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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Verdichtungszylinder und wenigstens einem Arbeitszylinder sowie eine solche Brennkraftmaschine.
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Eine Brennkraftmaschine mit externer Verdichtung ist beispielsweise aus dem
deutschen Patent 577740 bekannt. Dadurch, dass Frischladung außerhalb eines heißen Arbeitszylinders in einem nicht befeuerten und damit gegenüber dem Arbeitszylinder erheblich kühleren Verdichtungszylinder verdichtet wird, wird der Frischladung während ihrer Verdichtung von der Wand des Verdichtungszylinders keine thermische Energie zugeführt, wodurch die Verdichtungsarbeit vermindert wird und der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine steigt. Dennoch können in einem Überströmkanal, in den die verdichtete Frischladung aus der Verdichtungskammer ausgeschoben wird, Temperaturen auftreten, die zu einer Selbstentzündung der Frischladung, wenn dieser bereits Brennstoff zugeführt wurde, führen können. Um schädliche Auswirkungen einer solchen Selbstentzündung zu vermeiden, ist bei der Brennkraftmaschine gemäß der
DE 577740 im Überströmkanal eine Brennstoffzufuhrdüse unmittelbar strömungsoberhalb eines Heißüberströmventils angeordnet, das in die Arbeitskammer führt. Der Brennstoff wird erst bei offenem Heißüberströmventil zugeführt. Um ein Rückschlagen der Verbrennung in dem Überströmkanal zu vermeiden, ist unmittelbar strömungsoberhalb der Brennstoffdüse ein Rückschlagventil angeordnet, das so ausgebildet ist, dass es einer Strömung durch den Überströmkanal in Richtung zum Heißüberströmventil keinen nennenswerten Widerstand entgegensetzt, eine Strömung in Gegenrichtung jedoch verhindert. Eine Eigenart der beschriebenen Brennkraftmaschine liegt darin, dass für eine Gemischbildung nur wenig Zeit zur Verfügung steht, so dass eine rückstandsfreie Verbrennung, die heutigen Abgasvorschriften entspricht, kaum realisierbar ist. Außerdem ist nicht gewährleistet, dass keine heißen verbrannten Gasreste in dem Überströmkanal zurückbleiben und ihn aufheizen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Vorteile externer Verdichtung genutzt werden können, d. h. insbesondere ein hoher Wirkungsgrad bei gleichzeitig guter Abgasqualität erzielbar ist. Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine entsprechende Brennkraftmaschine zu schaffen.
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Der das Verfahren betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Mit dem Spülgas wird erreicht, dass das im Überströmkanal befindliche, zumindest teilweise durch Verbrennung der Frischladung entstandene Abgas zumindest annähernd vollständig in die Arbeitskammer ausgeschoben wird, so dass in dem Überströmkanal keine verbrannten oder noch brennfähigen Abgasreste zurückbleiben.
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Mit den Merkmalen des Anspruchs 2 wird auf einfache Weise erreicht, dass das im Spülkanal befindliche Abgas unter Druck steht und besonders wirksam zum vollständigen Ausschieben des Abgases aus dem Überströmkanal dient. Des Weiteren ist mit den Merkmalen des Anspruchs 2 sichergestellt, dass das Spülgas selbst nicht brennfähig ist.
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Mit den Merkmalen des Anspruchs 3 wird eine Kühlung des Überströmkanals 36 mittels des Spülgases erreicht, so dass die Gefahr einer Selbstentzündung von nach einer Spülung in den Überströmkanal eingeleiteten Frischladung vermindert ist.
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Mit den Merkmalen der Ansprüche 4 und 5 wird eine ausgezeichnete Durchmischung bzw. Aufbereitung der in den Überströmkanal 36 eingeleiteten Frischladung erzielt.
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Der Anspruch 6 ist auf eine Brennkraftmaschine zur Lösung des diesbezüglichen Teils der Erfindungsaufgabe gerichtet.
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Die Unteransprüche 7 bis 14 kennzeichnen vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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In den Figuren stellen dar:
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1 eine schematische Prinzipansicht einer Doppelzylindereinheit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und
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2 schematische Hubkurven verschiedener Bauteile der Doppelzylindereinheit gemäß 1 zur Erläuterung der Funktion der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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Gemäß 1 weist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine wenigstens eine Doppelzylindereinheit mit einem Verdichtungszylinder 10 und einem Arbeitszylinder 12 auf, die vorteilhafterweise derart ausgebildet sind, dass ein möglichst geringer Wärmeübertrag von der Wandung des Arbeitszylinders 12 zur Wandung des Verdichtungszylinders 10 erfolgt. Der Verdichtungszylinder 10 wird vorteilhafter Weise von einem nicht dargestellten an sich bekannten Kühlsystem der Brennkraftmaschine gekühlt, während der Arbeitszylinder 12 kaum gekühlt werden muss.
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Im Verdichtungszylinder 10 arbeitet ein Verdichtungskolben 14, der über ein Pleuel 16 mit einer Kurbelwelle 18 der Brennkraftmaschine verbunden ist.
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Im Arbeitszylinder 12 arbeitet ein Arbeitskolben 20, der über ein Pleuel 22 mit der Kurbelwelle 18 verbunden ist. Die beiden Kolben 14 und 20 bewegen sich synchron zueinander, wobei die Stellung der Kurbeln der Kurbelwelle 18 derart ist, dass der Verdichtungskolben 14 dem Arbeitskolben 20 im dargestellten schematischen Beispiel um etwa 20 Grad Kurbelwinkel voraus läuft.
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Die dem Verdichtungskolben und dem Arbeitskolben zugeordneten Kurbeln können jeweils als miteinander verbundene Halbkurbeln ausgebildet sein, zwischen denen keine Lagerung der Kurbelwelle vorhanden ist oder ein axial verlaufender Kurbelwellenbereich angeordnet ist.
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Eine Verdichtungskammer 24 des Verdichtungszylinders 10 ist mit einem Einlasskanal 26 verbunden. Die Mündung des Einlasskanals 26 in die Verdichtungskammer 24 ist mittels eines Einlassventils 28 öffen- und schließbar.
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Von einer Arbeitskammer 30 des Arbeitszylinders 12 geht ein Auslasskanal 32 ab. Im Abgang des Auslasskanals 32 von der Arbeitskammer 30 ist ein Auslassventil 34 angeordnet, mit dem der Abgang öffen- und schließbar ist.
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Der Verdichtungszylinder 10 und der Arbeitszylinder 12 sind durch einen Überströmkanal 36 verbunden. In der Verbindung zwischen Überströmkanal 36 und Verdichtungskammer 24 ist ein Kaltüberströmventil 38 angeordnet. In der Verbindung zwischen Überströmkanal 36 und Arbeitskammer 30 ist ein Heißüberströmventil 40 angeordnet. Von der Arbeitskammer 30 führt in den dem Kaltüberströmventil 38 zugewandten Bereich des Überströmkanals 36 ein Spülkanal 41, der, insbesondere wenn sein Volumen klein ist, weil er in den nicht dargestellten Zylinderkopf der Brennkraftmaschine integriert ist, zur Vergrößerung seines Volumens an einen Pufferbehälter 42 angeschlossen ist. Im Abgang des Spülkanals 41 von der Arbeitskammer 30 ist ein Heißspülventil 44 angeordnet. In der Mündung des Spülkanals 41 in den Überströmkanal 36 ist ein Spülventil 46 angeordnet.
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Die Betätigung der Ventile 28, 34, 38, 40, 44 und 46 erfolgt mittels Nocken einer Nockenwelle 48, die in an sich bekannter Weise von der Kurbelwelle 18 drehangetrieben wird, wobei die Phasenlage zwischen Nockenwelle 48 und Kurbelwelle 18 mittels eines Phasenstellers 50 veränderbar sein kann.
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In den Einlasskanal 26 ist flüssiger und/oder gasförmiger Brennstoff mittels beispielsweise einer Einspritzdüse 52 einspritzbar.
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In den dem Kaltüberströmventil 38 zugewandten Endbereich des Überströmkanals 36 ragt eine Zündeinrichtung, beispielsweise eine Zündkerze 54, ein.
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Der Einlasskanal 26 kann mit einem Abgasrückführanschluss 56 versehen sein, über den in an sich bekannter Weise Abgas aus dem nicht dargestellten Abgassystem der Brennkraftmaschine in den Einlass rückgeführt werden kann.
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Anhand der 2 wird nachfolgend die Funktion der Brennkraftmaschine gemäß 1 beispielhaft erläutert.
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In 2 bezeichnet die Abszisse die Drehstellung der Kurbelwelle 18 in Grad Kurbelwinkel (°KW), wobei 0°KW dem oberen Totpunkt OT des Arbeitskolbens 20 entspricht. Die linke Ordinate bezeichnet den Hub der Ventile in Millimetern. Die rechte Ordinate bezeichnet den Hub der Kolben in Millimetern.
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Die mit durchgehender Linie eingezeichnete Kurve bezeichnet den Hub des Einlassventils 28. Die mit Schrägstrichen versehene Linie bezeichnet den Hub des Auslassventils 34. Die mit Rechtecken versehene Kurve KUEV bezeichnet den Hub des Kaltüberströmventils 38. Die mit Kreisen versehene Kurve HUEV bezeichnet den Hub des Heißüberströmventils 40. Die strichpunktierte Kurve VK bezeichnet den Hub des Verdichtungskolbens 14. Die gestrichelte Kurve AK bezeichnet den Hub des Arbeitskolbens 20. Die mit schräggestellten Kreuzen markierte Kurve SPV bezeichnet den Hub des Spülventils 46. Die mit schwarzen Scheiben markierte Kurve HSPV bezeichnet den Hub des Heißspülventils 44.
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Die dargestellten Hubfunktionen werden durch entsprechende Gestaltung der Nocken der Nockenwelle 42 erzielt.
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Bei 0°KW befindet sich der Arbeitskolben 20 in seinem OT Der Verdichtungskolben 14 hat seinen OT etwa zwanzig Grad früher erreicht und befindet sich bereits auf seinem Weg in Richtung UT. Das Einlassventil 28 ist noch zu. Das Heißüberströmventil 40 hat kurz vorher mit steiler Öffnungsflanke geöffnet. Das Kaltüberströmventil 38, das Auslassventil 34, das Spülventil 46 und das Heißspülventil 44 sind geschlossen.
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Bei weiterer Drehung der Kurbelwelle bewegen sich der Verdichtungskolben 14 und der Arbeitskolben 20 in Richtung auf ihre unteren Totpunkte UT. In dem Überströmkanal 36 befindliche verdichtete Frischladung, die kurz vor oder bei Öffnung des Heißüberströmventils 40 von der Zündkerze 54 gezündet wird, tritt unter starker Expansion durch das offene Heißüberströmventil 40 in die Arbeitskammer 30 aus und drängt den Arbeitskolben 20 unter Arbeitsleistung nach unten drängt. Die als brennendes Gas aus dem Überströmkanal 36 in die Arbeitskammer 30 austretende brennende Ladung wird, soweit sie noch nicht vollständig verbrannt ist, in der Arbeitskammer durch die dort herrschende hohe Temperatur zusätzlich gezündet und entflammt, so dass eine vollständige Verbrennung gewährleistet ist.
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Der Verdichtungskolben 14 saugt bei seiner Bewegung vom OT zum UT durch das nunmehr offene Einlassventil 28 hindurch Frischladung bzw. Frischluft an, der von der Einspritzdüse 52 Kraftstoff zugemessen wird und gegebenenfalls durch den Abgasrückführanschluss 56 dem Abgassystem der Brennkraftmaschine entnommenes Abgas zugeführt wird. Das Einlassventil 28 schließt im Bereich oder kurz nach UT des Verdichtungskolbens 14. Das Auslassventil 34 öffnet im dargestellten Beispiel kurz bevor das Einlassventil 28 schließt, so dass durch den sich in Richtung auf seinen OT zu bewegenden Arbeitskolben 20 verbrannte Ladung, in den Ansprüchen als Abgas bezeichnet, in den Auslasskanal 32 geschoben wird.
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Kurz bevor das Heißüberströmventil 40 schließt, öffnet das Spülventil 46, so dass in dem Spülkanal 41 und dem Pufferbehälter 42 aufgrund des vorangegangenen Arbeistzyklus befindliches verdichtetes Abgas in den Überströmkanal 36 einströmt und dort noch befindliches Abgas oder noch brennendes Gas vor sich her in die Arbeitskammer 30 schiebt. Das Spülventil 46 schließt etwa gleichzeitig mit dem Heißüberströmventil 40 und bevor das Kaltüberströmventil 38 öffnet.
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Wenn das Kaltüberströmventil 38 öffnet, wird die infolge der Bewegung des Verdichterkolbens 14 in Richtung auf seinen OT in der Verdichterkammer 24 verdichtete Brennstoff und gegebenenfalls rückgeführtes Abgas enthaltende Frischladung in den Überströmkanal 36 übergeschoben. Durch die Einspritzung von Brennstoff bzw. Kraftstoff über die Einspritzdüse 52, die Einleitung des rückgeführten Abgases über den Abgasrückführanschluss 56, die Verdichtung der Frischladung in der Verdichtungskammer 24 und das Überschieben der verdichteten Frischladung in den Überströmkanal 36 wird eine ausgezeichnete Homogenisierung und Gemischaufbereitung erzielt. Das Kaltüberströmventil 38 öffnet bevorzugt deutlich bevor der Verdichtungskolben 14 seinen OT erreicht, damit die in der Verdichtungskammer 24 befindliche Frischladung bereits während ihrer Verdichtung in den Überströmkanal 36 überströmt und nicht unnötig hoch verdichtet wird, wodurch die Gefahr einer Selbstentzündung vermindert wird. Die geometrische Verdichtung der Frischladung ist somit durch das Verhältnis zwischen Volumen der Verdichtungskammer 24 im UT des Verdichtungskolbens 14 zur Summe aus dem Volumen der Verdichtungskammer 24 im OT des Verdichtungskolbens 14 und dem Volumen des Überströmkanals 36 gegeben. Je nach verwendetem Kraftstoff und weiteren Parametern beträgt dieses geometrische Verdichtungsverhältnis zwischen 6 und 20.
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Nach Schließen des Auslassventils 34 deutlich vor dem OT des Arbeitskolbens wird das in der Arbeitskammer 30 befindliche Abgas durch die weitere Bewegung des Arbeitskolbens 20 in Richtung auf seinen OT verdichtet. Während dieser Phase öffnet das Heißspülventil 44, so dass verdichtetes Abgas in den Spülkanal 41 eintritt und dort nach Schließen des Heißspülventils 44 und bei geschlossenem Spülventil 46 gespeichert wird. Das Kaltüberströmventil 38 schließt, wenn der Verdichtungskolben 14 seinen OT erreicht hat, so dass die gesamte die Verdichtungskammer 24 eingeströmte Frischladung unter hohem Druck in dem Überströmkanal 36 gespeichert wird, bis das Heißüberströmventil 40 öffnet und die genannten Vorgänge erneut ablaufen.
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Wie beschrieben wird dadurch, dass verdichtetes Abgas in dem Spülkanal 41 und dem gegebenenfalls vorhandenen Pufferbehälter 42 unter Druck, beispielsweise über 2 bar und mehr gespeichert wird und kurz vor dem Ende des Austritts der in dem Überströmkanal 36 gezündeten und brennenden Frischladung in die Arbeitskammer 30 in den strömungsaufwärtigen Endbereich des Überströmkanals 36 eingeleitet wird, das aus der verbrannten Frischladung entstandene Abgas vollständig aus dem Überströmkanal 36 ausgespült bzw. ausgeschoben, so dass gewährleistet ist, dass dort keine heißen oder noch brennfähigen Rückstände verbleiben, wenn das Heißüberströmventil 40 geschlossen wird. Auf diese Weise werden in dem Überströmkanal 36 wohl definierten Verbrennungsbedingungen beim jeweiligen Zünden der in ihm befindlichen Frischladung gewährleistet.
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Die Zündkerze 54 sowie das Spülventil 46 sind vorteilhafterweise möglichst nah am strömungsaufwärtigen Ende des Spülkanals 41 bzw. dem Kaltüberströmventil 38 angeordnet.
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Der Verdichtungskolben 14 eilt dem Arbeitskolben 20 vorteilhafterweise voraus, wobei die Vorauseilung je nach Kraftstoff und Strömungsbedingung von kleinen Werten bis zu Werten über 90° reichen kann.
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Das Volumen der Verdichtungskammer im UT des Verdichtungskolbens ist vorteilhafterweise kleiner als das Volumen der Arbeitskammer im UT des Arbeitskolbens und beträgt beispielsweise zwischen 50 und 95% des Volumens der Arbeitskammer im UT des Arbeitskolbens.
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Das Volumen des Spülkanals 41 einschließlich des Volumens des Pufferbehälters 42 ist vorteilhafterweise größer als das des Überströmkanals, beispielsweise 1 bis 5mal so groß.
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Das Volumen des Überströmkanals 36 ist derart, dass bei im OT befindlichen Verdichtungskolben 14 und möglichst kleinem minimalem restlichen Volumen in der Verdichtungskammer 24 das angestrebte geometrische Verdichtungsverhältnis erreicht wird.
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Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die vorstehend genannten Werte und Kurven der 2 nur beispielhaft sind und in jeder Hinsicht verändert sein können, wobei die Grenzen der Veränderbarkeit darin liegen, dass die Merkmale der Ansprüche 1 und 3 erfüllt sind.
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Die Brennkraftmaschine kann in vielfältiger Weise abgeändert werden. Eine Anordnung der Einspritzdüse 52 in dem Einlasskanal 26 ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn mit Ottokraftstoff oder gasförmigem Kraftstoff gearbeitet wird. Das Einspritzen von Kraftstoff kann auch unmittelbar in die Verdichtungskammer 24 erfolgen, in der ein etwas höheres Temperaturniveau herrscht, so dass auch dieser Kraftstoff sicher aufbereitet werden kann.
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Die Wand des Spülkanals 41 und/oder des zum Spülkanal gehörenden Pufferbehälters 42 ist vorteilhafterweise gekühlt, wobei das Wasserkühlsystem der Brennkraftmaschine genutzt werden kann.
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Zum Spülen des Überströmkanals 36 kann insbesondere bei dieselmotorischem Betrieb, bei dem mit hohem Luftüberschuss gearbeitet werden kann, auch verdichtete Frischluft verwendet werden, die in einem von der Kurbelwelle 18 oder dem Abgas oder einem eigenen Antrieb angetriebenen Kompressor erzeugt wird. Das Heißspülventil 44 kann dann entfallen.
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Da das Spülventil 46 in einer Phase geöffnet wird, in der der Überströmkanal 36 niedriges Druckniveau erreicht, reicht für das durch das Spülventil 46 eingeleitete Spülgas je nach dem Volumenverhältnis zwischen Überströmkanal und Spülkanal ein geringer Überdruck zwischen beispielsweise 2 und 5 bar aus.
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Der Boden des Arbeitskolbens 20 kann mit einer Mulde 58 ausgebildet sein (in 1 gestrichelt), in die das Heißüberströmventil 40 bei seiner Öffnung und im OT befindlichen Kolben eintaucht. Dadurch wird die Hitzebelastung des Heißüberströmventils 40 vermindert.
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Es können mehrere Doppelzylindereinheiten hintereinander angeordnet sein, wobei die Doppelzylindereinheiten gemäß 1 in einer Reihe in Papierebene mit in Papierebene befindlicher Kurbelwelle angeordnet sein können oder die Doppelzylinder in einer Reihe senkrecht zur Papierebene mit senkrecht zur Papierebene verlaufender Kurbelwelle angeordnet sein können. Die Ventile müssen nicht von einer gemeinsamen Nockenwelle angetrieben werden; vielmehr können einzelnen Ventilen oder Ventilgruppen eigene Nockenwellen zugeordnet sein, deren Phasenlage zur Kurbelwelle einzeln verstellbar ist. Die Ventile können auch von eigenen Aktoren angetrieben werden, die hydraulisch, pneumatisch, elektrisch oder elektrisch-mechanisch betätigt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verdichtungszylinder
- 12
- Arbeitszylinder
- 14
- Verdichtungskolben
- 16
- Pleuel
- 18
- Kurbelwelle
- 20
- Arbeitskolben
- 22
- Pleuel
- 24
- Verdichtungskammer
- 26
- Einlasskanal
- 28
- Einlassventil
- 30
- Arbeitskammer
- 32
- Auslasskanal
- 34
- Auslassventil
- 36
- Überströmkanal
- 38
- Kaltüberströmventil
- 40
- Heißüberströmventil
- 41
- Spülkanal
- 42
- Pufferbehälter
- 44
- Heißspülventil
- 46
- Spülventil
- 48
- Nockenwelle
- 50
- Phasensteller
- 52
- Einspritzdüse
- 54
- Zündkerze
- 56
- Abgasrückführanschluss
- 58
- Mulde
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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