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VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen des Prioritätsdatums der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Nr. 61/721,958, die den Titel trägt PISTON COMPOUND INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH EXPANDER DEACTIVATION und die am 02. November 2012 eingereicht wurde.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein eine Kolben-Verbundbrennkraftmaschine und spezieller eine Kolben-Verbundbrennkraftmaschine mit einem sekundären Expanderkolben für eine verbesserte Effizienz bei mittleren und hohen Lasten, wobei der sekundäre Expanderkolben unter Bedingungen mit niedriger Last deaktiviert und stationär gemacht werden kann, um parasitäre Verluste und eine Überexpansion zu verringern.
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Diskussion der verwandten Technik
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Brennkraftmaschinen sind eine bewährte, effektive Leistungsquelle für viele Anwendungen, und zwar sowohl stationäre als auch mobile. Von den verschiedenen Typen von Brennkraftmaschinen ist die Kolbenkraftmaschine bei weitem die gebräuchlichste in Kraftfahrzeugen und anderen landbasierten Formen des Trans-Ports. Obgleich die Kraftmaschinenhersteller große Fortschritte beim Verbessern der Kraftstoffeffizienz in Kolbenkraftmaschinen gemacht haben, müssen weitere Verbesserungen ausgeführt werden, um die begrenzten Ressourcen fossiler Kraftstoffe zu bewahren, um die Umweltverschmutzung zu verringern und um die Betriebskosten für Fahrzeugbesitzer zu senken.
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Eine Technik zum Verbessern der Effizienz von Kolbenkraftmaschinen ist es, einen sekundären Expanderkolben zu verwenden, um zusätzliche Energie aus Abgasen zu entnehmen, bevor die Abgase in die Umgebung ausgestoßen werden. Sekundäre Expanderkolben können beim Verbessern der Effizienz unter relativ hohen Lasten wirksam sein, bei denen die Abgase weiterhin eine beträchtliche Energiemenge aufweisen. Die sekundären Expanderkolben sind jedoch unter Bedingungen mit geringer Last nicht sehr effektiv und können tatsächlich kontraproduktiv sein, wenn parasitäre Verluste den Vorteil einer beliebigen zusätzlichen entnommenen Energie überwiegen können. Da Kraftmaschinen von Kraftfahrzeugen inhärent unter weit variierenden Bedingungen arbeiten, einschließlich eines wesentlichen Anteils eines Betriebs bei niedriger Last, haben sich herkömmliche Konstruktionen von Kolbenkraftmaschinen mit sekundärem Expander als nicht vorteilhaft erwiesen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung wird eine Kolben-Verbundbrennkraftmaschine mit einem Merkmal zur Deaktivierung eines Expanderkolbens offenbart. Eine Kolbenbrennkraftmaschine ist mit einem sekundären Expanderkolben verbunden, wobei der Expanderkolben Energie aus den Abgasen entnimmt, die von den primären Arbeitskolben ausgestoßen werden. Unter Bedingungen mit niedriger Last kann der sekundäre Expanderkolben deaktiviert und stillgelegt werden oder kann dessen Hub verringert werden, um parasitäre Verluste und eine Überexpansion zu verringern. Es werden zwei Mechanisierungen für die Kopplung des sekundären Expanderkolbens mit den Arbeitskolben und einer Kurbelwelle offenbart. Ebenso werden Steuerstrategien zur Aktivierung und Deaktivierung des sekundären Expanderkolbens offenbart.
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Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche offensichtlich werden, die mit den begleitenden Zeichnungen in Verbindung gebracht werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Draufsichtdarstellung einer Kolbenkraftmaschine, die mit einem sekundären Expanderkolben verbunden ist;
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2 ist eine Seitenansichtdarstellung einer ersten Mechanisierung zur Kopplung des sekundären Expanderkolbens mit den Arbeitskolben einer Kraftmaschine und mit einer Kurbelwelle, während eine Deaktivierung oder ein verringerter Hub des Expanderkolbens ermöglicht wird;
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3 ist eine Seitenansichtdarstellung einer zweiten Mechanisierung zur Kopplung des sekundären Expanderkolbens mit den Arbeitskolben der Kraftmaschine und der Kurbelwelle, während eine Deaktivierung des Expanderkolbens ermöglicht wird; und
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4 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Aktivieren und Deaktivieren des sekundären Expanderkolbens, um die Effizienz der Kraftmaschine zu optimieren.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die nachfolgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf eine Kolben-Verbundkraftmaschine mit Expanderdeaktivierung gerichtet sind, ist nur beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder deren Anwendungsmöglichkeiten oder Verwendungen einzuschränken.
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Das Erreichen der maximalen Kraftstoffeffizienz mittels Brennkraftmaschinen war für lange Zeit ein Ziel der Kraftmaschinenkonstrukteure. Eine Technik, die in der Vergangenheit verwendet wurde, ist das Einbinden eines sekundären Expanderkolbens in eine Kraftmaschine, wobei der Expanderkolben zusätzliche Energie aus den Abgasen der Kraftmaschine entnimmt.
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1 ist eine Draufsichtdarstellung einer Kolbenkraftmaschine, die mit einem sekundären Expanderkolben verbunden ist. Die Kraftmaschine 10 umfasst zwei Arbeitskolben 12, welche die Kolben sind, die normalerweise in einer Brennkraftmaschine anzutreffen sind. Die Arbeitskolben 12 nehmen in ihren entsprechenden Zylindern eine Ladung von Kraftstoff und Luft durch einen Einlasskanal 13 hindurch auf, welche Ladung anschließend komprimiert, gezündet und expandiert wird. Nachdem die Verbrennungsgase in dem Arbeitstakt expandiert sind, werden die Gase aus den Zylindern der Arbeitskolben ausgestoßen. In der Verbundkraftmaschine 10 werden die Abgase, anstatt dass die Gase von den Arbeitskolben 12 durch ein Abgassystem in die Umgebung ausgestoßen werden, über einen Übertragungskanal 15 zu einem sekundären Expanderkolben 14 geleitet, der in seinem Arbeitstakt zusätzliche Energie aus dem Abgas entnimmt und die Gase anschließend durch einen Auslasskanal 17 in die Umgebung ausstößt. Da die Gase durch die Arbeitskolben 12 bereits einmal expandiert wurden, sind die Gasdrücke in dem Expanderkolben 14 geringer. Daher weist der Expanderkolben 14 eine beträchtlich größere Bohrung als die Arbeitskolben 12 auf.
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Ein Verhältnis von zwei Arbeitskolben 12 zu einem Expanderkolben 14 ist bei einer Kraftmaschine mit 4-Takt-Zyklus ideal. Dies liegt daran, dass die zwei Arbeitskolben 12, die mechanisch in Phase sind (sich beide zur gleichen Zeit am oberen Totpunkt (TDC) befinden usw.), bezüglich ihrer Verbrennungszyklen um 360 Grad außer Phase sind (einer der Arbeitskolben 12 beginnt einen Einlasstakt, wenn der andere einen Arbeitstakt beginnt, usw.). Jedes Mal dann, wenn der Expanderkolben 14 den TDC erreicht, hat daher einer der Arbeitskolben 12 einen unteren Totpunkt (BDC) in seinem Arbeitstakt erreicht und ist bereit, seine Gase über seinen entsprechenden Übertragungskanal 15 in den Expanderkolben 14 zu entladen. Folglich arbeitet der Expanderkolben 14 in einem 2-Takt-Modus mit einem Arbeitstakt und einem Auslasstakt bei jeder Kurbelwellenumdrehung.
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Die Kraftmaschine 10 könnte mit Dieselkraftstoff betrieben werden (Kompressionszündung), oder sie könnte mit Benzin oder einer Vielzahl anderer Kraftstoffe betrieben werden (Funkenzündung). Die Kraftmaschine 10 könnte lediglich die zwei Arbeitskolben 12 und den einen Expanderkolben 14 umfassen, oder es könnte die Kraftmaschine 10 auf vier oder acht der Arbeitskolben 12 mit einem Expanderkolben 14 für jede zwei Arbeitskolben 12 vergrößert werden. Bei Kraftfahrzeuganwendungen könnte die Kraftmaschine 10 das Fahrzeug mittels eines Getriebes und eines Endantriebs direkt antreiben, oder es könnte die Kraftmaschine 10 als eine Hilfsleistungseinheit dienen, um elektrische Energie mittels eines Generators bereitzustellen. Die Kraftmaschine 10 könnte auch bei einer breiten Vielzahl von Nicht-Kraftfahrzeuganwendungen verwendet werden, einschließlich einer primären oder Unterstützungs-Stromerzeugung, zum Pumpen usw.
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Obgleich Kraftmaschinenkonstruktionen mit sekundärem Expanderkolben seit einiger Zeit bekannt sind, hat sich das Konzept für die meisten Kraftmaschinenanwendungen größtenteils deshalb als nicht brauchbar erwiesen, da die parasitären Verluste, die mit dem sekundären Expanderkolben 14 verbunden sind, die zusätzliche Energie überwiegen, die unter Bedingungen mit geringer Last entnommen wird. Insbesondere in Situationen, in denen nach der primären Expansion durch die Arbeitskolben 12 wenig Energie in den Abgasen verbleibt, ist die Energie, die mittels einer sekundären Expansion der Abgase entnommen wird, nicht ausreichend, um die Reibung des Expanderkolbens 14 in dessen Zylinder zu überwinden. Da Kraftmaschinen in Kraftfahrzeugen – und bei den meisten anderen Anwendungen – häufig bei geringer Last arbeiten, wurde durch die Kolbenkraftmaschinen mit sekundärem Expander eine geringe oder insgesamt keine Verbesserung der Kraftstoffeffizienz realisiert. Wenn der Expanderkolben 14 jedoch bei geringen Lasten deaktiviert und stationär gemacht werden könnte, würden die parasitären Verluste, die mit dem Expanderkolben 14 verbunden sind, beseitigt werden, und die gesamte Kraftstoffeffizienz der Kraftmaschine würde signifikant zunehmen.
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2 ist eine Seitenansichtdarstellung einer ersten Mechanisierung zur Kopplung des sekundären Expanderkolbens 14 mit den Arbeitskolben 12 der Kraftmaschine und einer Kurbelwelle, während eine Deaktivierung oder ein verringerter Hub des Expanderkolbens 14 ermöglicht werden. Die Arbeitskolben 12 (von denen einer gezeigt ist) sind mittels einer Pleuelstange 18 mit einer Kurbelwelle 16 in einer Anordnung gekoppelt, die für eine beliebige Kolbenkraftmaschine typisch ist. Die Kurbelwelle 16 ist anschließend mittels eines Verbindungsglieds 22 mit einem Hubanpassungsglied 20 gekoppelt. Das Hubanpassungsglied 20 weist einen Schlitz 24 auf, der ermöglicht, dass die Position des Hubanpassungsglieds 20 relativ zu einem Gelenkstift 26 eingestellt wird. Der Gelenkstift 26 ist ein ”Erdungspunkt” – das heißt, dass er an dem Block der Kraftmaschine 10 befestigt ist. Eine Pleuelstange 28 ist an einem Ende an dem Expanderkolben 14 und an dem anderen Ende an einem Drehpunkt 30 mit dem Hubanpassungsglied 20 verbunden.
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Durch das Einstellen der Position des Hubanpassungsglieds 20 relativ zu dem Gelenkstift 26 kann der Hub des Expanderkolbens 14 erhöht oder verringert werden. Wie es in 2 gezeigt ist, weist der Expanderkolben 14 dann, wenn der Gelenkstift 26 entlang der Länge des Hubanpassungsglieds 20 ungefähr zentriert ist, ungefähr den gleichen Hub wie der Arbeitskolben 12 auf. Wenn das Hubanpassungsglied 20 jedoch derart positioniert ist, dass sich der Gelenkstift 26 an dem entfernten (rechten) Ende des Schlitzes 24 befindet, dann weist der Expanderkolben 14 einen sehr kurzen Hub auf. In der Praxis kann eine Konstruktion realisiert werden, die ermöglicht, dass der Drehpunkt 30 entlang der Achse des Gelenkstifts 26 positioniert wird, was zu keiner Bewegung des Expanderkolbens 14 führt. Unter Kraftmaschinenbedingungen mit geringer Last kann es wünschenswert sein, den Expanderkolben 14 vollständig zu deaktivieren und stillzulegen. Wie nachstehend diskutiert wird, kann es jedoch unter bestimmten Bedingungen wünschenswert sein, den Hub des Expanderkolbens 14 zu verringern, diesen jedoch nicht vollständig stillzulegen.
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3 ist eine Seitenansichtdarstellung einer zweiten Mechanisierung zur Kopplung des sekundären Expanderkolbens 14 mit den Arbeitskolben 12 der Kraftmaschine und der Kurbelwelle 16, während eine Deaktivierung des Expanderkolbens 14 ermöglicht wird. Bei dieser Ausführungsform ist der sekundäre Expanderkolben 14 mittels einer Pleuelstange 34 mit einer sekundären Kurbelwelle 32 gekoppelt. Die Drehung der sekundären Kurbelwelle 32 ist mit der Drehung der Kurbelwelle 16 mittels einer Kupplung 36 gekoppelt. Die Kupplung 36 muss eine Klauenkupplung oder eine andere derartige Konstruktion sein, die einen formschlüssigen Eingriff zwischen der sekundären Kurbelwelle 32 und der Kurbelwelle 16 liefert – so dass die Drehzahlen der zwei Wellen die gleichen sind und die erforderliche relative Position aufrecht erhalten wird. Bei dieser Ausführungsform kann der Expanderkolben 14 leicht durch ein Ausrücken der Kupplung 36 deaktiviert und stillgelegt werden. Ein Betriebsmodus mit verringertem Hub wird bei dieser Ausführungsform nicht inhärent ermöglicht, obgleich ein Merkmal für einen verringerten Hub zu der sekundären Kurbelwelle 32 hinzugefügt werden könnte.
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Bei beiden vorstehend diskutierten Ausführungsformen, die gemeinsam als Hubverringerungsmechanismen bezeichnet werden können, überwacht ein Controller 38 Kraftmaschinenbedingungen und legt den Soll-Hub oder die Aktivierung/Deaktivierung des Expanderkolbens 14 fest. Der Controller 38 betätigt anschließend das Glied 20 oder die Kupplung 36, um den Ist-Hub des Expanderkolbens 14 basierend auf dem Soll-Hub zu steuern.
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Der Controller 38 ist eine Einrichtung, die für eine beliebige elektronische Steuereinheit (ECU) in einem Kraftfahrzeug typisch ist, einschließlich zumindest eines Mikroprozessors und eines Speichermoduls. Der Mikroprozessor ist mit einem speziell programmierten Algorithmus ausgebildet, der auf der hierin beschriebenen Logik basiert und Daten von Sensoren als Eingabe verwendet – beispielsweise von Abgastemperatursensoren, einem Kraftmaschinen-Drehmomentsensor, einem Drosselpositionssensor usw.
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Bei beiden Ausführungsformen der Konstruktion wird die korrekte geometrische Beziehung zwischen den Arbeitskolben 12 und dem Expanderkolben 14 aufrecht erhalten. Das heißt, dass dann, wenn sich der Arbeitskolben 12 am TDC befindet, sich der Expanderkolben 14 an BDC befindet, und umgekehrt. Diese Beziehung wird durch die Verbindung der ersten Ausführungsform (2) inhärent aufrecht erhalten, und sie wird mittels der Konstruktion der Kupplung 36 bei der zweiten Ausführungsform (3) aufrecht erhalten.
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In 3 ist es sogar vorstellbar, dass ermöglicht wird, dass der Expanderkolben 14 und die sekundäre Kurbelwelle 32 unabhängig von einer beliebigen mechanischen Kopplung mit der Kurbelwelle 16 betrieben werden. Beispielsweise könnte die sekundäre Kurbelwelle 32 bei einer Anwendung zur Stromerzeugung einen kleinen sekundären Generator antreiben. Das Auslassen der Abgase von den Arbeitskolben 12 zu dem Expanderkolben 14 neigt inhärent dazu, die sekundäre Kurbelwelle 32 mit der gleichen Drehzahl wie die Kurbelwelle 16 und mit der korrekten Phasenbeziehung zu dieser anzutreiben.
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Es kann eine Vielzahl von Steuerstrategien in Betracht gezogen werden, welche die Kolben-Verbundbrennkraftmaschine mit Expanderdeaktivierung oder Expanderhubanpassung vorteilhaft einsetzen. Wie vorstehend diskutiert wurde, ist es bekannt, dass die Expanderdeaktivierung bei Bedingungen mit geringer Last wünschenswert ist. Andere Faktoren kommen ebenso in Betracht. Beispielsweise sind Abgasnachbehandlungseinrichtungen, wie beispielsweise katalytische Wandler, nur dann wirksam, wenn sie eine bestimmte minimale Temperatur erreichen. Bei einer realistischen Kraftfahrzeuganwendung wäre es nicht wünschenswert, so viel Energie aus dem Abgas zu entnehmen, dass das Abgasnachbehandlungssystem unter seine minimale effektive Temperatur abfällt. Dieses Kriterium kann in eine Steuerstrategie eingebunden werden. In der Praxis kann es ebenso wünschenswert sein, einen Hystereseeffekt zu der Steuerung des Expanderkolbens 14 hinzuzufügen, so dass dieser nicht mit einer hohen Frequenz wiederholt aktiviert und deaktiviert wird.
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4 ist ein Flussdiagramm 40 eines Verfahrens zum Aktivieren und Deaktivieren des sekundären Expanderkolbens 14, um die Leistung und die Effizienz der Kraftmaschine zu optimieren. Der Controller 38 ist ausgebildet, um den Verfahrensschritten des Flussdiagramms 40 folgen. Bei der Startbox 42 wird die Kraftmaschine 10 gestartet. Wenn die Kraftmaschine 10 gestartet wird, ist der Expanderkolben 14 deaktiviert und stillgelegt. Bei der Box 44 wird die Temperatur des Abgassystems gemessen. Bei der Entscheidungsraute 46 wird die Temperatur des Abgassystems mit einer ersten Schwellenwerttemperatur verglichen. Wenn die Temperatur des Abgassystems unterhalb des ersten Schwellenwerts liegt, der die minimale wirksame Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtungen ist, dann bleibt der Expanderkolben deaktiviert und stillgelegt, und das Verfahren wird in einer Schleife zurückgeführt, um die Temperatur des Abgassystems nach einer gewissen Zeitverzögerung bei der Box 44 erneut zu messen.
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Wenn die Temperatur des Abgassystems bei der Entscheidungsraute 46 oberhalb der ersten Schwellenwerttemperatur liegt, wird bei der Box 48 anschließend ein Kraftmaschinen-Ausgangsdrehmoment gemessen. Es wird angenommen, dass das Kraftmaschinen-Ausgangsdrehmoment ein guter Indikator dafür ist, ob die Kraftmaschinenlast hoch genug ist, um die Aktivierung des sekundären Expanderkolbens 14 zu rechtfertigen. Es ist sicherlich vorstellbar, andere Messwerte einzeln oder in Kombination als eine Angabe des Kraftmaschinen-Lastniveaus zu verwenden. Solche andere Messwerte könnten eine Kraftstoffströmungsrate, eine Zylinderkopftemperatur (für den Arbeitskolben 12), einen Zylinderdruck (für den Arbeitskolben 12) usw. umfassen. In jedem Fall wird eine bestimmte zuverlässige Angabe der Kraftmaschinenlast benötigt und bei der Box 48 zur Steuerung des Expanderkolbens 14 erhalten.
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Bei der Box 50 wird die Temperatur des Abgassystems erneut gemessen. Bei der Box 52 wird ein Steueralgorithmus verwendet, um den Soll-Hub des Expanderkolbens 14 zu ermitteln, und das Verfahren wird in einer Schleife zurückgeführt, um das Kraftmaschinen-Ausgangsdrehmoment erneut zu messen. Der Steueralgorithmus kann ausgebildet sein, um Kraftmaschinenkonstruktionen mit variablem Hub zu behandeln, bei denen der Hub des Expanderkolbens 14 derart normiert werden kann, dass dieser von Null (stillgelegt) bis Eins (vollständiger oder maximal möglicher Hub für die Kraftmaschinenmechanisierung) variiert wird. Der Algorithmus kann auch ausgebildet sein, um lediglich eine vollständige Aktivierung und Deaktivierung des Expanderkolbens 14, aber keinen variablen Hub zu ermöglichen.
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Der Steueralgorithmus kann vorteilhafterweise eine Strategie verwenden, die sowohl die Kraftmaschinenlast (das Drehmoment) als auch die Temperatur des Abgassystems in Betracht zieht, während ein Hystereseeffekt umfasst ist, um eine schnelle wiederholte Aktivierung und Deaktivierung des Expanderkolbens 14 zu vermeiden. Wenn beispielsweise das Kraftmaschinendrehmoment unterhalb eines ersten Drehmomentschwellenwerts liegt und die Temperatur des Abgassystems unterhalb des ersten Temperaturschwellenwerts liegt, wird der Expanderkolben 14 deaktiviert. Wenn das Kraftmaschinendrehmoment oberhalb eines zweiten Drehmomentschwellenwerts liegt und die Temperatur des Abgassystems oberhalb eines zweiten Temperaturschwellenwerts liegt, wird der Expanderkolben 14 bei vollem Hub aktiviert. Wenn die Kraftmaschine 10 einen variablen Hub des Expanderkolbens 14 unterstützt, dann kann der Hub als eine Funktion des Kraftmaschinendrehmoments und der Temperatur des Abgassystems bezogen auf deren jeweilige Schwellenwerte zwischen den Werten von Null und Eins eingestellt werden. Wenn die Kraftmaschine 10 lediglich eine vollständige Aktivierung und Deaktivierung des Expanderkolbens 14 unterstützt, können lediglich ein Temperaturschwellenwert und ein Drehmomentschwellenwert verwendet werden, wobei der Expanderkolben 14 aktiviert wird, wenn beide Schwellenwerte überschritten werden. Es kann eine Hysterese hinzugefügt werden, beispielsweise indem mehrere aufeinanderfolgende Messzyklen mit einer bestimmten Bedingung gefordert werden, bevor der Hub des Expanderkolbens 14 verändert wird.
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Indem ein Deaktivierungsmerkmal oder ein Merkmal für variablen Hub zu einer Kolben-Verbundbrennkraftmaschine hinzugefügt wird, wie es vorstehend beschrieben ist, kann die Verbesserung der Kraftstoffeffizienz eines sekundären Expanderkolbens realisiert werden, wenn eine Kraftmaschine bei mittlerer oder hoher Last arbeitet, es können jedoch die parasitären Verluste des Expanderkolbens beseitigt werden, wenn die Kraftmaschine bei geringer Last arbeitet. Diese selektive Hubverringerung des Expanderkolbens bietet einen weiteren Ansatz zum Erhöhen der Kraftstoffeffizienz, der somit sowohl für Kraftfahrzeughersteller als auch für Konsumenten wichtig ist.
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Die vorstehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird anhand einer solchen Diskussion und anhand der begleitenden Zeichnungen und Ansprüche leicht erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Abwandlungen darin ausgeführt werden können, ohne von dem Geist und dem Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist.
