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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen, längsgespülten Zweitaktbrennkraftmaschine sowie eine aufgeladene, längsgespülte Zweitaktbrennkraftmaschine, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet. Die Erfindung betrifft weiter einen Rekuperator für eine solche Brennkraftmaschine.
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Zweitaktbrennkraftmaschinen gewinnen vor dem Hintergrund der Notwendigkeit, den Kraftstoffverbrauch abzusenken, wieder an Bedeutung. Dadurch, dass der Drehwinkel der Kurbelwelle von Zweitaktbrennkraftmaschinen zwischen zwei Arbeitstakten halb so groß ist wie der Drehwinkel einer Viertaktbrennkraftmaschine mit gleicher Zylinderzahl haben Zweitaktbrennkraftmaschinen ein hohes Potential zum Downsizing, beispielsweise durch Minderung der Anzahl der Zylinder.
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In der Druckschrift
AT 410 699 B ist eine ventilgesteuerte, quergespülte Zweitaktbrennkraftmaschine mit einem Rekuperator offenbart. Zu Beginn des Ladevorgangs ist der Kolben im OT und befindet sich der Rekuperator in Anlage am Kolben. Frischladung strömt in den Raum oberhalb des Kolbens ein und füllt dabei auch die Hohlräume des Rekuperators. Noch während oder nach Abschluss des Ladevorgangs bewegt sich der Rekuperator vom Kolben weg in größtmögliche Annäherung an den Zylinderkopf, wobei die Frischladung den Rekuperator in Richtung vom Einlassventil zum Kolben durchströmt. Wenn der Rekuperator seine Endstellung erreicht hat wird gezündet, woraufhin sich der Kolben in Richtung auf seinen unteren Totpunkt bewegt.
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In der Druckschrift „WOSCHNI, G.: Verbrennungsmotoren - Skriptum zur Vorlesung. 2. Auflage. München: Eigenverlag TU München, Lehrstuhl und Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Kraftfahrzeuge, 1988. Seiten 67/68“ sind quergespülte und längsgespülte Zweitaktbrennkraftmaschinen betrieben. Ein Rekuperator ist nicht erwähnt.
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In der
US 5,632,255 A ist eine aufgeladene, längsgespülte Zweitaktbrennkraftmaschine mit Rekuperator beschrieben. Zu Beginn des Einlasshubs ist bei oberhalb seinem UT befindlichen Kolben der Rekuperator an den Kolben angenähert und bewegt sich anschließend bei geschlossenem Einlassventil zusammen mit dem Kolben aufwärts und entfernt sich, bevor der Kolben seinen OT erreicht, nach oben in Richtung zum Zylinderkopf vom Kolben, so dass die gesamte Frischladung den Rekuperator in Richtung vom Einlassventil zum Kolben durchströmt.
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Die
US 4,790,284 A beschreibt verschiedene Ausführungsformen von mit einem Rekuperator ausgerüsteten Zwei- oder Viertaktbrennkraftmaschinen. Bei keiner dieser Brennkraftmaschinen, bei denen der Rekuperator jeweils über den gesamten Hub des Kolbens beweglich ist, durchströmt zumindest ein Teil der Frischladung den Rekuperator zweifach, um im Rekuperator gespeicherte Abgasenergie aufzunehmen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad von Zweitaktbrennkraftmaschinen zu verbessern.
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Eine Lösung dieser Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 erreicht. Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Rekuperator gespeicherte Abgasenergie der Frischladung in thermodynamisch günstiger Weise zugeführt wird, erhöht sich der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine, d. h. die an der Kurbelwelle abnehmbare, für den Vortrieb eines Fahrzeugs nutzbare mechanische Leistung im Verhältnis zu dem Kraftstoffverbrauch.
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Der Anspruch 2 ist auf eine Zweitaktbrennkraftmaschine gerichtet, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine wird mit den Merkmalen der Ansprüche 3 und 4 in vorteilhafter Weise weitergebildet.
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Der Anspruch 5 ist auf einen Rekuperator zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gerichtet.
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Die Erfindung, die für Zweitaktbrennkraftmaschinen unterschiedlicher Größe und Leistungen, selbstzündend oder fremdgezündet, mit Benzin, Diesel, Kraftstoff oder Gas betrieben, eingesetzt werden kann, wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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Es stellen dar:
- 1 eine Prinzipansicht von Teilen einer Kolben/Zylindereinheit einer erfindungsgemäßen Zweitaktbrennkraftmaschine,
- 2 eine perspektivische Ansicht eines Rekuperators, und
- 3 bis 6 Seitenansichten der Kolben/Zylindereinheit in unterschiedlichen Betriebsstellungen zur Erläuterung der Funktion der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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Gemäß 1 weist eine Zweitaktbrennkraftmaschine, im dargestellten Beispiel eine Dieselbrennkraftmaschine, wenigstens einen Zylinder 10 auf, in dem ein mit einer Brennraummulde 11 ausgebildeter Kolben 12 in axialer Richtung des Zylinders auf und abwärts beweglich ist. Der Kolben 12 ist mit einer in 1 nicht dargestellten Kurbelwelle über einen Pleuel 14 verbunden.
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In 1 befindet sich der Kolben 12 etwa in seiner tiefsten Stellung, d. h. seinem unteren Totpunkt (UT), in dem er in der Zylinderwand ausgebildete Durchlässe, beispielsweise Einlassschlitze 16, freigibt, die einen den Zylinder 10 umgebenden Ringraum 18 mit einer Arbeitskammer 20 im Inneren des Zylinders 10 verbinden. Die Arbeitskammer 20 ist gemäß 1 nach unten von dem Kolben 12 und nach oben von einem Zylinderkopf 22 begrenzt. Im Zylinderkopf 22 ist wenigstens eine Auslassöffnung ausgebildet, die mit einem Auslassventil 24 verschließbar ist und von der ein Auslasskanal 26 nach außen führt.
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Genauer ist im dargestellten Beispiel im Zylinderkopf 22 eine Ausnehmung bzw. Tasche 30 ausgebildet, deren Durchmesser gleich dem Durchmesser der Arbeitskammer 20 ist und die die Arbeitskammer 20 gemäß 1 nach oben verlängert. Die Auslassöffnung, die mit dem Auslassventil 24 verschließbar ist, ist in der die Arbeitskammer 20 nach oben abschließenden Bodenwand 32 der Tasche 30 ausgebildet. In einem zentralen Teil der Bodenwand 32 ist eine Ringnut ausgebildet, über die die Bodenwand 32 in einen Ringansatz 36 übergeht, der zur Arbeitskammer 20 hin vorsteht. Durch den Ringansatz 36 ragt unter Abdichtung eine in den Zylinderkopf 22 eingesetzte Einspritzdüse hindurch, die in die Arbeitskammer 20 vorsteht.
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Im oberen Bereich der Arbeitskammer 20 ist ein Rekuperator 40 angeordnet, dessen Außendurchmesser gleich oder allenfalls geringfügig kleiner als der Innendurchmesser der Arbeitskammer 20 ist.
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Wie aus 2 ersichtlich, weist der Rekuperator 40 im dargestellten Beispiel einen Grundkörper 42 aus warmfesten Material, beispielsweise hitzebeständigem Stahl, mit vorteilhafter Weise hohem Wärmeleitvermögen und hoher spezifischer Wärme auf. Der Grundkörper 42 ist durch eine Scheibe mit kreisförmiger Außenkontur gebildet, die mit Durchströmöffnungen 44, beispielsweise Durchgangsbohrungen, versehen ist, die axial durch den Grundkörper 42 hindurchführen.. Beispielsweise beträgt die Dicke des Grundkörpers 42 etwa 5 mm und sind die Durchgangsöffnungen 44 mit einem Durchmesser von beispielsweise etwa 1 mm und einer Flächendichte von beispielsweise etwa 25/cm2 ausgebildet, wobei die genannten Werte in keiner Weise einschränkend sind.
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In seinem mittleren Bereich weist der Grundkörper 42 einen Kragen 46 auf, der eine zentrale Durchgangsöffnung 48 umschließt.
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An dem Grundkörper 42 ist starr ein Schaft 50 befestigt, der ähnlich wie ein Schaft des Auslassventils 24 durch den Zylinderkopf 22 unter Abdichtung linear beweglich hindurchgeführt ist.
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Ähnlich wie das Auslassventil 24 mittels eines Auslassnockens 52 in an sich bekannter Weise betätigbar ist, ist der Rekuperator 40 mittels eines Rekuperatornockens 54 linear hin- und her beweglich.
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Die Dimensionierung des Kragens 46 ist derart, dass der Kragen 46 den Ringansatz 36 des Zylinderkopfs 22 zumindest weitgehend fluiddicht umschließt und in die Ringnut 34 hineinbewegbar ist. Der Kragen 46, der Ringansatz 36 und die Ringnut 34 bilden somit Abdichtungsmittel, die einen Fluiddurchtritt durch die Durchgangsöffnung 48 zumindest weitgehend verhindern.
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Zur Steuerung der Ladung der Brennkraftmaschine ist der Ringraum 18 mit einem Einlasskanal 60 verbunden, wobei zur Steuerung der Verbindung zwischen dem Einlasskanal 60 und dem Ringraum 18 beispielsweise ein Ringschieberventil vorgesehen ist, dessen Ringschieber in 1 mit 62 bezeichnet ist. Der Ringschieber 62 ist im dargestellten Beispiel mittels eines eigenen Antriebs oder von der nicht dargestellten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in Uhrzeigerrichtung drehbar, so dass eine Einlassöffnung 64 des Ringschiebers 62 mit dem Ringraum 18 fluchtend oder die Verbindung zwischen Einlasskanal 60 und dem Ringraum 18 verschließend anordenbar ist.
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Die Funktion eines längsgespülten Zweitaktmotors ist an sich bekannt und wird hier nicht im Einzelnen erläutert. Zur sicheren Spülung der Arbeitskammer 20 wird dem Einlasskanal 60 über eine nicht dargestellte Verdichtereinrichtung verdichtete Frischluft zugeführt. Die Verdichtereinrichtung kann beispielsweise einen Abgasturbolader und/oder einen von der Kurbelwelle oder einem eigenen Antrieb angetriebenen Lader enthalten.
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Im Folgenden wird insbesondere die Funktion des Rekuperators 40 unter Bezugnahme auf die 3 bis 6 erläutert.
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3 zeigt ähnlich wie 1 den Kolben 12 in seinem UT, in dem der Kolben 12 die Einlassschlitze 16 freigibt, so dass Frischladung, beispielsweise verdichtete Frischluft, unten in die Arbeitskammer 20 einströmt. Das Auslassventil 24 ist zu diesem Zeitpunkt offen und der Rekuperator 40 befindet sich in geringem Abstand vom Auslassventil 24 in seinem UT, d. h. seiner untersten Stellung, in der der Kragen 46 den Ringansatz 36 etwas überlappt. Die Einlassöffnung 64 des Ringschiebers 62 gibt die Verbindung vom Einlasskanal 60 zu dem Ringraum 18 frei. Die verdichtete, durch die Einlassschlitze 16 hindurch in die Arbeitskammer 20 einströmende Frischladung verdrängt die beim vorherigen Arbeits- bzw. Expansionstakt verbrannte Ladung aus der Arbeitskammer 20, wobei die verbrannte Ladung durch die Durchgangsöffnungen 44 des Rekuperators 40 hindurch und das offene Auslassventil 24 hindurch in den Auslasskanal 26 abströmt. Die Arbeitskammer 20 wird gespült.
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Die heiße verbrannte Ladung kann die Arbeitskammer 20 nur durch den Rekuperator 40 hindurch verlassen, da der Kragen 46 den Ringansatz 36 überlappt und die Außenkontur des Rekuperators 40 weitgehend mit dem Außenumfang der Arbeitskammer 20 übereinstimmt. Auf diese Weise gibt die verbrannte Ladung in ihr enthaltene thermische Energie an den Rekuperator 40 ab, der aufgeheizt wird.
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Bei der nachfolgenden Aufwärtsbewegung des Kolbens 12 aus seinem UT (4) überfährt der Kolben 12 die Einlassschlitze 16 und bewegt sich die Einlassöffnung des Ringschiebers 62 aus der Überlappung mit dem Ringraum 18 heraus,, so dass der Einlass in die Arbeitskammer 20 verschlossen ist. Das Auslassventil 24 schließt, so dass die Frischladung in der Arbeitskammer 20 verdichtet wird und durch den Rekuperator 40 hindurch in das oberhalb des Rekuperators verbleibende Volumen der Arbeitskammer 20, zu dem auch das Volumen der Tasche 30 gehört, gedrückt wird. Dabei nimmt die Frischladung in dem Rekuperator 40 gespeicherte thermische Energie auf und wird dadurch zusätzlich erwärmt.
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Kurz bevor der Kolben 12 seinen OT erreicht, d.h. kurz vor dem Ende des Verdichtungshubs, wird der Rekuperator 40 unter weiterer Drehung des Rekuperatornockens 54 aus seinem UT gemäß 3 und 4 in seinen OT bewegt, in dem sich der Rekuperator 40 zumindest annähernd in Anlage an der Bodenwand 32 der Tasche 30 und dem geschlossenen Auslassventil 24 befindet.. Dabei taucht der Kragen 46 in die Ringnut 34 ein. Der zwischen dem Rekuperator 40 und der Bodenwand 32 befindliche Teil der komprimierten Frischladung wird durch den Rekuperator 40 hindurch zurück in den Restraum der Arbeitskammer 20 bzw. in die Brennraummulde 11 des Kolbens 12 gedrückt, wobei die Frischladung weiterhin thermische Energie vom Rekuperator 40 aufnimmt.
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Wenn der Kolben 12 seinen OT erreicht hat (5) und sich der Rekuperator 40 bei geschlossenem Auslassventil 24 in seinem OT befindet, befindet sich die komprimierte Frischladung weitgehend in der Brennraummulde 11. In diesem Zustand wird Kraftstoff von der Einspritzdüse 38 in die Brennraummulde 11 eingespritzt, so dass die Verbrennung der Frischladung einsetzt und sich der Kolben 12 unter Arbeitsabgabe aus seinem OT in Richtung UT bewegt (6). Dabei bleibt das Auslassventil 24 geschlossen. Der Rekuperator 40 kann zunächst in seinem OT bleiben und bewegt sich dann aus der Tasche 30 heraus in seinen UT bevor der Kolben 12 seinen UT erreicht. Wenn der Kolben 12 die Einlassschlitze 16 überfährt, wird das Auslassventil 24 geöffnet. Der Drehschieber bewegt sich in eine Stellung, in der er die Verbindung zum Ringraum 18 freigibt, so dass die Stellungen gemäß 3 wieder erreicht werden und der Zyklus erneut beginnt.
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Mit der am Beispiel eines Zylinders beschriebenen Brennkraftmaschine wird ein hoher Wirkungsgrad erzielt, da ein Großteil der im Abgas enthaltenen thermischen Energie im Rekuperator gespeichert wird und der Frischladung unter deren Verdichtung zugeführt wird.
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Der Hub des Rekuperators 40 ist im Vergleich zu dem des Kolbens 12 klein und beträgt beispielsweise 20%, vorteilhafterweise 15%, noch vorteilhafter nur 10% des Kolbenhubs.
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Wie aus den Formen der Nocken 52 und 54 der 1 schematisch ersichtlich, ist das Auslassventil 24 nur relativ kurz während der Phase offen, während der der Kolben 12 die Einlassschlitze 16 freigibt. Dabei kann, insbesondere in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine, die Öffnung des Auslassventils 24 bereits beginnen bevor der Kolben die Einlassschlitze erreicht und/oder enden nachdem der Kolben die Einlassschlitze auf seinem Weg zum OT überfahren hat. Der Rekuperator 40 bleibt verhältnismäßig lang in seinem UT, d. h. von der Bodenwand 32 beabstandet und liegt an der Bodenwand nur in der Phase an, in der der Kolben in seinem OT ist und sich aus dem OT herausbewegt.
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Anstelle eines Auslassventils können mehrere Auslassventile verwendet werden. Der Rekuperator kann in unterschiedlicher Weise ausgebildet werden und beispielweise mit mehreren durch den Zylinderkopf hindurchreichenden Schäften 50 versehen werden. Vorteilhaft für die Funktion des Rekuperators ist, dass die die Arbeitskammer 20 verlassende verbrannte Ladung möglichst vollständig durch den Rekuperator hindurch in den Auslass der Brennkraftmaschine abströmt und dabei den Rekuperator, der ein ausreichend hohes Wärmeenergiespeichervermögen hat, wirksam aufheizt. Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Frischladung bei ihrer Verdichtung den Rekuperator zunächst vollständig von der Kolbenseite zu der vom Kolben abgewandten Seite durchströmt und vor Erreichen des OT des Kolbens von der vom Kolben abgewandten Seite des Rekuperators 40 zur Seite des Kolbens 12 hin zurückströmt. Der wärmespeichernde Bereich des Rekuperators und dessen Durchströmbarkeit können in unterschiedlichster Weise ausgebildet sein. Im zentralen Bereich des Rekuperators, durch den die Einspritzdüse 38 hindurchragt, muss nicht zwangsläufig ein Kragen ausgebildet sein. Der Rekuperator kann unmittelbar am Außenumfang einer entsprechend ausgebildeten Einspritzdüse 38 anliegen und längs dieses Außenumfangs beweglich sein. Die Ausbildung einer Tasche im Zylinderkopf, der Ringnut, des Ringansatzes oder des Kragens ist nicht zwingend.
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Der oder die Auslassnocken 52 sowie der oder die Rekuperatornocken 54 können von einer gemeinsamen, von der Kurbelwelle angetriebenen Nockenwelle betätigt werden. Vorteilhaft ist, wenn der oder die Auslassnocken in ihrer Phase relativ zur Kurbelwelle bestellbar sind.
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Der den Einlass steuernde Drehschieber 62 kann ebenfalls von der Kurbelwelle her angetrieben werden, wobei zur Leistungssteuerung die Phase des Drehschiebers 62 relativ zur Kurbelwelle veränderbar ist. Der Drehschieber kann auch von einem eigenen Antrieb, beispielsweise Elektromotor, drehangetrieben sein. Das Drehschieberventil kann durch andere geeignete Ventile ersetzt sein.
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Es versteht sich von selbst, dass mehrere der beschriebenen Zylinder zu einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine zusammengefasst werden können.
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Bei Ausbildung der Brennkraftmaschine mit Fremdzündung wird die Einspritzdüse 38 durch eine Zündkerze ersetzt. Bei Direkteinspritzung im Brennraum kann zusätzlich eine Einspritzdüse vorhanden sein. Bei externer Gemischbildung wird der Frischluft bereits strömungsoberhalb der Einlassschlitze 16 Kraftstoff zugemischt.
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Wenn der Kolben 12 ohne Brennraummulde 11 ausgebildet wird, kann im OT des Kolbens zwischen der Kolbenoberseite und der Unterseite des Rekuperators ein die Verdichtung bestimmender Abstand verbleiben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zylinder
- 11
- Brennraummulde
- 12
- Kolben
- 14
- Pleuel
- 16
- Einlassschlitz
- 18
- Ringraum
- 20
- Arbeitskammer
- 22
- Zylinderkopf
- 24
- Auslassventil
- 26
- Auslasskanal
- 30
- Tasche
- 32
- Bodenwand
- 34
- Ringnut
- 36
- Ringansatz
- 38
- Einspritzdüse
- 40
- Rekuperator
- 42
- Grundkörper
- 44
- Durchströmöffnungen
- 46
- Kragen
- 48
- Durchgangsöffnung
- 52
- Auslassnocken
- 54
- Rekuperatornocken
- 60
- Einlasskanal
- 62
- Drehschieber
- 64
- Einlassöffnung