DE102013006703A1

DE102013006703A1 - Internal combustion engine with re-expansion of the working gas in the partial load range

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Publication number: DE102013006703A1
Application number: DE102013006703.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2014-10-23
Anticipated expiration: 2033-04-19
Also published as: DE102013006703B4

Abstract

Bei Verbrennungsmotoren ist ein hohes Verdichtungsverhältnis und das Betreiben der Zylinder mit hoher Last wirkungsgradgünstig. Vorteilhaft wäre es auch, könnte man das Expansionsverhältnis größer wählen als das Verdichtungsverhältnis. Es gibt Vierzylindermotoren, bei denen im unteren Teillastbereich die beiden äußeren Zylinder mit höherer Last betrieben werden und bei den beiden inneren Zylindern die Ventilbetätigung abgeschaltet wird, Verdichtungsverhältnis und Expansionsverhältnis sind hierbei gleich. Eine weitere Variante gibt es als Dreizylindermotor, bei dem nur die beiden äußeren Zylinder gefeuert betrieben werden und der mittlere Zylinder mit einem größeren Hubvolumen als einer der beiden äußeren Zylinder dazu benutzt wird, das Arbeitsgas von Zylinder 1 und 3 weiter zu expandieren, diese Variante erfordert mehr Hubraum, um eine bestimmte Leistung darzustellen. Vorgeschlagen wird nun eine Motorvariante, bei der von vier Zylindern im unteren Teillastgebiet die Last in den beiden äußeren Zylindern angehoben wird und die beiden inneren Zylinder zum Nachexpandieren des Abgases der beiden äußeren Zylinder verwendet werden. Dies erfolgt durch Stilllegung der Betätigung bestimmter Ventile. im oberen Lastbereich werden alle Zylinder gefeuert betrieben.In internal combustion engines, a high compression ratio and operating the cylinders at high loads are more efficient. It would also be advantageous if the expansion ratio could be selected to be greater than the compression ratio. There are four-cylinder engines in which the two outer cylinders are operated with a higher load in the lower partial load range and the valve actuation is switched off in the two inner cylinders, the compression ratio and expansion ratio are the same. Another variant is a three-cylinder engine in which only the two outer cylinders are fired and the middle cylinder with a larger displacement than one of the two outer cylinders is used to further expand the working gas from cylinders 1 and 3, which requires this variant more displacement to represent a certain performance. An engine variant is now proposed in which the load in the two outer cylinders is raised by four cylinders in the lower partial load area and the two inner cylinders are used to re-expand the exhaust gas of the two outer cylinders. This is done by stopping the actuation of certain valves. In the upper load range, all cylinders are operated with fire.

Description

In Hinblick auf ständig weitersteigende Kraftstoffpreise, begrenzten Rohölvorkommen und immer mehr an Bedeutung gewinnender Schonung der Umwelt erscheint es geboten, sich um weitere Verbesserungsmaßnahmen an dem in sehr großer Stückzahl eingesetzten Energiewandler Verbrennungsmotor zu bemühen.In view of constantly increasing fuel prices, limited crude oil reserves and environmental protection, which is gaining more and more importance, it seems necessary to strive for further improvement measures in the energy converter internal combustion engine, which is used in large numbers.

Grundsätzlich geht mit einem hohen Verdichtungsverhältnis bei einem Viertaktverbrennungsmotor ein hoher thermodynamischer Wirkungsgrad einher. Jedoch ist man hierbei bei einer angestrebten Konzeption eines hohen Verdichtungsverhältnisses dadurch begrenzt, dass man Restriktionen beachten muss, die sich aus der Gefahr von Klopfen bei der Verbrennung ergeben, so dass man die Zylinderladung nicht mehr in der normalerweise wirkungsgradoptimalen Phasenlage zünden kann, zum anderen ist zu beachten, dass in der Nähe der oberen Totpunktlage des Ladungswechsels genügend Abstand zwischen den teilweise geöffneten Ventilen und dem Kolben gewährleistet sein muss, um eine Kollision der Bauteile zu vermeiden. Es ist also aus thermodynamischen und konstruktiven Gegebenheiten nicht immer möglich, ein entsprechend kleines Brennraumvolumen zu realisieren, damit sich ein wirkungsgradgünstiges hohes Verdichtungsverhältnis bei einem Viertaktverbrennungsmotor ergibt. Um diese Randbedingungen möglichst vorteilhaft zu berücksichtigen, bzw. um diesen Konflikt auf möglichst vorteilhafte Weise auszuweichen, gibt es verschiedene Ansätze.Basically, a high compression ratio in a four-stroke internal combustion engine is accompanied by a high degree of thermodynamic efficiency. However, this one is limited in a desired design of a high compression ratio in that one must observe restrictions resulting from the risk of knocking during combustion, so that you can no longer ignite the cylinder charge in the normally effective optimal phase position, on the other hand It should be noted that in the vicinity of the top dead center of the charge exchange sufficient distance between the partially open valves and the piston must be ensured in order to avoid a collision of the components. It is therefore not always possible from thermodynamic and structural conditions to realize a correspondingly small combustion chamber volume, so that a high-efficiency, high compression ratio results in a four-stroke internal combustion engine. In order to take these constraints into account as advantageously as possible, or to avoid this conflict in the most advantageous manner possible, there are various approaches.

So wird zum Beispiel derzeitig ein Motorenkonzept in DE 00 0060 116 942 T2 diskutiert, bei dem ein Weg aufgezeigt wird, wie man der aus Wirkungsgradaspekten vorteilhaften Forderung nach einer Motorvariante mit größerem Expansionsverhältnis als Verdichtungsverhältnis nachkommen kann. Diese Problematik wird auch in der Dissertation D386 2006, Seite 71 ff, von Herrn Dr.-Ing. Gert Schreiber, Technische Universität Kaiserslautern , erörtert.For example, an engine concept is currently being developed in DE 00 0060 116 942 T2 discussed, in which a way is shown how to meet the advantageous from efficiency aspects requirement for a motor variant with a larger expansion ratio than compression ratio. This problem is also in the Dissertation D386 2006, page 71 ff, by Dr.-Ing. Gert Schreiber, University of Kaiserslautern , discussed.

Bei der in DE 00 0060 116 942 T2 vorgeschlagenen Motorvariante handelt es sich um einen Dreizylinderreihenmotor, bei dem die beiden äußeren Zylinder im konventionellen Viertaktmodus betrieben werden, der mittlere, innere Zylinder sich jedoch von den äußeren dadurch unterscheidet, dass dieser ein etwa doppelt so großes Hubvolumen wie einer der beiden äußeren Zylinder besitzt und dass dieser im Zweitaktmodus betrieben wird, wobei dieser wechselseitig, bei jeder Umdrehung, von einem der beiden äußeren Zylinder mit dessen Abgas beaufschlagt wird. Somit kann beim Ausschiebetakt von einem der beiden äußeren Zylinder, der dabei jeweils durch einen Überströmkanal mit dem mittleren, inneren Zylinder räumlich verbunden ist, das verbrannte Arbeitsgas insofern weitere Expansionsarbeit leisten, als sich in der Summe der beiden Zylindervolumina von äußerem Zylinder, der sich von unterem Totpunkt zu oberem Totpunkt bewegt und von innerem Zylinder, der sich dabei von oberen zu unterem Totpunkt bewegt, insgesamt eine Vergrößerung des Volumens für das Arbeitsgas ergibt. Durch diese erweiterte Expansion des Arbeitsgases kann bei der Verbrennung einer bestimmten Menge Kraftstoff mehr mechanische Arbeit gewonnen werden und somit der Wirkungsgrad des Motors erhöht werden. Bei dieser in DE 00 0060 116 942 T2 vorgeschlagenen Motorenart, die auch als 5-Taktmotor bezeichnet wird, ist ein weiterer, zusätzlicher Zylinder erforderlich, in dem die Nachexpansion des Arbeitsgases der benachbarten äußeren Zylinder stattfindet, der aber nicht gefeuert betrieben wird. Mit der durch dieses Konzept gewonnenen zusätzlichen thermodynamischen Energie müssen jedoch die mechanischen Verluste, die durch diesen zusätzlichen Zylinder entstehen, gedeckt werden, wodurch sich der resultierende Wirkungsgradvorteil reduziert. Bei dieser Fünftaktmotorart ist auch, um ein bestimmtes Leistungsspektrum abzudecken, mehr Hubraum erforderlich, wodurch sich der erforderliche Bauraum, das Gewicht und die Fertigungskosten erhöhen.At the in DE 00 0060 116 942 T2 proposed engine variant is a three-cylinder in-line engine in which the two outer cylinders are operated in conventional four-stroke mode, the middle, inner cylinder, however, differs from the outer in that it has about twice as large a stroke volume as one of the two outer cylinders and that it is operated in two-stroke mode, wherein this is mutually, in each revolution, is acted upon by one of the two outer cylinder with the exhaust gas. Thus, in the exhaust stroke of one of the two outer cylinders, which is spatially connected in each case by an overflow with the middle, inner cylinder, the burned working gas inasmuch as perform further expansion work, as in the sum of the two cylinder volumes of outer cylinder extending from bottom dead center moves to top dead center and from inner cylinder, which thereby moves from top to bottom dead center, results in an overall increase in the volume of the working gas. By this expanded expansion of the working gas can be obtained in the combustion of a certain amount of fuel more mechanical work and thus the efficiency of the engine can be increased. At this in DE 00 0060 116 942 T2 proposed type of engine, which is also referred to as 5-stroke engine, a further, additional cylinder is required in which the post-expansion of the working gas of the adjacent outer cylinder takes place, which is not operated fired. However, with the additional thermodynamic energy gained by this concept, the mechanical losses resulting from this additional cylinder must be covered, thereby reducing the resulting efficiency benefit. In this five-stroke engine type, more displacement is required to cover a certain performance spectrum, which increases the space required, the weight and the manufacturing costs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungsmotorvariante zu schaffen, bei der im Teillastgebiet Zylinder vom gefeuerten Betrieb umgeschaltet werden können auf Nachexpansionsbetrieb des Arbeitsgases von gefeuert betrieben Zylindern, sodass sich thermodynamische Wirkungsgradvorteile erzielen lassen, ohne erforderlichen Mehrhubraum.The invention has for its object to provide an internal combustion engine variant, can be switched in the partial load cylinder from the fired operation on Nachexpansionsbetrieb the working gas of fired operated cylinders, so that you can achieve thermodynamic efficiency advantages, without requiring Mehrhubraum.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen beschriebenen Merkmale gelöst.This object is achieved by the features described in the claims.

Vorgeschlagen wird ein Verbrennungsmotorenkonzept, bei dem von 4 in einer Reihe angeordneten Zylindern, die im oberen Teillastbereich und bei Volllast im Viertaktmodus betrieben werden, im unteren Teillastgebiet die beiden inneren Zylinder 2 und 3 umgeschaltet werden können auf ungefeuerten Nachexpansionsbetrieb des Arbeitsgases der beiden äußeren Zylindern 1 und 4. Die im Nachexpansionsmodus betriebenen Zylinder 2 und 3 arbeiten dabei im Zweitaktmodus.An internal combustion engine concept is proposed in which, of four cylinders arranged in a row, which are operated in the upper part-load range and at full load in the four-stroke mode, the two inner cylinders 2 and 3 can be switched in the lower part load range to unfired Nachexpansionsbetrieb the working gas of the two outer cylinders. 1 and 4. The operated in Nachexpansionsmodus cylinders 2 and 3 operate in two-stroke mode.

Bei einem Motor der vorgeschlagenen Art ist die Phasenlage der Kurbelkröpfungen bei einer Anordnung von 4 Zylindern in Reihe so gewählt, dass die beiden äußeren Kolben von Zylinder 1 und 4 sich etwa in oberer Totpunktlage befinden und die beiden inneren Kolben von Zylinder 2 und 3 sich etwa in der unteren Totpunktlage befinden. Bei einer Zündfolge in dieser Zylinderreihe von 1-3-4-2 oder von 1-2-4-3, bei einem Viertaktverfahren, strömt im unteren Teillastbereich nach dem Arbeits- bzw. Expansionstakt in Zylinder 1, beim Ausschiebetakt dieses Zylinders, das Arbeitsgas dieses Zylinders durch einen Überströmkanal (1) in Zylinder 2. Dieser Überströmkanal kann durch Steuerung von Ventilen, die im geschlossenen Zustand das Arbeitsvolumen in einem Zylinder begrenzen, geöffnet und geschlossen werden. Zylinder 2 ist seinerseits über einen Überströmkanal (1) mit Zylinder 3 verbunden. Auch dieser Überströmkanal kann durch Steuerung von Ventilen, die im geschlossenen Zustand das Arbeitsvolumen in einem Zylinder begrenzen, geöffnet und geschlossen werden. Aufgrund der Reduzierung des Volumens in Zylinder 1 und der Volumenvergrößerung in Zylinder 2 und 3 beim Ausschiebetakt in Zylinder 1 ergibt sich für das Arbeitsgas insgesamt eine Volumenvergrößerung.In an engine of the proposed type, the phasing of the crankshafts in an array of 4 cylinders in series is selected so that the two outer pistons of cylinders 1 and 4 are located approximately in top dead center and the two inner pistons of cylinders 2 and 3 are approximately located in the bottom dead center. In a firing order in this cylinder series of 1-3-4-2 or 1-2-4-3, in a four-stroke process, flows in the lower part load range after the working or expansion stroke in cylinder 1, during Ausschiebetakt this cylinder, the working gas of this cylinder by a transfer channel ( 1 ) in cylinder 2. This overflow can be opened and closed by controlling valves that limit the working volume in a cylinder when closed. Cylinder 2 is in turn via an overflow channel ( 1 ) connected to cylinder 3. Also, this overflow can be opened and closed by controlling valves that limit the working volume in a cylinder in the closed state. Due to the reduction of the volume in cylinder 1 and the increase in volume in cylinders 2 and 3 at Ausschiebetakt in cylinder 1 results in total for the working gas volume increase.

Beim nächsten Arbeitstakt, bei dem sich das Arbeitsgas aus Zylinder 1 in Zylinder 2 und 3 befindet, wird das Arbeitsgas durch die aufgrund der Kolbenbewegung bewirkten Zylindervolumenverringerung durch einen der von Zylinder 2 oder von Zylinder 3 wegführenden Kanäle aus den Zylindern 2 und 3 ausgeschoben, wobei Zylinder 2 und 3 ihrerseits über einen Überströmkanal (1) räumlich miteinander verbunden sind.In the next power stroke, in which the working gas from cylinder 1 is in cylinders 2 and 3, the working gas is pushed out of the cylinders 2 and 3 by the cylinder volume reduction caused by the piston movement through one of the cylinder 2 or cylinder 3 leading away channels Cylinders 2 and 3 in turn via an overflow channel ( 1 ) are spatially interconnected.

Nach dem Arbeits- bzw. Expansionstakt in Zylinder 4, beim Ausschiebetakt dieses Zylinders strömt das Arbeitsgas dieses Zylinders durch einen Überströmkanal in Zylinder 3. Dieser Überströmkanal kann durch Steuerung von Ventilen, die im geschlossenen Zustand das Arbeitsvolumen eines Zylinders begrenzen, geöffnet und geschlossen werden. Zylinder 3 ist über einen Überströmkanal mit Zylinder 2 verbunden. Aufgrund der Volumenreduzierung in Zylinder 4 und der Vergrößerung des Volumens in Zylinder 3 und 2 ergibt sich beim Ausschiebetakt in Zylinder 4 für das Arbeitsgas insgesamt eine Volumenvergrößerung. Beim nächsten Arbeitstakt, bei dem sich das Arbeitsgas aus Zylinder 4 in Zylinder 3 und 2 befindet, wird das Arbeitsgas durch die Kolbenbewegung durch einen der von Zylinder 3 oder von Zylinder 2 wegführenden Kanäle aus den Zylindern 3 und 2 ausgeschoben, wobei Zylinder 3 und 2 ihrerseits über einen Überströmkanal räumlich miteinander verbunden sind. Im unterem Teillastbereich, bei Nachexpansionsbetrieb der Zylinder 2 und 3, wird das nachexpandierte Arbeitsgas wechselseitig einmal über den Auslasskanal von Zylinder 2, einmal über den Auslasskanal von Zylinder 3 abgeführt wird, wobei Zylinder 2 und 3 ihrerseits über einen Überströmkanal räumlich verbunden sind. Dieser Überströmkanal kann durch Steuerung von Ventilen, die im geschlossenen Zustand jeweils ein Arbeitsvolumen im Zylinder begrenzen, geöffnet und geschlossen werden. Dem wechselseitigen Abführen des Arbeitsgases aus Zylinder 2 und Zylinder 3, einmal über den Auslasskanal von Zylinder 2, einmal über den Auslasskanal von Zylinder 3, kommt der Umstand zugute, dass bei gefeuertem Betrieb der beiden inneren Zylinder 2 und 3, jeweils die Auslassventile für diese Abgaskanäle auch beim entsprechenden Kolbenhubvorgang geöffnet werden. Im oberen Teillastbereich und im Volllastbereich, betreffend den Gesamtmotor, bleiben die Überströmkanäle von Zylinder 1 zu Zylinder 2, von Zylinder 4 zu Zylinder 3 und von Zylinder 2 zu Zylinder 3 durch Abschalten der Ventilbetätigung für alle Takte des kompletten Arbeitszyklusses geschlossen werden und im unteren Teillastbereich, betreffend den Gesamtmotor, kann die Ventilbetätigung für den, bzw. die Einlasskanäle von Zylinder 2 und Zylinder 3 und für den, bzw. die Auslasskanäle von Zylinder 1 und Zylinder 4, die nicht zur Nachexpansion des Arbeitsgases in Zylinder 2 oder 3 führen, für alle Takte des kompletten Arbeitszyklusses stillgelegt werden.After the working or expansion stroke in cylinder 4, during the exhaust stroke of this cylinder, the working gas of this cylinder flows through an overflow channel in cylinder 3. This overflow can be opened and closed by controlling valves that limit the working volume of a cylinder in the closed state. Cylinder 3 is connected via an overflow channel with cylinder 2. Due to the reduction in volume in cylinder 4 and the increase in the volume in cylinder 3 and 2 results in the exhaust stroke in cylinder 4 for the working gas total volume increase. At the next power stroke, in which the working gas from cylinder 4 is in cylinders 3 and 2, the working gas is pushed out of the cylinders 3 and 2 by the piston movement through one of the cylinder 3 or cylinder 2 leading away channels, wherein cylinder 3 and 2 in turn are spatially interconnected via an overflow channel. In the lower part-load range, in Nachexpansionsbetrieb the cylinders 2 and 3, the nachexpandierte working gas is alternately discharged once via the outlet channel of cylinder 2, once via the outlet channel of cylinder 3, wherein cylinders 2 and 3 in turn are spatially connected via an overflow. This overflow can be opened and closed by controlling valves that each limit a working volume in the cylinder in the closed state. The mutual discharge of the working gas from cylinder 2 and cylinder 3, once on the exhaust port of cylinder 2, once on the exhaust port of cylinder 3, the fact that in fired operation of the two inner cylinders 2 and 3, respectively, the exhaust valves for this benefit Exhaust ports are also opened during the corresponding piston stroke. In the upper part-load range and in the full load range, concerning the entire engine, the overflow channels remain closed from cylinder 1 to cylinder 2, cylinder 4 to cylinder 3 and cylinder 2 to cylinder 3 by switching off the valve actuation for all cycles of the complete work cycle and in the lower part load range , Regarding the total engine, the valve actuation for the, or the inlet ports of cylinder 2 and cylinder 3 and for, or the outlet channels of cylinder 1 and cylinder 4, which do not lead to post-expansion of the working gas in cylinder 2 or 3, for all cycles of the complete work cycle are shut down.

Die Steuerung des Ladungswechsels erfolgt nur mit Ventilen, die im geschlossenen Zustand das Zylinderarbeitsvolumen begrenzen, in dem bei gefeuertem Betrieb im oberen Teillastbereich und/bzw. im Volllastbereich die Verbrennung stattfindet, bzw. die ein Zuströmen in den Zylinder, bzw. ein Ausströmen aus dem Zylinder verhindern.The control of the charge exchange is carried out only with valves that limit the cylinder working volume in the closed state, in the case of fired operation in the upper part-load range and / or. In the full load combustion takes place, or prevent an influx into the cylinder, or an outflow from the cylinder.

Im unteren Teillastbereich, bei Nachexpansionsbetrieb der Zylinder 2 und 3, erfolgt die Steuerung der Ventile für den Verbindungskanal von Zylinder 2 und Zylinder 3 derartig, dass es, bezogen auf eine Kurbelwellenumdrehung, Phasen gibt, in denen diese Ventile vollständig geschlossen sind. Dafür wird der Ventilhubverlauf für die Ventile dieses Verbindungskanals der Zylinder 2 und 3 so gestaltet, dass, bezogen auf eine Kurbelwellenumdrehung, im Bereich hoher Kolbengeschwindigkeiten großer Ventilhub vorliegt, im Bereich geringer Kolbengeschwindigkeiten, also in der Nähe der Totpunktlagen, die Ventile geringen Ventilhub aufweisen, bzw. geschlossen sind. Im oberen Teillastbereich und im Volllastbereich, betreffend den Gesamtmotor, werden die beiden inneren Zylinder 2 und 3, bei einer Reihenanordnung von 4 Zylindern und bei einem Viertaktarbeitsverfahren mit einer Gesamtzykluswinkellänge von 720° Kurbelwinkel, relativ zueinander um 360° Kurbelwinkel in der Gesamtarbeitszykluslänge versetzt, gefeuert betrieben.In the lower part load range, in Nachexpansionsbetrieb the cylinder 2 and 3, the control of the valves for the connecting channel of cylinder 2 and cylinder 3 is such that there are, based on a crankshaft revolution, phases in which these valves are fully closed. For the valve lift course for the valves of this connecting channel of the cylinders 2 and 3 is designed so that, based on a crankshaft revolution, in the range of high piston speeds large valve lift, in the range of low piston speeds, ie in the vicinity of the dead center, the valves have low valve lift, or are closed. In the upper part-load range and full-load range, regarding the overall engine, the two inner cylinders 2 and 3 are fired at a total arrangement of 4 cylinders and in a 4-stroke cycle with a total cycle angle length of 720 ° crank angle relative to each other by 360 ° crank angle in total cycle life operated.

Es besteht die Möglichkeit, bei einem Verbrennungsmotor im unterem Teillastbereich die gewünschte Motorleistung so zu realisieren, dass bei 4 in Reihe angeordneten Zylindern für die beiden äußeren Zylindern 1 und 4 die Last angehoben wird, wogegen die beiden inneren Zylinder nicht mehr mit Frischgas befüllt werden und nicht mehr gefeuert betrieben werden. Die Ventilbetätigung für die beiden inneren Zylinder wird dabei für diesen Teillastbetrieb vollständig stillgelegt. Solche Motorenkonzepte werden mittlerweile in Großserie verbaut, so zum Beispiel bei der Volkswagen AG.It is possible to realize the desired engine performance in an internal combustion engine in the lower part-load range so that when 4 cylinders arranged in series for the two outer cylinders 1 and 4, the load is raised, whereas the two inner cylinders are no longer filled with fresh gas and no longer be fired. The valve actuation for the two inner cylinders is completely shut down for this part load operation. Such engine concepts are now being used in mass production, for example at Volkswagen AG.

Bei der vorgeschlagenen Motorenart wird bei Betrieb im unteren Teillastbereich ebenfalls bei einer Anordnung von 4 Zylindern in Reihe die gewünschte Leistung dadurch dargestellt, dass die Last der beiden äußeren Zylinder 1 und 4 angehoben wird und die beiden inneren Zylinder 2 und 3 nicht mehr mit Frischgas versorgt werden. When operating in the lower part load range also in an arrangement of 4 cylinders in series, the desired performance is represented by the fact that the load of the two outer cylinders 1 and 4 is raised and the two inner cylinders 2 and 3 are no longer supplied with fresh gas become.

Die Ventilbetätigung für die Frischgaszufuhrkanäle der beiden inneren Zylinder 2 und 3 wird in diesem Teillastbetriebsmodus vollständig stillgelegt. Beim Ausschiebetakt von Zylinder 1 strömt das Abgas aus diesem Zylinder durch einen Überströmkanal, der zu den benachbarten Zylinder 2 führt, in Zylinder 2, dieser ist dabei durch einen Überströmkanal mit Zylinder 3 räumlich verbunden. Für das Arbeitsgas ergibt sich also in der Summe der Volumenverringerung in Zylinder 1 und der Volumenvergrößerung in Zylinder 2 und 3 insgesamt eine Volumenvergrößerung. Das Arbeitsgas aus Zylinder 1 kann somit weitere Expansionsarbeit in Zylinder 2 und 3 leisten, was eine Erhöhung des Wirkungsgrades, bzw. eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs bedeutet. Beim nächsten Arbeitstakt, bei dem sich nun das Arbeitsgas aus Zylinder 1 in Zylinder 2 und 3 befindet und sich die Kolben von Zylinder 2 und 3 von der unteren Totpunktlage zur oberen Totpunktlage bewegen, strömt das Arbeitsgas bei einer (Volllast-)Zündfolge von 1-3-4-2 in dieser Zylinderreihe, wie es bei gefeuertem Betrieb aller Zylinder dieser Reihe der Fall wäre, durch den Auslasskanal von Zylinder 3 aus in den Abgastrakt, Zylinder 2 und 3 sind dabei durch einen Überströmkanal räumlich miteinander verbunden. Bei diesem Arbeitstakt würde auch beim Betrieb mit allen vier gefeuerten Zylindern dieser Zylinderreihe das Abgas aus Zylinder 3 ausströmen. Wird das Arbeitsgas aus Zylinder 4 in Zylinder 2 und 3 nachexpandiert, so strömt dieses beim Aufwärtsgang der Kolben von Zylinder 2 und 3 durch den Auslasskanal von Zylinder 2 in den Abgastrakt.The valve actuation for the fresh gas supply channels of the two inner cylinders 2 and 3 is completely shut down in this part load operating mode. When Ausschiebetakt of cylinder 1, the exhaust gas flows from this cylinder through an overflow channel leading to the adjacent cylinder 2, in cylinder 2, this is spatially connected by an overflow channel with cylinder 3. For the working gas thus results in the sum of the reduction in volume in cylinder 1 and the increase in volume in cylinders 2 and 3 total volume increase. The working gas from cylinder 1 can thus perform further expansion work in cylinders 2 and 3, which means an increase in efficiency, or a reduction in fuel consumption. At the next power stroke, in which now the working gas from cylinder 1 is in cylinders 2 and 3 and the pistons of cylinders 2 and 3 move from the bottom dead center to the top dead center, the working gas flows at a (full load) firing order of 1- 3-4-2 in this row of cylinders, as would be the case in fired operation of all cylinders of this series, through the exhaust port of cylinder 3 into the exhaust tract, cylinders 2 and 3 are spatially interconnected by an overflow. In this work cycle, the exhaust gas from cylinder 3 would also flow when operating with all four cylinders fired this cylinder series. If the working gas from cylinder 4 is reexpanded in cylinders 2 and 3, this flows during the upward movement of the pistons of cylinders 2 and 3 through the exhaust port of cylinder 2 into the exhaust gas tract.

Bei einer in dieser Zylinderreihe vorliegenden Zündfolge von 1-2-4-3 strömt das Arbeitsgas von Zylinder 1, das in den Zylindern 2 und 3 nachexpandiert wird, bei der Bewegung der Kolben von Zylinder 2 und 3 von unterem zum oberen Totpunkt durch den Auslasskanal von Zylinder 2 in den Abgastrakt. Auch bei Betrieb mit allen vier gefeuerten Zylindern dieser Zylinderreihe würde bei diesem Arbeitstakt das Abgas aus Zylinder 2 ausströmen. Wird bei einer vorliegenden Zündfolge von 1-2-4-3 das Arbeitsgas aus Zylinder 4 in Zylinder 2 und 3 nachexpandiert, so strömt dieses beim Aufwärtsgang der Kolben von Zylinder 2 und 3 durch den Auslasskanal von Zylinder 3 in den Abgastrakt.In a firing order of 1-2-4-3 present in this cylinder bank, the working gas of cylinder 1, which is reexpanded in the cylinders 2 and 3, flows through the exhaust passage as the pistons of cylinders 2 and 3 move from lower to top dead center from cylinder 2 into the exhaust tract. Even when operating with all four fired cylinders of this cylinder row, the exhaust gas would flow out of cylinder 2 at this power stroke. If the working gas from cylinder 4 in cylinders 2 and 3 is reexpanded in an existing firing order of 1-2-4-3, this flows during the upward movement of the piston from cylinder 2 and 3 through the exhaust port of cylinder 3 into the exhaust tract.

Das hier vorgeschlagene Verbrennungsmotorenkonzept ermöglicht es, durch Nachexpansion des Arbeitsgases aus gefeuerten Zylindern in ungefeuerten Zylindern die Verbrennungswärme besser zu nutzen, ohne besondere Neuvarianten von Grundmotoren (z. B.: Dreizylindermotor, wobei der mittlere Zylinder ein etwa doppelt so großes Hubvolumen wie einer der beiden äußeren Zylinder besitzt), ohne sich daraus ergebende Nachteile bei der spezifischen Leistung (KW/dm³), (im oberen Teillastbereich und bei Volllast kann die erfindungsgemäße Motorenvariante mit allen Zylindern gefeuert betrieben werden), ohne viel hierfür erforderlichen zusätzlichen Bauraum und ohne viel hierfür erforderliches zusätzliches Gewicht. Hinsichtlich des Drehkraftverlaufs des vorgeschlagenen Motorenkonzepts ergeben sich im unteren Teillastgebiet, bei Nutzung der beiden inneren Zylinder zur Nachexpansion des Arbeitsgases aus den beiden äußeren Zylindern Vorteile gegenüber Motoren, bei denen im Teillastgebiet von vier in Reihe angeordneten Zylindern z. B. die beiden inneren Zylinder durch vollständige Stilllegung der Ventilbetätigung dieser Zylinder abgeschaltet werden. Bei Motorbetrieb im oberen Teillastbereich und bei Volllast zeigt das erfindungsgemäße Motorenkonzept beim Drehkraftverlauf keine Nachteile gegenüber bisher konventionellen Motoren, da ja hierbei alle vier Zylinder gefeuert betrieben werden. Auch ist für die vorgeschlagene Motorvariante keine neuartige Kinematik erforderlich, hierfür muss also kein Neuland betreten werden, das vorgeschlagene Verbrennungsmotorenkonzept kann aus bekannten und bewährten Baukomponenten generiert werden.The internal combustion engine concept proposed here makes it possible to make better use of the combustion heat by reexpansion of the working gas from fired cylinders in unfired cylinders, without special new variants of basic engines (eg three-cylinder engine, the middle cylinder having approximately twice the displacement as one of the two outer cylinder has), without resulting disadvantages in the specific power (KW / dm ³ ), (in the upper part-load range and at full load engine variant of the invention with all cylinders can be operated fired), without much additional space required and without much required additional weight. With regard to the torque curve of the proposed engine concept results in the lower part load area, when using the two inner cylinder for Nachexpansion of the working gas from the two outer cylinders advantages over engines in which in the partial load range of four cylinders arranged in series z. B. the two inner cylinders are switched off by complete shutdown of the valve actuation of these cylinders. When the engine is operating in the upper part-load range and at full load, the engine concept according to the invention exhibits no disadvantages compared to previously conventional engines since all four cylinders are fired. Also, no novel kinematics is required for the proposed engine variant, so this no new territory must be entered, the proposed engine concept can be generated from known and proven components.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 000060116942 T2 [0003, 0004, 0004]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Dissertation D386 2006, page 71 ff, by Dr.-Ing. Gert Schreiber, University of Kaiserslautern [0003]

Claims

Internal combustion engine with Nachexpansion of the working gas in the partial load range, characterized in that the phase angle of the crankcranes is selected so that in a series arrangement of 4 cylinders when the two outer pistons of cylinders 1 and 4 are in top dead center +/- 30 ° crank angle the two inner piston of cylinders 2 and 3 are in the bottom dead center position +/- 30 ° crank angle, wherein, in a firing order in this row of cylinders of 1-3-4-2 or 1-2-4-3, at a Four-stroke process, in the lower part load range after the working or expansion stroke in cylinder 1, the exhaust stroke of this cylinder, the working gas of this cylinder by a transfer channel ( 1 ), which can be opened and closed by controlling valves which in the closed state limit the working volume in a cylinder, flows into cylinder 2, whereby cylinder 2 flows through an overflow channel (FIG. 1 ), which can be opened and closed by controlling valves which in the closed state limit the working volume in a cylinder, is connected to cylinder 3, whereby due to the volume reduction in cylinder 1 and the increase in volume in cylinders 2 and 3 at the exhaust stroke in Cylinder 1 for the working gas results in an overall increase in volume. In the next power stroke, in which the working gas from cylinder 1 is in cylinders 2 and 3, the working gas is pushed out of the cylinders 2 and 3 by the cylinder volume reduction caused by the piston movement through one of the cylinder 2 or cylinder 3 leading away channels Cylinders 2 and 3 in turn by an overflow channel ( 1 ), which are spatially connected by controlling valves which in the closed state limit the working volume of a cylinder can be opened and closed.

Internal combustion engine with Nachexpansion of the working gas in the partial load range, characterized in that after the working or expansion stroke in cylinder 4, the Ausschiebetakt this cylinder, the working gas of this cylinder through a connecting channel ( 1 ), which can be opened and closed by controlling valves, which in the closed state limit the working volume of a cylinder, can be opened and closed in cylinder 3, cylinder 3 being connected through a connecting channel (FIG. 1 ), which can be opened and closed by controlling valves which in the closed state limit the working volume in the cylinder, is connected to cylinder 2, whereby due to the volume reduction in cylinder 4 and the increase in volume in cylinders 3 and 2 in the exhaust stroke in cylinder 4 for the working gas results in an overall increase in volume. At the next power stroke, in which the working gas from cylinder 4 is in cylinders 3 and 2, the working gas is pushed out of the cylinders 3 and 2 by the reduction of the cylinder volume caused by the piston movement through one of the cylinders 3 or cylinders 2 leading away , wherein cylinders 3 and 2 in turn by an overflow channel ( 1 ), which are spatially connected by controlling valves that limit the working volume in the cylinder in the closed state, can be opened and closed.

Internal combustion engine with Nachexpansion of the working gas in the partial load range, characterized in that in the upper part-load range and in the full load range, concerning the entire engine, the transfer channels from cylinder 1 to cylinder 2, cylinder 4 to cylinder 3 and cylinder 2 to cylinder 3 ( 1 ) shut down or shut down by switching off the valve actuation for all cycles of the entire work cycle and in the lower part load range, relating to the entire engine, the valve actuation for, or the intake ports of cylinder 2 and cylinder 3 and for, or the exhaust ports of Cylinder 1 and cylinder 4, which do not lead to the post-expansion of the working gas in cylinder 2 and / or 3, be shut down for all cycles of the entire work cycle.

Internal combustion engine with Nachexpansion of the working gas in the partial load range, characterized in that in the lower part load range, relating to the entire engine, the output power in a series arrangement of 4 cylinders by load increase of the two outer cylinders 1 and 4 in this row of cylinders, using the two inner cylinders 2 and 3 for Nachexpansion of the working gas from the two outer cylinders 1 and 4, is shown, wherein in this mode of operation, the two inner cylinders 2 and 3 are alternately acted upon by working gas from cylinder 1, or cylinder 4, wherein in a four-stroke process of cylinder. 1 , in the lower part load range, after the expansion stroke in cylinder 1, the exhaust stroke of this cylinder, the working gas of this cylinder by a transfer channel ( 1 ), which can be opened and closed by controlling valves which in the closed state limit the working volume in the cylinder, flows into cylinder 2, whereby cylinder 2 flows through an overflow channel (FIG. 1 ), which can be opened and closed by controlling valves which in the closed state limit the working volume in the cylinder, is connected to cylinder 3, whereby due to the volume reduction in cylinder 1 and the increase in volume in cylinders 2 and 3 in the exhaust stroke in cylinder 1 for the working gas results in an overall increase in volume. At the next power stroke, in which the working gas from cylinder 1 is in cylinders 2 and 3, the working gas is due to the piston movement caused cylinder volume reduction by one, or by the cylinder 2 or cylinder 3 leading away channels ( 1 ) are ejected from the cylinders 2 and 3, wherein cylinders 2 and 3 in turn by a transfer channel ( 1 ), which are spatially connected by controlling valves that limit the working volume in the cylinder in the closed state, can be opened and closed.

Internal combustion engine with Nachexpansion of the working gas in the partial load range, characterized in that the control of the charge exchange is carried out only with valves that limit a cylinder working volume in the closed state, in which in fired operation in the upper part load range and / or. In the full load combustion occurs, or prevent flow into this cylinder, or prevent an outflow from this cylinder.

Internal combustion engine with post-expansion of the working gas in the partial load range, characterized in that in the lower part-load range, in Nachexpansionsbetrieb the cylinder 2 and 3, the nachexpandierte working gas is alternately discharged once via the outlet channel of cylinder 2, once via the outlet channel of cylinder 3 ( 1 Cylinders 2 and 3 in turn by an overflow channel ( 1 ), which are spatially connected by controlling valves which each limit a working volume in the cylinder in the closed state, can be opened and closed.

Internal combustion engine with Nachexpansion of the working gas in the partial load range, characterized in that in the lower part-load range, in Nachexpansionsbetrieb the cylinders 2 and 3, the control of the valves for the connecting channel of cylinder 2 and cylinder 3 ( 1 ) takes place in such a way that, based on a crankshaft revolution, there are phases in which these valves are completely closed.

Internal combustion engine with Nachexpansion of the working gas in the partial load range, characterized in that in the upper part load range and full load range, concerning the entire engine, the two inner cylinders 2 and 3, which are used in the lower part load area for Nachexpansion of the working gas from the cylinders 1 and 4, relative to each other operated by 360 ° +/- 30 ° crank angle offset in the total working cycle angle length fired ( 2 ).