DE102012002566A1

DE102012002566A1 - Heat engine, particularly four-stroke petrol and diesel engine for use with combustion air injection, has compressed air storage for cylinder filling, where variable compaction takes place based on filling degree at constant cylinder volume

Info

Publication number: DE102012002566A1
Application number: DE201210002566
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-06
Filing date: 2012-02-06
Publication date: 2013-08-08

Abstract

The heat engine has a compressed air storage for cylinder filling, an engine control device with a combustion air characteristic field. The purge air flow is passed into the inflation air flow by closure of the exhaust valve (4) for exhaust residue discharge. The combustion air injection takes place in the charge exchange stroke before the power stroke, in which the piston moves from the bottom to top dead center of the cylinder and the residual exhaust gases are flushed out by the inflowing combustion air. The variable compaction is carried out based on different filling degree at constant cylinder volume by variable activation periods of compressed air injectors (2) and variable opening cross-sections. An independent claim is included for an operating method for a heat engine.

Description

Bei einem Vergleich des Kolbenmotors mit der Gasturbine stellt man fest, dass die Vorgänge im Kolbenmotor nacheinander im selben Raum ablaufen, während sie bei einer Gasturbine gleichzeitig an verschiedenen Stellen des Triebwerkes stattfinden. Bei der Gasturbine wird im Gegensatz zum Kolbenmotor mit kontinuierlicher Verbrennung gearbeitet. Dies führt zu einer besseren Nutzung und damit zu einer kleineren Leistungsmasse der Gasturbine. Durch die Kombination der Eigenschaften eines Verdichters einer Gasturbine mit einem Kolbenmotor entfallen bei einem Viertaktmotor die beiden Takte Ansaugen und Verdichten. Das entspricht einer 360°-Drehung der Kurbelwelle und der Wegfall der Reibleistung von Kurbeltrieb und Einlassventilsteuerung sowie geminderte Wärmeverluste. Die Nachteile wie beispielsweise die Abnahme des Drehmomentes bei niedrigen oder höheren Drehzahlen, verursacht durch fehlende Gasdynamik bzw. Verkürzung der Einströmzeiten, sowie Spülverluste entfallen. Grund genug das nun ca. 140 Jahre alte Arbeitsverfahren zu überdenken. Im Folgenden wird ein Motor beschrieben, der nach seinen Arbeitsverfahren als Zweitaktmotor eingestuft werden kann.In a comparison of the reciprocating engine with the gas turbine, it can be seen that the processes in the reciprocating engine run sequentially in the same room, while they take place in a gas turbine simultaneously at different points of the engine. The gas turbine works in contrast to the piston engine with continuous combustion. This leads to a better use and thus to a smaller power mass of the gas turbine. By combining the characteristics of a compressor of a gas turbine with a piston engine omitted in a four-stroke engine, the two clocks suction and compression. This corresponds to a 360 ° rotation of the crankshaft and the elimination of the frictional losses of the crank mechanism and intake valve control as well as reduced heat losses. The disadvantages such as the decrease in torque at low or higher speeds, caused by lack of gas dynamics or shortening of Einströmzeiten, and rinsing losses omitted. Reason enough to rethink the now about 140 years old work process. The following describes an engine that can be classified as a two-stroke engine according to its working method.

Der Zweitaktmotor benötigt für ein Arbeitsspiel zwei Kolbenhübe bzw. eine Kurbelwellenumdrehung. Ein Arbeitsspiel beschreibt die Bewegung des Kolbens vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT) und umgekehrt. Das neue daran, bei diesem Motor wird die gesamte Verbrennungsluft unter Druck mittels einem Druckluftinjektor in den Zylinder eingeblasen. Der Einblasvorgang erfolgt in den optimierten Auslasstakt. Der ursprüngliche Auslasstakt wird zum Ladungswechseltakt. Aufgrund des geänderten Übersetzungsverhältnisses, Kurbelwelle-Auslassnockenwelle, von 2-1 auf nun 1-1 passen sich die Auslasssteuerzeiten diesem Arbeitsverfahren an. Durch das positive Spülgefälle (steigender Zylinderinnendruck höher als Abgasgegendruck) wird die Ladungswechselarbeit wesentlich erleichtert. Die Entkoppelung des Ansaug- und Verdichtungstaktes vom Arbeitsverfahren ist charakterisierend für diesen Motor. Über den gesamten Betriebsbereich, vom Leerlauf bis zur Volllast, arbeitet er als aufgeladenen Motor. Bislang lief ein herkömmlich aufgeladene Motor im Leerlauf- und unteren Teillastbereich im Saugbetrieb. Das System gleicht vom Aufbau her der Common-Rail-Einspritzung.The two-stroke engine requires two piston strokes or one crankshaft revolution for one working cycle. A working cycle describes the movement of the piston from top dead center (TDC) to bottom dead center (TDC) and vice versa. The new thing about it, in this engine, the entire combustion air is injected under pressure by means of a Druckluftinjektor in the cylinder. The blowing process takes place in the optimized exhaust stroke. The original exhaust stroke becomes the charge cycle cycle. Due to the changed gear ratio, crankshaft exhaust camshaft, from 2-1 to now 1-1, the exhaust timing adapts to this working method. Due to the positive purging gradient (increasing internal cylinder pressure higher than exhaust backpressure), the charge exchange work is much easier. The decoupling of the intake and compression stroke from the working process is characteristic of this engine. Over the entire operating range, from idling to full load, it works as a supercharged engine. So far, a conventionally charged engine in the idling and lower part load range was running in the suction mode. The system is structurally similar to common rail injection.

Ein Luftverdichter befüllt während des Betriebes einen Druckluftspeicher. Der Druckluftspeicher ersetzt den Ansaugkrümmer. Die Druckluftinjektoren sind entweder direkt oder indirekt über Rohrleitungen mit dem Druckluftspeicher verbunden. Die Druckluftinjektoren ersetzen die Einlassventile und werden elektromagnetisch betrieben sowie vom Motorsteuergerät angesteuert. Hierfür ist ein eigenes Kennfeld hinterlegt. Durch einen Druckluftinjektor mit variabler Düse können unterschiedliche Zylinderdrücke in verschiedenen Lastbereichen gefahren werden. Dies kommt einer vorher variablen Verdichtung gleich. Durch die mit Druck und hoher Geschwindigkeit an dem Druckluftinjektor austretende Luft wird der Umgebung viel Wärme entzogen, was die innere Kühlung verbessert und wodurch die Klopfneigung (bei Benzinbetrieb) abnimmt.An air compressor fills a compressed air reservoir during operation. The compressed air reservoir replaces the intake manifold. The compressed air injectors are connected either directly or indirectly via pipes to the compressed air reservoir. The compressed air injectors replace the intake valves and are operated electromagnetically and controlled by the engine control unit. For this purpose, a separate map is stored. By means of a compressed air injector with variable nozzle different cylinder pressures in different load ranges can be driven. This equals a previously variable compression. The air exiting the compressed air injector at high pressure and pressure deprives the environment of much heat, which improves internal cooling and decreases the tendency to knock (in gasoline mode).

Der Motor mit Verbrennungslufteinblasung hat folgende Merkmale:

– Betrieb mit Benzin, Gas und Diesel
– Innere Gemischbildung Während des Ladungswechseltaktes gelangt das Abgas vom Zylinder in den Abgaskrümmer und Verbrennungsluft über den Druckluftinjektor in den Zylinder. Das Kraftstoffluftgemisch wird durch Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder während des Ladungswechseltaktes gebildet.
– Gleichraumverbrennung bei Benzin und Gasbetrieb
– Gleichdruckverbrennung bei Dieselbetrieb
– Quantitätsregelung Die Menge der Verbrennungsluft regelt nicht mehr die Drosselklappe, sondern die zeitliche Ansteuerung der Druckluftinjektoren sowie deren Öffnungsquerschnitt. (Abweichung vom Ottomotor)
– Qualitätsregelung Die Menge des eingespritzten Kraftstoffes wird durch die Ansteuerzeit der Einspritzventile verändert (wie beim Dieselmotor).
– Druckluftinjektoren als Ersatz für Einlassventil
– Druckluftspeicher mit Sensoren
– Motorsteuergerät mit Verbrennungsluftkennfeld
– Zylinderkopf mit drei Auslassventilen (Regelfall)
– Abgasturbolader mit zusätzlichen Axialverdichter
– Mehrstufiger Abgasturbolader
– Abgasturbolader mit Elektroantrieb

The engine with combustion air injection has the following features:

- Operation with gasoline, gas and diesel
- Internal mixture formation During the charge cycle, the exhaust gas passes from the cylinder into the exhaust manifold and combustion air via the Druckluftinjektor in the cylinder. The fuel-air mixture is formed by injecting fuel into the cylinder during the charge cycle cycle.
- Equilibrium combustion in gasoline and gas operation
- Constant pressure combustion in diesel operation
- Quantity control The amount of combustion air no longer regulates the throttle valve, but the timing of the compressed air injectors and their opening cross-section. (Deviation from gasoline engine)
- Quality control The amount of injected fuel is changed by the actuation time of the injectors (as with the diesel engine).
- Compressed air injectors as a replacement for intake valve
- Compressed air storage with sensors
- Engine control unit with combustion air map
- Cylinder head with three exhaust valves (standard case)
- Exhaust gas turbocharger with additional axial compressor
- Multi-stage turbocharger
- Exhaust gas turbocharger with electric drive

1. Arbeitsweise des Verbrennungsmotors mit Verbrennungslufteinblasung-Benzinbetrieb1. Operation of the internal combustion engine with combustion air injection gasoline operation

Ladungswechseltakt:Charge cycle clock:

Das Auslassventil öffnet ca. 40–90° vor UT. Durch den am Ende des Arbeitstaktes noch vorhandenen Verbrennungsrestdruckes von 3–5 bar puffen die bis zu 900°C heißen Abgase mit Schallgeschwindigkeit aus dem Zylinder. Im Bereich des unteren Totpunktes öffnet der Druckluftinjektor und bläst einen kurzen aber kräftigen Spülluftstrom abwärtsgerichtet zum Kolbenboden, durch dessen Form er umgelenkt und in Richtung Auslassventil geführt wird. Das Auslassventil schließt ca. 20–40°KW nach UT. Beim jetzt aufwärts gehenden Kolben öffnet der Druckluftinjektor ein zweites Mal und füllt den Zylinder mit nur soviel Verbrennungsluft, dass sich je nach Drehzahl und Drehmoment ein zündfähiges Gemisch von fett über stöchiometrisch bis mager einstellt. Nach dem Schließen des Druckluftinjektors wird in den entstandenen Luftwirbel Kraftstoff fein zerstäubt eingespritzt. Das sich dann bildende Kraftstoffluftgemisch wird mittels Funke je nach Drehzahl 0–40°KW (Kurbelwinkel) vor OT entflammt. Die Ansteuerung des Druckluftinjektors wird bei immer höheren Drehzahlen und damit immer kürzer werdenden Zeitspannen bis hin zu einer Ansteuerung verschoben. Der Spülluftstrom geht dann durch Schließen des Auslassventils in den Füllluftstrom über.The outlet valve opens approx. 40-90 ° before UT. As a result of the residual combustion pressure of 3-5 bar remaining at the end of the power stroke, the exhaust gases, which are up to 900 ° C, puff out of the cylinder at the speed of sound. In the area of the bottom dead center, the compressed air injector opens and blows a short but powerful purging air flow downwards to the piston crown, through the shape of which it is deflected and guided in the direction of the outlet valve. The exhaust valve closes approx. 20-40 ° KW to UT. When now going up piston opens the Druckluftinjektor a second time and fills the cylinder with only so much combustion air, that depending on the speed and torque an ignitable mixture of rich over Stoichiometric to lean sets. After the compressed air injector is closed, fuel is sprayed into the resulting air vortex in a finely atomized state. The then forming fuel air mixture is ignited by spark depending on the speed 0-40 ° CA (crank angle) before TDC. The control of the compressed air injector is shifted at ever higher speeds and thus ever shorter periods of time up to a control. The scavenging air flow then passes by closing the exhaust valve in the filling air flow.

Arbeitstakt:Power stroke:

Die Verbrennung wird durch das Überspringen des Zündfunkens an den Elektroden der Zündkerze eingeleitet. Die Expansion der bis 2500°C heißen Gase treibt den Kolben zum unteren Totpunkt, die Wärmeenergie wird in mechanische Energie umgewandelt. Der Verbrennungshöchstdruck von 30–60 bar steht 4–10°KW nach OT zur Verfügung.The combustion is initiated by the skipping of the spark at the electrodes of the spark plug. The expansion of the up to 2500 ° C hot gases drives the piston to the bottom dead center, the heat energy is converted into mechanical energy. The maximum combustion pressure of 30-60 bar is available 4-10 ° CA after TDC.

1.1. Anlassvorgang beim Motor mit Benzinbetrieb (Mehrzylindermotor)1.1. Starting process with the engine with gasoline operation (multi-cylinder engine)

Nach dem Einschalten der Zündung läuft ein Elektromotor an, der z. B. einen zweistufigen Axialverdichter antreibt. Der Axialverdichter sitzt unmittelbar vor dem Radialverdichter eines Abgasturboladers und kann über eine Freilaufkupplung mit ihm gekoppelt werden. Dieser Axialverdichter fördert jetzt einige Sekunden lang Verbrennungsluft in den Druckluftspeicher bis hin zur Stopfgrenze. Über den Druckluftsensor am Speicher erkennt das Motorsteuergerät den vorprogrammierten Wert (Soll-Ist-Vergleich), steuert den entsprechenden Druckluftinjektor (Kolben im Arbeitstakt) an, misst den Kraftstoff zu und löst die Zündung aus. Der vor dem Turbolader angeordnete, eventuell mehrstufige, Verdichter wird immer dann zugeschalten, wenn der Druck im Druckluftspeicher einen bestimmten Wert unterschreitet. Das wird in der Regel im Leerlauf bei nicht ausreichenden Abgasvolumenstrom zum Beispiel der Fall sein. Die Kurbelwellenstellung muss vor dem Neustart so getroffen werden, dass der Kolben im Arbeitstakt den höchsten Verbrennungsdruck vor oder mit dem Tangieren der Pleuelstange hat.After switching on the ignition, an electric motor starts, the z. B. drives a two-stage axial compressor. The axial compressor sits directly in front of the radial compressor of an exhaust gas turbocharger and can be coupled with it via an overrunning clutch. This axial compressor now conveys combustion air into the compressed air reservoir for a few seconds up to the stuffing limit. The engine control unit uses the compressed air sensor on the accumulator to recognize the preprogrammed value (nominal / actual comparison), actuates the corresponding compressed air injector (piston in the power stroke), measures the fuel and triggers the ignition. The compressor, which is arranged in front of the turbocharger and possibly multistage, is always switched on when the pressure in the compressed air reservoir falls below a certain value. This will usually be the case, for example, at idle with insufficient exhaust gas flow rate. The crankshaft position must be made before the restart so that the piston has the highest combustion pressure in the power stroke before or with the tangle of the connecting rod.

2. Arbeitsweise des Verbrennungsmotors mit Verbrennungslufteinblasung-Dieselbetrieb2. Operation of the internal combustion engine with combustion air injection diesel operation

Arbeitstakt:Power stroke:

Die Verbrennung wird durch das Erreichen der Selbstzündungstemperatur des Dieselkraftstoffes in der hochverdichteten Luft ausgelöst. Durch den hohen Verbrennungsdruck von bis zu 160 bar bewegt sich der Kolben nach UT. Dabei wird Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgewandelt.The combustion is triggered by reaching the autoignition temperature of the diesel fuel in the high density air. Due to the high combustion pressure of up to 160 bar, the piston moves to UT. Heat energy is converted into mechanical work.

Ladungswechseltakt:Charge cycle clock:

Das Auslassventil öffnet 30–60° vor UT. Durch den am Ende des Arbeitstaktes noch vorhandenen Druck von 4–6 bar puffen die 550–750°C heißen Abgase aus dem Zylinder. im Bereich des unteren Totpunktes öffnet der Druckluftinjektor und blast einen kurzen aber kräftigen Spülluftstrom abwärtsgerichtet zum Kolbenboden, durch dessen spezielle Form er umgelenkt und in Richtung Auslassventil geführt wird. Das Auslassventil schließt 20–40°KW nach UT. Beim jetzt aufwärts gehenden Kolben öffnet der Druckluftinjektor ein zweites Mal und füllt den Zylinder mit Verbrennungsluft. Beim jetzt geschlossenem Druckluftinjektor wird die eingeschlossene Verbrennungsluft durch den aufwärts gehenden Kolben nach verdichtet. Die Ansteuerung des Druckluftinjektors wird bei immer höheren Drehzahlen und damit immer kürzer werdenden Zeitspannen bis hin zu einer Ansteuerung verschoben. Oder anders gesagt, der Spülluftstrom geht durch Schließen des Auslassventils in den Füllluftstrom über. Kurz vor dem oberen Totpunkt wird die Luft auf den 14–24. Teils des ursprünglichen Zylinderraumes nach verdichtet. Dabei erwärmt sich die Luft auf 600–900°C. Da sich die Luft bei der hohen Temperatur und Kolbenstellung unmittelbar vor OT nicht ausdehnen kann, steigt der Verdichtungsdruck auf das Doppelte (30–55 bar) an. Etwa 15–30°KW vor OT wird Dieselkraftstoff unter hohem Druck fein zerstäubt eingespritzt. In der heißen Luft verdampft der Kraftstoff und vermischt sich mit der Luft. Da die Temperatur der verdichteten Luft höher als die Selbstentzündungstemperatur des Dieselkraftstoffes von 320–380°C ist, wird die Verbrennung ausgelöst. Die Gemischbildung dauert dabei über den Brennbeginn hinaus an.The outlet valve opens 30-60 ° before UT. By still at the end of the power stroke existing pressure of 4-6 bar puffing the 550-750 ° C hot exhaust gases from the cylinder. In the area of the bottom dead center, the compressed air injector opens and blows a short but powerful purging air stream downwards to the piston crown, through the special shape of which it is deflected and guided in the direction of the outlet valve. The outlet valve closes 20-40 ° CA to UT. When now going up piston opens the Druckluftinjektor a second time and fills the cylinder with combustion air. When now closed Druckluftinjektor the trapped combustion air is compressed by the upward piston after. The control of the compressed air injector is shifted at ever higher speeds and thus ever shorter periods of time up to a control. In other words, the scavenging air flow passes into the filling air flow by closing the outlet valve. Shortly before top dead center, the air on the 14-24. Part of the original cylinder space after compressed. The air heats up to 600-900 ° C. Since the air at the high temperature and piston position can not expand immediately before TDC, the compression pressure increases to double (30-55 bar). About 15-30 ° CA before TDC diesel fuel is injected under high pressure finely atomized. In the hot air, the fuel evaporates and mixes with the air. Since the temperature of the compressed air is higher than the auto-ignition temperature of the diesel fuel of 320-380 ° C, the combustion is triggered. The mixture formation lasts over the beginning of combustion.

2.1. Anlassvorgang beim Motor mit Dieselbetrieb (Mehrzylindermotor)2.1. Starting procedure for the engine with diesel operation (multi-cylinder engine)

Nach dem Abstellen des Motors pendelt die Kurbelwelle aus. Der Kolben vom Zylinder mit Ladungswechseltakt und Schließen des Auslassventils kommt auf ca. 2/3 bis 3/4 der Hubhöhe durch die nun entstehende Verdichtungsarbeit zum Stehen. Der Kolben vom Zylinder mit Arbeitstakt befände sich 1/3 bis 1/4 vor dem unteren Totpunkt. Bei einem Neustart wäre diese Konstellation denkbar ungünstig. Deshalb muss die Kurbelwellenstellung entweder schon beim Abstellen des Motors oder beim Neustart so getroffen werden, dass der Kolben vom Zylinder mit Arbeitstakt unmittelbar nach dem oberen Totpunkt zum stehen kommt. Babel kann die Fixierung der Kurbelwelle entweder mit programmiertere Verbrennungslufteinblasung oder beim Abstellvorgang über ein Rastergetriebe erfolgen. Der nun für einen Neustart optimal stehende Kolben im Zylinder mit Arbeitstakt könnte beim jetzt einsetzenden Arbeitsverfahren genügend Kraft auf die Kurbelwelle ausüben und ein Drehmoment erzeugen. Die eingeblasene Verbrennungsluft würde sich in diesen geringen Volumen durch die Glühkerze schnell auf Selbstentzündungstemperatur erhitzen und eine Zündung des eingespritzten Dieselkraftstoffes sicherstellen.After switching off the engine, the crankshaft swings out. The piston of the cylinder with charge cycle and closing the exhaust valve comes to about 2/3 to 3/4 of the lifting height by the compression work now stopped. The piston of the cylinder with power stroke would be 1/3 to 1/4 before the bottom dead center. When restarting this constellation would be conceivably unfavorable. Therefore, the crankshaft position must either be taken when the engine is stopped or when restarting so that the piston comes to rest from the cylinder with power stroke immediately after top dead center. Babel can fix the crankshaft either with programmed Verbrennungslufteinblasung or shutdown via a grid gear. The now optimal for a restart piston in the cylinder with power stroke could exert enough force on the crankshaft and now generate a torque at the onset of working. The injected combustion air would heat up quickly in this small volume through the glow plug to autoignition temperature and ensure ignition of the injected diesel fuel.

Claims

Heat engine with combustion air injection by means of compressed air injector.

Compressed air cylinder for cylinder filling.

Combustion air map in the engine control unit.

Purge air flow for the purpose of exhaust residue emptying.

Filling air flow for cylinder filling.

Charge cycle cycle (combined exhaust stroke with residual compression stroke).

Charged engine also in the idling and lower part load range up to the full load range.

Variable compression based on different degree of filling with constant cylinder volume due to variable actuation times of the compressed air injectors and variable opening cross sections.

Working procedure consisting of charge cycle with combustion air injection and conventional fuel injection and ignition triggering by means of spark plug and subsequent power stroke (gasoline operation).

Working process consisting of charge cycle with combustion air injection and conventional fuel injection with high residual compression and thus ignition triggering (diesel operation) and subsequent power stroke.

Starting function: with introduction of the working procedure.

Quantity regulation in gasoline and gas operation by variable actuation times of the compressed air injectors and optionally variable opening cross-section.

Charging with turbocharger (single or multi-stage) as well as electric drive or mechanical charger, both in connection with combustion air injection.