DE102013113040A1

DE102013113040A1 - Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine und eine dazugehörige Vorrichtung

Info

Publication number: DE102013113040A1
Application number: DE201310113040
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-02-10
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2014-08-14

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine und eine dazugehörige Vorrichtung zu entwickeln, bei dem der Ladungswechsel ohne Ansaug- und Ausschiebearbeit des Kolbens und unter Ausschluss einer Ausspülung des Abgases stattfindet. Mit dem Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine und der dazugehörigen Vorrichtung, bei dem durch einen Kolben in einem Zylinder (1) ein oberer Totpunkt (12) und ein unterer Totpunkt (13) durchlaufen wird, welches die nachfolgenden Verfahrensschritte aufweist: a) ein Auslassventil (5) wird ca. 30° bis ca. 60 ° vor dem Erreichen des unteren Totpunktes (13) geöffnet, b) ein Einlassventil (4) wird ca. 40° bis ca. 60° nach dem unteren Totpunkt (13) geschlossen, c) der Kraftstoff wird in den Zylinder (1) gespritzt und anschließend: – entzündet sich das im Zylinder (1) entstandene Kraftstoffluftgemisch selbst oder – das entstandene Kraftstoffluftgemisch wird durch eine Zündkerze gezündet und dehnt sich im Arbeitstakt aus, wodurch sich der Kolben in einem Zylinder (1) zum unteren Totpunkt (13) bewegt, wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass: d) nacheinander das Auslassventil (15) geschlossen und das Einlassventil (4) geöffnet wird. Derartige Verbrennungskraftmaschinen werden in der Fahrzeugtechnik als Antriebsmotor eingesetzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine dazugehörige Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7. Derartige Verbrennungskraftmaschinen werden in der Fahrzeugtechnik als Antriebsmotor eingesetzt.
Aus der DE 38 12 304 A1 ist eine Verbrennungskraftmaschine mit Aufladung bekannt, bei der, bezogen auf ein Steuerdiagramm, das Auslassventil ca. 40° bis 60 ° vor dem unteren Totpunkt des Kolbens öffnet. An dem Zeitpunkt, zu dem der Druck im Zylinder auf das Niveau des Ladedruckes abgefallen ist, öffnet das Einlassventil, so dass beide Ventile offenstehen, und die vom Ladedruck angetriebene Luft in den Zylinder strömt, sich mit dem Abgas vermischt und als Luft-Abgasgemisch den Zylinder über das Auslassventil wieder verlässt. Dabei wird der größte Teil des im Zylinder verbliebenen Abgasrests aus dem Zylinder gespült. Etwa 40° bis 60° nach dem unteren Totpunkt schließen Auslassventil und Einlassventil nacheinander, um eine maximale Zylinderfüllung mit Luft zu erreichen. Mit dem Schließen des Einlassventils beginnt der Verdichtungstakt, wobei kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes der Kraftstoff in den Zylinder gespritzt wird. Anschließend wird das im Zylinder entstandene Kraftstoffluftgemisches durch eine Zündkerze beim Benzinmotor oder durch Selbstzündung beim Dieselmotor gezündet. Nun folgt der Arbeitstakt, bis dass Auslassventil wieder geöffnet wird und der zuvor beschriebene Ablauf vom Neuen beginnt. Von Nachteil ist aber, dass für eine Zeitspanne das Auslassventil und das Einlassventil gleichzeitig geöffnet sind, wodurch die Frischluft der Ausspülung des Abgases dient und somit ein Frischgasverlust erfolgt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine und eine dazugehörige Vorrichtung zu entwickeln, bei dem der Ladungswechsel ohne Ansaug- und Ausschiebearbeit des Kolbens und unter Ausschluss einer Ausspülung des Abgases stattfindet.
Verfahrensseitig wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und vorrichtungsseitig durch die Merkmale des Anspruchs 7 gelöst. Zweckdienliche Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 6 bzw. 8.
Das neue Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine und die dazugehörige Vorrichtung beseitigen die genannten Nachteile des Standes der Technik. Vorteilhaft bei der Anwendung des neuen Verfahrens zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, bei dem durch einen Kolben in einem Zylinder ein oberer Totpunkt und ein unterer Totpunkt durchlaufen wird, welches die nachfolgenden Verfahrensschritte aufweist:

a) ein Auslassventil wird ca. 30° bis ca. 60 ° vor dem Erreichen des unteren Totpunktes geöffnet,
b) ein Einlassventil wird ca. 40° bis ca. 60° nach dem unteren Totpunkt geschlossen,
c) der Kraftstoff wird in den Zylinder gespritzt und anschließend: – entzündet sich das im Zylinder entstandene Kraftstoffluftgemisch selbst oder – das entstandene Kraftstoffluftgemisch wird durch eine Zündkerze gezündet und dehnt sich im Arbeitstakt aus, wodurch sich der Kolben in einem Zylinder zum unteren Totpunkt bewegt, ist es, dass:
d) nacheinander das Auslassventil geschlossen und das Einlassventil geöffnet wird.

Vorteilhaft bei der Anwendung der neuen Vorrichtung zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, bestehend aus einem Zylinder mit einem Kolben, wobei der Zylinder im Wesentlichen ein Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder, ein Einlassventil zum Einführen von Frischluft in den Zylinder und ein Auslassventil zum Ausströmen der nach der Zündung des Kraftstoffluftgemisches entstanden Abgase aus dem Zylinder aufweist, ist es, dass das Einlassventil über ein Frischluftkanal und das Auslassventil über einen Abgaskanal mit einer Abgas-Ladepumpe jeweils strömungstechnisch verbunden sind, wobei die Abgas-Ladepumpe zwei in jeweils einem Gehäuse angeordnete und über eine Welle mit einem Elektromotor mechanisch miteinander verbundene Schaufelräder aufweist und die Schaufelblätter der Schaufelräder derart gleichgerichtet angeordnet sind, dass sie die Frischluft und das Abgas jeweils axial ansaugen und radial aus dem jeweiligen Gehäuse herausdrücken. Dadurch wird im Abgaskanal in Strömungsrichtung vor der Abgas-Ladepumpe ständig ein Unterdruck erzeugt, wodurch insbesondere bei geöffnetem Auslassventil und gleichzeitig geschlossenem Einlassventil das Abgas aus dem Zylinder abgesaugt und auch im Zylinder ein Unterdruck erzeugt wird. Während das Einlassventil geöffnet ist, ist das Auslassventil geschlossen, so dass durch die Abgas-Ladepumpe Frischluft über den Frischluftkanal und das Einlassventil gedrückt wird. Durch diesen geschlossenen Gaswechsel kommt es in Folge der fehlenden Ventilüberscheidung von Auslass- und Einlasssteuerzeiten weder zu einer Vermischung der Frischluft mit dem Abgas noch zu Frischluftverlusten.
Das neue Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine und die dazugehörige Vorrichtung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu zeigt:
1: Schematische Darstellung eines Frischluft- und Abgasführung an einem Zylinder,
2: Schematische Darstellung eines Arbeitsdiagramms für einen Benzinmotor,
3: Schematische Darstellung eines Arbeitsdiagramms für einen Dieselmotor,
4: Schematische Darstellung eines Steuerdiagramms und
5: Schematische Darstellung des Steuerdiagramms.
Die neue Vorrichtung zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine ist im Ausführungsbeispiel gemäß der 1 vereinfacht ein Benzinmotor oder Dieselmotor, wobei zur Vereinfachung in der 1 die Kraftstoffeinspritzung und zusätzlich für den Ottomotor die Zündkerze nicht gekennzeichnet sind. Die Frischluft- und Abgasführung an einem Zylinder 1 weist frischluftseitig einen Frischluftkanal 2 mit einem Ladeluftkühler 3 auf, der ausgangsseitig über ein Einlassventil 4 mit dem Zylinder 1 strömungstechnisch verbunden ist. Abgasseitig besitzt die Frischluft- und Abgasführung des Zylinders 1 einen über ein Auslassventil 5 mit dem Zylinder 1 strömungstechnisch verbunden Abgaskanal 6. Im Frischluftkanal 2 in Strömungsrichtung vor dem Ladeluftkühler 1 und im Abgaskanal 6 in Strömungsrichtung nach dem Auslassventil 3 ist zudem eine Abgas-Ladepumpe 7 angeordnet. Diese Abgas-Ladepumpe 7 weist zwei in jeweils einem Gehäuse 8, 8‘ angeordnete und über eine Welle 9 mit einem Elektromotor 10 mechanisch miteinander verbundene Schaufelräder 11, 11‘ auf, wobei die Schaufelblätter der Schaufelräder 11, 11‘ derart gleichgerichtet angeordnet sind, dass sie die Frischluft und das Abgas jeweils axial ansaugen und radial aus dem jeweiligen Gehäuse 8, 8‘ herausdrücken.
Das neue Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine soll nach dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1 anhand der 2 bis 5 erläutert werden. Gemäß der 5 bewegt sich der Kolben im Zylinder 1 zwischen einem oberen Totpunkt 12 und einem unteren Totpunkt 13, wobei die Zeitspannen vom oberen Totpunkt 12 bis zum unteren Totpunkt 13 ein Arbeitstakt und vom unteren Totpunkt 13 bis zum oberen Totpunkt 12 ein Verdichtungstakt darstellen. Im Arbeitstakt wird ca. 30° bis ca. 60 ° vor dem Erreichen des unteren Totpunktes 13 am Punkt 14 das Auslassventil 5 geöffnet, worüber sich die ca. 550 °C bis 750 °C heißen Abgase durch einem am Ende des Arbeitstaktes noch in dem Zylinder 1 vorhandenen Druck von 4 bis 6 bar aus dem Zylinder 1 und in den Abgaskanal 6 kurzzeitig entspannt und dann durch die Abgas-Ladepumpe 7 abgesaugt werden, so dass im Zylinder 1 gemäß der 2 und 3 ein Unterdruck zwischen 0,4 und 0,8 bar entsteht. Am Punkt 15, der identisch mit dem unteren Totpunkt 13 und damit dem Ende des Arbeitstaktes ist, wird das Auslassventil 5 wieder geschlossen. Mit dem Beginn des anschließenden Verdichtungstakt kurz hinter dem unteren Totpunkt 13 wird am Punkt 16 das Einlassventil 4 geöffnet, wodurch mit der Abgas-Ladepumpe 7 komprimierte Frischluft über das Einlassventil 4 in den Zylinder 1 gedrückt wird. Am Punkt 17 wird das Einlassventil 4 wieder geschlossen, so dass zu diesem Zeitpunkt im Zylinder 1 gemäß der 2 und 3 ein Druck von ca. 2 bis 3 bar vorliegt. Im weiteren Verlauf des Verdichtungstakts wird bis zum Erreichen des oberen Totpunkts 12 diese vorkomprimierte Luft durch den Kolben des Zylinders 1 auf den 11. bis 24. Teil des Zylindervolumens verdichtet, wobei sich diese Luft auf ca. 600 °C bis 900 °C erwärmt und ein Verdichtungsdruck von 16 bar bis 45 bar erreicht wird. Im Verdichtungstakt wird bei einem Dieselmotor nahe dem oberen Totpunkt 12 (ca. 15 ° vor dem oberen Totpunkt 12) über ein in der 1 nicht dargestelltes Einspritzventil Kraftstoff mit einem Druck von bis zu 2050 bar in den Zylinder 1 eingespritzt. Bei einem Benzinmotor kann die Kraftstoffeinspritzung bereits zum Zeitpunkt der Frischluftzugabe oder während der Verdichtung erfolgen. Zu Beginn des Arbeitstaktes und nahe dem oberen Totpunkt 12 wird bei einem Ottomotor durch eine in der 1 nicht dargestellte Zündkerze bzw. beim Dieselmotor durch Selbstzündung (die Selbstzündtemperatur eines Dieselkraftstoffes liegt bei ca. 320 bis 380 °C) das sich im Zylinder 1 gebildete und verdichtete Kraftstoffluftgemisches gezündet. Durch den hohen Verbrennungsdruck bewegt sich im anschließenden Arbeitstakt der Kolben in Richtung unteren Totpunkt 13 und der zuvor beschriebene Ablauf beginnt vom Neuen am Punkt 14 mit dem Öffnen des Auslassventil 5 ca. 30° bis ca. 60 ° vor dem Erreichen des unteren Totpunktes 13. Die Abgas-Ladepumpe 7 erzeugt dabei frischluftseitig ständig komprimierte Frischluft und abgasseitig ständig einen Unterdruck, wozu die Schaufelräder über die Welle 9 von dem Elektromotor 10 angetrieben werden.
Denkbar ist es auch, die Zeitpunkte 16 und 17, bei dem das Einlassventil 4 geöffnet bzw. geschlossen wird, variabel zu gestalten, weil somit eine große Variationsmöglichkeit bei der Gestaltung der Lufteinblasmenge und des Einblaszeitpunktes erreicht wird. Dadurch kann der Füllungsgrad des Zylinders mit Luft unabhängig von der Motordrehzahl je nach Leistungs-, Kraftstoffverbrauchs- und/ oder Abgasvorgaben festgelegt werden. Ebenso ist es denkbar, die Zeitpunkt 14 und 15, bei dem das Auslassventil 5 geöffnet bzw. geschlossen wird, variabel zu gestalten, weil dadurch eine Anpassung der Öffnungszeit des Auslassventils 5 an Drehzahl und Last (Schiebelast) erreicht wird. Weiterhin ist es denkbar, dass in bestimmten Drehzahlbereichen und nach erfolgter Abgasabsaugung das Einlassventil 4 auch vor dem Erreichen des unteren Totpunktes 13 geöffnet wird, um ausreichend Zeit für die Bildung des Brennstoffluftgemisches zu erhalten.
Auch ist es denkbar, die Größe des Unterdruckes im Abgaskanal 6 je nach Drehzahl und Last (Schiebelast) zu steuern. Die Steuerung erfolgt dann über ein in der 1 nicht dargestelltes Bypass-Ventil, welches in einem Bypass zwischen Abgaskanal 6 und dem Abgaspumpengehäuse 8‘ hinter dem Abgaspumpenrad 11‘ der Abgas-Ladepumpe 7 angeordnet ist. Von Vorteil ist es dann auch, wenn dieses Bypass-Ventil elektrisch betätigt und von einem Steuergerät elektronisch angesteuert wird. Denkbar ist es auch, dass der Kraftstoff beim Dieselmotor kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes (12) oder beim Ottomotor im Schichtbetrieb bis zu einer Umdrehung von ca. 3000 min^–1 in den Verdichtungstakt kurz vor dem Zündzeitpunkt und im Homogenbetrieb bei einer Umdrehung von über 3000 min^–1 zusammen mit der Verbrennungsluftzufuhr in den Zylinder (1) eingespritzt wird und anschließend:

– beim Dieselmotor sich das im Zylinder (1) entstandene Kraftstoffluftgemisch selbstentzündet oder
– beim Ottomotor das entstandene Kraftstoffluftgemisch durch eine Zündkerze gezündet wird,

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Bezugszeichenliste
zu Fig. 2 und Fig. 3:

1: Verbrennungslufteinblasung
2: Verdichten
3: Verbrennen
4: Ausdehnen
5: Zylinderabsaugung
6: Zündzeitpunkt
E6: Einspritzbeginn

1: Einblasung
2: Verdichtung
3: Arbeiten
4: Absaugung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3812304 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, bei dem durch einen Kolben in einem Zylinder (1) ein oberer Totpunkt (12) und ein unterer Totpunkt (13) durchlaufen wird, welches die nachfolgenden Verfahrensschritte aufweist: a) ein Auslassventil (5) wird ca. 30° bis ca. 60 ° vor dem Erreichen des unteren Totpunktes (13) geöffnet, b) ein Einlassventil (4) wird ca. 40° bis ca. 60° nach dem unteren Totpunkt (13) geschlossen, c) der Kraftstoff wird in den Zylinder (1) gespritzt und anschließend: – entzündet sich das im Zylinder (1) entstandene Kraftstoffluftgemisch selbst oder – das entstandene Kraftstoffluftgemisch wird durch eine Zündkerze gezündet und dehnt sich im Arbeitstakt aus, wodurch sich der Kolben in einem Zylinder (1) zum unteren Totpunkt (13) bewegt, dadurch gekennzeichnet, dass: d) nacheinander das Auslassventil (5) geschlossen und das Einlassventil (4) geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – vor Erreichen des unteren Totpunktes (13), – am unteren Totpunktes (13) oder – nach dem unteren Totpunkt (13) nacheinander das Auslassventil (5) geschlossen und das Einlassventil (4) geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Öffnen des Auslassventils (5) am Punkt (14) bis zum Schließen des Auslassventils (5) am Punkt (15) durch eine ausgangsseitig über ein Abgaskanal (6) strömungstechnisch mit dem Auslassventil (5) verbundene Abgas-Ladepumpe (7) das im Zylinder (1) vorhandene Abgas abgesaugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit Absaugen der Abgase aus dem Zylinder (1) durch die Abgas-Ladepumpe (7) ein Unterdruck im Zylinder (1) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Zylinder (1) nach dem Schließen des Auslassventils (15) und vor dem Öffnen des Einlassventils (4) zwischen 0,4 und 0,8 bar liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass c) der Kraftstoff beim: – Dieselmotor kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes (12) oder – Ottomotor im Schichtbetrieb bis zu einer Umdrehung von ca. 3000 min^–1 in den Verdichtungstakt kurz vor dem Zündzeitpunkt und im Homogenbetrieb bei einer Umdrehung von über 3000 min^–1 zusammen mit der Verbrennungs- luftzufuhr in den Zylinder (1) gespritzt wird und anschließend: – sich das im Zylinder (1) entstandene Kraftstoffluftgemisch selbstentzündet oder – das entstandene Kraftstoffluftgemisch durch eine Zündkerze gezündet wird, wodurch sich durch die Verbrennungsgase der Druck im Zylinder (1) erhöht und der sich der Kolben in einem Zylinder (1) zum unteren Totpunkt (13) bewegt.
Vorrichtung zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, bestehend aus einem Zylinder (1) mit einem Kolben, wobei der Zylinder (1) im Wesentlichen ein Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder (1), ein Einlassventil (4) zum Ein- führen von Frischluft in den Zylinder (1) und ein Auslassventil (5) zum Ausströmen der nach der Zündung des Kraftstoffluftgemisches entstanden Abgase aus dem Zylinder (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (4) über ein Frischluftkanal (2) und das Auslassventil (5) über einen Abgaskanal (6) mit einer Abgas-Ladepumpe (7) jeweils strömungstechnisch verbunden sind, wobei die Abgas-Ladepumpe (7) zwei in jeweils einem Gehäuse (8, 8‘) angeordnete und über eine Welle (9) mit einem Elektromotor (10) mechanisch miteinander verbundene Schaufelräder (11, 11‘) aufweist und die Schaufelblätter der Schaufelräder (11, 11‘) derart gleichgerichtet angeordnet sind, dass sie die Frischluft und das Abgas jeweils axial ansaugen und radial aus dem jeweiligen Gehäuse (8, 8‘) herausdrücken.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (10) der Abgas-Ladepumpe (7) ständig über die Welle (9) die Schaufelräder (11, 11‘) in Rotationsbewegung versetzt, so dass frischluftseitig ständig komprimierte Frischluft und abgasseitig ständig einen Unterdruck erzeugt werden.