beim Startvorgang hinsichtlich Ladeluftmenge und gegebenenfalls Drallstärke optimal zu steuern, kann das Einlassventil derart ausgeführt sein, dass eine bedarfsgerechte Luftmengenregelung möglich ist. Hierbei kann in vorteilhafter Weise das Einlassventil ein Drehschieber- oder Klappenventil sein.
  • Des Weiteren wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines Hubkolbenverbrennungsmotors gelöst, wobei bei Schubabschaltung, bei Auslösen der Start-Stopp-Automatik oder bei Abschaltung des Motors die nachfolgenden Schritte ausgeführt werden:
    • Die Einlassventile werden nach Füllung der jeweiligen Zylinder mit Ladeluft für den jeweils letzten Verbrennungsvorgang geschlossen, der Verbrennungsvorgang wird in jedem Zylinder vollständig abgeschlossen, nach Abschluss des letzten Verbrennungsvorgangs wird die Abgasklappe geschlossen, die Steuerzeit der Auslassventile wird in Bezug auf die Steuerzeit der Einlassventile auf „Spät“ eingestellt, bei Neustart oder Re-Start wird das zurückgehaltene Abgas durch Kompression erwärmt, bevor Ladeluft und Brennstoff für eine Verbrennung zugeführt werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
    • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorblocks eines erfindungsgemäßen Hubkolbenverbrennungsmotors.
    • 2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Zylinders des erfindungsgemäßen Hubkolbenverbrennungsmotors in geschnittener Darstellung.
    • 3 zeigt schematisch die Steuerung eines Einlass- und Auslassventils.
  • 1 zeigt schematisch einen Motorblock 10 eines erfindungsgemäßen Hubkolbenverbrennungsmotors. Dabei weist der Motorblock 10 mehrere im Motorblock 10 ausgebildete Zylinder 12 auf, die durch einen Zylinderkopf 14 (siehe 2) verschlossen werden. Hierbei wird Ladeluft von einer nicht näher dargestellten Sauganlage zu Einlasskanälen 22 geführt, die durch Einlassventile 23 geöffnet oder geschlossen werden. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass unter „Ladeluft“ sowohl „reine“ aufgeladene Luft, als auch ein aufgeladenes Gasgemisch, das rückgeführtes Abgas beinhaltet, verstanden wird. Das verbrannte Abgas ist über Auslasskanäle 24 und darin angeordneten Auslassventilen 26 aus den jeweiligen Zylindern 12 abführbar. Des Weiteren ist in dieser Ansicht eine Abgasklappe 15 dargestellt, die im vorliegenden Fall im schematisch dargestellten Abgaskrümmer 17 angeordnet ist.
  • 2 zeigt nun eine Seitenansicht eines Zylinders 12 des erfindungsgemäßen Hubkolbenverbrennungsmotors in geschnittener Darstellung. Hierbei ist in einem Zylinderraum 16 ein Kolben 18 gleitend angeordnet, der zum Antrieb des Hubkolbenverbrennungsmotors in bekannter Weise mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle gekoppelt ist. Zur Abdichtung des Verbrennungsraumes sind am Umfang des Kolbens 18 zwei axial übereinander angeordnete Kolbenringe 44 angeordnet.
  • In 2 befindet sich der axial auf und ab bewegbare Kolben 18 in seinem unteren Totpunkt. Unmittelbar oberhalb eines Kolbenbodens 42 mündet in den Zylinder 12 der Einlasskanal 22, durch den Verbrennungsgas, welches üblicher Weise aus Ladeluft und gegebenenfalls rückgeführtem Abgas besteht, in den Zylinderraum 16 gelangt.
  • In dem Einlasskanal 22 ist ein Einlassventil 23 angeordnet, welches im vorliegenden Fall als Klappe ausgebildet ist. Im vorliegenden Fall mündet der Einlasskanal 22 tangential in den Zylinderraum 16, so dass im Zylinderraum ein Drall entsteht. An der Zylinderwand 12 ist lediglich beispielhaft ein Brennstoffeinspritzventil 20 angeordnet. Es sollte deutlich sein, dass auch noch weitere Brennstoffeinspritzventile im Zylinderraum 16 angeordnet sein können.
  • Der Zylinderraum 16 wird durch den Zylinderkopf 14 begrenzt, in dem ein Auslasskanal 24 ausgebildet ist, der ein Auslassventil 26 aufweist. Im Zylinderkopf 14 ist des Weiteren eine zentrale Zündbohrung 21 vorgesehen als Mündung eines Wellenleiters zur Einstrahlung von Mikrowellen in den Zylinderraum 16 zur Bewirkung der Raumzündung.
  • Arbeitet der beschriebene Hubkolbenverbrennungsmotor im Zweitaktverfahren, ergeben sich die nachfolgend beschriebenen Bewegungen und Strömungen im Zylinder 12 ausgehend vom oberen Totpunkt des Kolbens 18.
  • Bei geschlossenem Auslassventil 26 und somit geschlossenem Auslasskanal 24 findet die Verbrennung mit der damit verbundenen Expansion des Verbrennungsgases statt, die dazu führt, dass der Kolben 18 nach unten bewegt wird.
  • Im Folgenden gleitet der Kolben 18 am Einlasskanal 22 entlang und gibt diesen frei, wodurch Ladeluft oder ein Gasgemisch in den Zylinder 12 gefüllt wird, dessen Größe von der Stellung des Einlassventiles 23 abhängt. Während dieser Füllungsphase findet eine Einspritzung über das Einspritzventil 20 bei geöffnetem Auslassventil 26 statt.
  • Bei geöffnetem Auslassventil 26 erreicht der Kolben 18 den unteren Totpunkt seiner Wellenbewegung, die sich daraufhin von der Kurbelwelle getrieben nach oben fortsetzt. Zu diesem Zeitpunkt findet über das Brennstoffeinspritzventil 20 die Einspritzung in den Zylinderraum 16 statt. Bei der folgenden weiteren Aufwärtsbewegung des Kolbens 18 und dem Überdruck des frischen Gasgemisches wird das durch die vorhergehende Verbrennung entstandene Abgas ausgestoßen, welches im Wesentlichen schichtförmig oberhalb des frisch angesaugten Gasgemisches angeordnet ist. Nach dem Verschluss des Einlasskanales 22 wird das Auslassventil 26 und damit der Auslasskanal 24 geschlossen, so dass im Folgenden die Kompressionsphase beginnt und der Kolben 18 sich wieder in Richtung des oberen Totpunktes bewegt, zu welchem Zeitpunkt dann auch die Raumzündung durch das Einleiten von Mikrowellen in eine Bohrung 21 stattfindet. Dabei kann im normalen Betrieb die Öffnung des Auslassventils 26 in Bezug auf den unteren Totpunkt auch verfrüht vorgenommen werden, um gegebenenfalls, unterstützt durch eine Variation der Öffnungsfläche des Auslassventils 26, dafür zu sorgen, dass eine größere Menge Abgas im Zylinderraum 16 des Zylinders 12 nach der Verbrennung verbleibt.
  • Um die Verbrennung des erfindungsgemäßen Hubkolbenverbrennungsmotors noch weiter zu optimieren, sind nicht weiter dargestellte Steuermittel vorgesehen, die bei Schubabschaltung, die für einen Schubbetrieb notwendig ist, bei Abschaltung des Motors oder bei Auslösen der Start-Stopp-Automatik den nachfolgend beschriebenen Arbeitsprozess des Hubkolbenverbrennungsmotors auslöst. Hierzu werden bei Schubabschaltung, bei Abschaltung des Motors oder bei Auslösen der Start-Stopp-Automatik die Einlassklappennachfüllung der jeweiligen Zylinder 12 mit Ladeluft oder einem Verbrennungsgasgemisch für den jeweils letzten Verbrennungsvorgang geschlossen. Danach wird der Verbrennungsvorgang, wie oben, in jedem Zylinder 12 vollständig abgeschlossen. Nach Abschluss des letzten Verbrennungsvorganges wird die Abgasklappe 15 geschlossen, so dass Abgas in und um die Zylinder 12 herum verbleiben kann. Wie in 3 dargestellt, wird die Steuerzeit der Auslassventile 26 in Bezug auf die Steuerzeit der Einlassventile 23 (im vorliegenden Beispiel bedeutet dies auch in Bezug auf den unteren Totpunkt) auf „Spät“ eingestellt. Hierdurch wird gewährleistet, dass möglichst viel Abgas in und um den Zylindern 12 herum für eine sichere Verbrennung bei einem Neustart/ReStart verbleibt. „EÖ“ steht für Einlassventil öffnen, „ES“ für Einlassventil schließen, „AÖ“ für Auslassventile öffnen und „AS“ für Auslassventil schließen.
  • Im Schubbetrieb wird nun durch Kompression des in den Zylindern 12 befindlichen Abgases die Zylindertemperatur hoch gehalten, so dass bei nachfolgender Zündung für den herkömmlichen Verbrennungsvorgang wenig Verluste entstehen.
  • Bei Einsatz der Start-Stopp-Automatik oder bei Neustart können die ersten Kompressionen, ausgelöst durch einen Anlasser, dazu genutzt werden, die Zylindertemperatur durch die Kompression des in den Zylindern 12 befindlichen Abgases ohne Zündung zu erhöhen, so dass auch hier der herkömmliche Verbrennungsvorgang ohne wesentliche Verluste gestartet werden kann.

Claims (6)

  1. Hubkolbenverbrennungsmotor mit einem Motorblock (10), mindestens einem Zylinder (12), der im Motorblock (10) ausgebildet ist, einem Zylinderkopf (14), der einen durch den Zylinder (12) gebildeten Zylinderraum (16) verschließt, einem Kolben (18) pro Zylinder (12), der im Zylinderraum (16) zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt axial auf und ab bewegbar ist, mindestens einem Brennstoffeinspritzventil (20) pro Zylinder (12), mindestens einem Einlasskanal (22) pro Zylinder (12), der mit dem Zylinderraum (16) über ein Einlassventil (23) fluidisch verbindbar ist und über den Ladeluft zuführbar ist, mindestens einem Auslasskanal (24) je Zylinder (12), der mit dem Zylinderraum (16) über ein Auslassventil (26) fluidisch verbindbar ist und über den Abgas abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasklappe (15) und Steuermittel vorgesehen sind, derart, dass die Steuerzeit der Auslassventile (26) verspätet in Bezug auf die Steuerzeit der Einlassventile (23) stattfindet und bei Schubbetrieb, bei ausgelöster Start-Stopp-Automatik oder bei Abschaltung des Motors die Einlassventile (23) und die Abgasklappe (15) geschlossen sind, derart, dass in und um die Zylinder (12) für einen Neustart oder Re-Start Abgas zurückgehalten bzw. eingeschlossen ist.
  2. Hubkolbenverbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Zylinder (12) eine Raumzündung, insbesondere durch Mikrowellen, vorgesehen ist.
  3. Hubkolbenverbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluft durch eine Ladevorrichtung oder durch ein Druckluftreservoir bereitgestellt ist.
  4. Hubkolbenverbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (23) derart ausgeführt ist, dass eine bedarfsgerechte Ladeluftmengenregelung möglich ist.
  5. Hubkolbenverbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (23) ein Drehschieber- oder Klappenventil ist.
  6. Verfahren zum Betreiben eines Hubkolbenverbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Schubabschaltung, bei Auslösen der Start-Stopp-Automatik oder bei Abschaltung des Motors die nachfolgenden Schritte ausgeführt werden: - die Einlassventile (23) werden nach Füllung der jeweiligen Zylinder (12) mit Ladeluft für den jeweils letzten Verbrennungsvorgang geschlossen, - der Verbrennungsvorgang wird in jedem Zylinder (12) vollständig abgeschlossen, - nach Abschluss des letzten Verbrennungsvorganges wird die Abgasklappe (15) geschlossen, - die Steuerzeit der Auslassventile (26) wird in Bezug auf die Steuerzeit der Einlassventile (26) auf „Spät“ eingestellt, - bei Neustart oder Re-Start wird das zurückgehaltene Abgas durch Kompression erwärmt, bevor Ladeluft und Brennstoff für eine Verbrennung zugeführt werden.
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