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Die Erfindung betrifft eine aufgeladene, fremdgezündete Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Zum technischen Umfeld wird bspw. auf die deutsche Offenlegungsschrift
DE 40 416 28 A1 hingewiesen. Aus dieser ist eine Gemisch verdichtende Brennkraftmaschine mit Sekundärlufteinblasung und mit einer Luftmassenmessung bekannt, sowie mit einem Einspritzventil mit sequenzieller Kraftstoffeinspritzung und Luftunterstützung, wobei eine für die Luftunterstützung vorgesehene Luftleitung mit einem in der Start- und Warmlaufphase der Brennkraftmaschine öffnenden Absperrventil versehen ist. Die Kraftstoffeinspritzung findet bei dieser Brennkraftmaschine im Einlasskanal im Zylinderkopf statt. Mit dieser Ausgestaltung wird in der Start- und Warmlaufphase der Brennkraftmaschine die Gemischaufbereitung verbessert, zur Reduzierung schädlicher Abgasbestandteile.
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Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 199 44 946 A1 eine Anlage zum Ausgleich des Ladedrucks bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren bekannt. Diese Anlage dient der Versorgung von turboaufgeladenen Verbrennungsmotoren mit Druckluft, um das Betriebsverhalten außerhalb des optimalen Betriebsbereiches des Turboladers zu verbessern. Die Anlage besteht vorzugsweise aus einem Druckbehälter, einem Kompressor und einem Ventil. Der Druckbehälter wird kontinuierlich mit komprimierter Luft versorgt. Reicht der vom Turbolader gelieferte Ladedruck nicht aus, wird das Ventil geöffnet und die komprimierte Luft aus dem Behälter in den Zylinder der Verbrennung zugeleitet. Der Einsatzzweck eines solchen Systems ist insbesondere die Aufladung von turboaufgeladenen Verbrennungsmotoren außerhalb des optimalen Arbeitsbereiches des Turboladers.
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Nachteilig an dieser Ausgestaltung ist der sehr hohe apparative Aufwand.
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Weiter ist aus der deutschen Patentschrift
DE 40 27 963 C1 eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Einlassventilen und zugeordneten Einlasskanälen je Zylinder bekannt, wobei der erste Einlasskanal mit einem Abgasrückführsystem in Verbindung steht und der zweite Einlasskanal ein Frischgas-Turbulenzsystem aufweist. Die Hubkolben-Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrückführsystem und das Frischgas-Turbulenzsystem als im jeweiligen Einlasskanal gleichermaßen exzentrisch mündende Kanäle ausgebildet sind, um eine Drallströmung im Zylinder zu generieren.
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Mit dieser Ausgestaltung wird die Aufgabe gelöst, die sich in den Zylindern einer gattungsgemäßen Brennkraftmaschine einstellenden Turbulenzen weiter zu erhöhen.
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Nachteilig an diesem bekannten Turbulenzsystem ist, dass das Turbulenzsystem in Verbindung mit einer Abgasturboaufladung aufgrund der herrschenden Druckverhältnisse nicht funktioniert.
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Ein weiteres System zur Erhöhung der Turbulenzen im Brennraum eines Verbrennungsmotors bei gleichzeitiger Turboaufladung ist aus der deutschen Patentschrift
DE 102 24 719 B4 bekannt. Aus dieser Patentschrift ist eine Einrichtung zum Speisen von Zylindern von aufgeladenen Verbrennungsmotoren mit folgendem Aufbau bekannt:
- – dem Saugtrakt des Verbrennungsmotors ist ein Lader vorgeschaltet,
- – ein Druckspeicher ist dem Lader unter Zwischenschaltung von einem Motorsteuergerät angesteuerten Ventilen zum Füllen des Saugtraktes angeschlossen,
- – vom Saugtrakt sind Saugrohre, die jeweils zu einem Ansaugkanal eines Zylinders geführt sind, am Zylinderkopf angeschlossen,
- – vor einem Einlassventil eines jeden Zylinders mündet ein gesteuert zu öffnender Kanal für eine Leitströmung, wobei dieser Kanal unter Zwischenschaltung eines ersten Steuerventils an dem Druckspeicher angeschlossen ist,
- – das Steuerventil ist direkt oder indirekt elektrisch vom Motorsteuergerät beim Füllen des jeweiligen Zylinders synchronisiert angesteuert.
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Auch bei dieser bekannten Vorrichtung zur Erhöhung der Turbulenzen im Brennraum eines Verbrennungsmotors ist der hohe apparative Aufwand von Nachteil.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst einfache Möglichkeit aufzuzeigen, wie die Ladungsbewegung (Turbulenzgrad) einer aufgeladenen, direkteinspritzenden Otto Brennkraftmaschine in einfacher Weise vergrößert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst.
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Mit einem bis vor das zumindest eine Gaswechseleinlassventil geführten separaten Kanal (Frischgasleitung) und einer am Ende ausgeformten Düse, kann ein gerichteter Frischgasimpuls bei geöffnetem Einlassventil in den Brennraum induziert werden. Je nach Stärke dieses Impulses können unterschiedliche Niveaus der Ladungsbewegung ausgebildet werden. Die Stärke des Frischgasimpulses kann über die ohnehin vorhandene Drosselklappe geregelt werden, indem die Frischgasleitung vor der Drosselklappe als Drosselelement abgezweigt wird. Da für aufgeladene, direkteinspritzende Otto Brennkraftmaschinen zur Momentenregelung hauptsächlich der Saugrohrdruck und nicht die Klappenposition (Androsselwinkel) der Drosselklappe entscheidend ist, kann mit dem Drosselorgan die Aufteilung der Luftmasse zwischen Einlasskanal (Frischluftstrang) und Frischgasleitung gesteuert werden. Dadurch steht in vorteilhafter Weise zur Applikation der Brennkraftmaschine neben Zündwinkel, Ladedruck, Einspritzmenge und Einspritzzeitpunkt die weitere Größe „Ladungsbewegung” zur Verfügung.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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So erlaubt die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 eine noch feinere Dosierbarkeit des Frischgasimpulses.
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Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante.
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Durch Frischgasleitung (den sog. Impulskanal) und die dadurch mögliche Steuerung der Ladungsbewegung werden andere Maßnahmen zur Erzeugung von Ladungsbewegung überflüssig. Die bisherigen Nachteile, ungünstige Brennraumgeometrie (Klopfverhalten) und ungünstige Geometrie der Strömungskanäle (schlechte Füllung) entfallen, wodurch die aufgeladene, direkteinspritzende Otto Brennkraftmaschine in einem größeren Arbeitsbereich effizienter und leistungsstärker wird. Zusätzlich steht über die Beeinflussung der Ladungsbewegung eine weitere Applikationsgröße zur Verfügung, welche direkten, positiven Einfluss auf die Verbrennung hat.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei Figuren näher erläutert.
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1 zeigt schematisch einen Aufbau einer erfindungsgemäßen aufgeladenen, fremdgezündeten Otto Brennkraftmachine.
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2 zeigt in einem Diagramm die vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der aufgeladenen, fremdgezündeten Otto Brennkraftmaschine.
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1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen aufgeladenen, fremdgezündeten Brennkraftmaschine 1. Die aufgeladene, fremdgezündete Brennkraftmaschine 1 weist zumindest einen Zylinder 2 auf, im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Zylinder 2 in Reihe. Jedem Zylinder 2 ist zumindest ein nicht dargestelltes Gaswechseleinlass- und zumindest ein nicht dargestelltes Gaswechselauslassventil zugeordnet. Weiter weist die Brennkraftmaschine 1 eine nicht dargestellte Kraftstoffeindüsung auf, zur Eindüsung von Kraftstoff direkt in die Zylinder 2. Das heißt, es handelt sich bei der Brennkraftmaschine 1 um eine direkteinspritzende, Gemisch verdichtende Brennkraftmaschine 1.
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Weiter weist die Brennkraftmaschine 1 einen Frischluftstrang 3 auf, der über die Gaswechseleinlassventile mit den Zylindern 2 zeitweise Frischgas führend verbindbar ist. Außerdem ist für die Brennkraftmaschine 1 ein Abgasstrang 4 vorgesehen, der über die Gaswechselauslassventile mit den Zylindern zeitweise Abgas führend verbindbar ist. Im Frischluftstrang 3 ist weiter ein Verdichter 5 angeordnet, im vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise ein Verdichter eines Abgasturboladers, wobei die Turbine des Abgasturboladers in dem Abgasstrang 4 angeordnet ist. Selbstverständlich kann es bei dem Verdichter 5 auch um einen mechanischen Verdichter (Kompressor) oder eine andere Verdichterbauart handeln.
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Zur Laststeuerung der Brennkraftmaschine 1 ist zwischen dem Verdichter 5 und den Zylindern 2 ein Drosselorgan 6 vorgesehen, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Drosselklappe. Als Drosselorgan 6 kann beispielsweise auch ein Drehschieber verwendet werden.
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Der Verdichter 5 und die Turbine 9 des Abgasturboladers sind drehfest miteinander verbunden. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine 1 saugt der Verdichter Frischgas aus der Umgebung an, dargestellt durch eine Pfeilspitze am Frischluftstang 3. Im Frischluftstrang 3 wird die verdichtete Frischluft durch das Drosselelement 6 weitergeleitet, bis die Frischluft in den Zylindern 2 mit Brennstoff verbrannt wird und in den Abgasstrang 4 ausgestoßen wird.
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Das Abgas treibt dann die Turbine 9 an, und verlässt den Abgasstrang 4, wieder schematisch durch eine Pfeilspitze dargestellt.
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Erfindungsgemäß ist eine Frischgasleitung 7 vorgesehen, die in Strömungsrichtung des Frischgases nach dem Verdichter 5 und vor dem Drosselelement 6 von dem Frischluftstrang 3 abzweigt und nach dem Drosselelement 6, im Bereich des zumindest einen Gaswechseleinlassventils wieder in den Frischluftstrang 3 mündet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in der Frischgasleitung 7 ein zweites Drosselelement 8 vorgesehen, zur Feindosierung der Frischluft, die durch die Frischgasleitung 7 strömt.
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Durch Frischgasleitung (den sog. Impulskanal) und die dadurch mögliche Steuerung der Ladungsbewegung werden andere Maßnahmen zur Erzeugung von Ladungsbewegung überflüssig. Die bisherigen Nachteile, ungünstige Brennraumgeometrie (Klopfverhalten) und ungünstige Geometrie der Strömungskanäle (schlechte Füllung) entfallen, wodurch die aufgeladene, direkteinspritzende Otto Brennkraftmaschine in einem größeren Arbeitsbereich effizienter und leistungsstärker wird. Zusätzlich steht über die Beeinflussung der Ladungsbewegung eine weitere Applikationsgröße zur Verfügung, welche direkten, positiven Einfluss auf die Verbrennung hat.
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2 zeigt in einem Diagramm die vorteilhafte Auswirkung der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Brennkraftmaschine 1.
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Über eine Y-Achse ist eine Tumble-Zahl [Ct/Ca] von 0 bis 4,8 aufgetragen, wobei 0 keine Turbulenz in einer Walzenströmung und 4,8 eine hohe Turbulenz in der Walzenströmung bedeutet. Über eine X-Achse ist ein Einlassventilhub [mm] von 0 bis 12 aufgetragen.
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Bei der vorliegenden Brennkraftmaschine 1 handelt es sich um eine turboaufgeladene Brennkraftmaschine 1 mit zwei Gaswechseleinlassventilen und zwei Gaswechselauslassventilen, mit einer Brennstoffeinspritzung direkt in die Zylinder 2, wobei die Ladungsbewegung dieser Brennkraftmaschine 1 mittels eines hubvariablen Ventiltriebs über einen Ventilhub (von 0 bis 12 mm) eingestellt wird. Weiter hat die Turbine 9 des Abgasturboladers einen Bypass, um Abgas an der Turbine 9 vorbeizuleiten und so zu hohen Drehzahlen der Turbine 9 vorzubeugen.
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Die Berechnung der Tumble-Zahl ergibt sich aus dem Verhältnis der Tangentialgeschwindigkeit und der Axialgeschwindigkeit der ausströmenden Luft in einem Rohr, das rechtwinklig zur Zylinderachse und parallel zu den beiden Gaswechseleinlassventilen angebracht ist. Mit dieser Methode kann eine erste Abschätzung gemacht werden, inwieweit sich die Ladungsbewegung bei Veränderung von Gaseinströmparametern in den Zylinder 2 verändert hat.
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So zeigt der Graph 10, die Tumble-Zahl über den Ventilhub von 0 bis 12 mm bei geschlossenem Bypass, die Tumble-Zahl beträgt maximal 2,1.
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Die Graphen 11, 12 und 13 zeigen die Tumble-Zahlen bei offenem Bypass für einen Überdruck im Saugrohr von 500 mbar, 1.000 mbar und 1.500 mbar, ohne die erfindungsgemäße Frischgasleitung 7. Die Tumble-Zahl erreicht für 500 mbar Überdruck maximal 2,7, für 1000 mbar Überdruck 2,8 und für 1500 mbar Überdruck den Wert 3.
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Die Graphen 14, 15, 16 zeigen die Tumble-Zahlen bei offenen Bypass für einen Überdruck im Saugrohr von 500 mbar, 1.000 mbar und 1.500 mbar, jedoch mit der erfindungsgemäßen Frischgasleitung 7 und somit mit einer Frischgaseinblasung im Bereich der Gaswechseleinlassventile. Die Tumble-Zahl erreicht für 500 mbar Überdruck maximal 3,9, für 1000 mbar Überdruck 4,2 und für 1500 mbar Überdruck den Wert 4,5.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, wird die Tumble-Zahl aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung gegenüber einer herkömmlichen Brennkraftmaschine 1 praktisch um ca. 30% erhöht, was zu einer wesentlich besseren und effizienteren Verbrennung und weniger Schadstoffemissionen führt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Zylinder
- 3
- Frischluftstrang
- 4
- Abgasstrang
- 5
- Verdichter
- 6
- Drosselelement
- 7
- Frischgasleitung
- 8
- zweites Drosselelement
- 9
- Turbinenrad
- 10
- Bypass geschlossen
- 11
- Bypass offen, 500 mbar, ohne Frischgasleitung
- 12
- Bypass offen, 1000 mbar, ohne Frischgasleitung
- 13
- Bypass offen, 1500 mbar, ohne Frischgasleitung
- 14
- Bypass offen, 500 mbar, mit Frischgasleitung
- 15
- Bypass offen, 1000 mbar, mit Frischgasleitung
- 16
- Bypass offen, 1500 mbar, mit Frischgasleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4041628 A1 [0002]
- DE 19944946 A1 [0003]
- DE 4027963 C1 [0005]
- DE 10224719 B4 [0008]
