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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs 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 Turbulenz 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 direkteinspritzenden Otto Brennkraftmaschine in einfacher Weise vergrößert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 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 in einfacher Weise über den ersten Verdichter oder einen Druckbehälter, der mit Frischluft gefüllt ist geregelt werden. Dadurch steht in vorteilhafter Weise zur Applikation der Brennkraftmaschine neben Zündwinkel, Ladedruck, Einspritzmenge und Einspritzzeitpunkt die weitere Größe „Ladungsbewegung” zur Verfügung. Eine weitere wesentliche Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine ist mit der Anordnung eines Wirbelrohres in der Frischgasleitung möglich, da durch die Abkühlung der von der ersten Pumpe geförderten Frischluft ein deutlich höherer Füllgrad des zumindest einen Zylinders möglich ist.
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Das allgemein bekannte Wirbelrohr (Vortex Tube), auch bekannt als Ranque-Hilsch-Wirbelrohr, ist eine Vorrichtung, mit der sich Gas in einen heißen und einen kalten Strom aufteilen lässt.
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Unter Druck stehende Luft (Frischgas) wird tangential in eine Wirbelkammer eingeblasen, hierbei in eine schnelle Rotation versetzt (über 1.000.000/min) und verlässt die Kammer durch zwei unterschiedliche, einander gegenüber angeordnete axiale Luftauslässe:
- • durch eine enge Bohrung tritt gekühlte Luft aus;
- • durch die gegenüberliegende, wesentlich größere Bohrung tritt heiße Luft aus.
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Der Temperaturunterschied zwischen den Bohrungen liegt abhängig von den Betriebsparametern bei bis zu 46°C. Bei diesem Prozess entsteht ein Pfeifton von ca. 3 kHz, der jedoch mit geeigneten, bekannten Maßnahmen (Resonatoren sind hierfür nicht geeignet) gedämpft werden kann.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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So kann die Erfindung gemäß Patentanspruch 2 auch für aufgeladene, direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschinen verwendet werden.
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Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 erlaubt in einfacher Weise die Einstellung des Abkühlgrades der Frischluft in dem Wirbelrohr.
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Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel.
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Eine Otto-Brennkraftmaschine mit einer Frischgasleitung zur Erhöhung der Ladungsbewegung erhält seinen Frischluftmassenstrom erfindungsgemäß aus einem Druckspeicher oder einem ersten Verdichter, der zum Einen die Aufgabe hat, die notwendige Luftmasse zur Ablenkung des Hauptluftmassenstroms im Frischluftstrang vor dem Gaswechseleinlassventil und damit zur Ladungsbewegungsmaximierung zu gewährleisten und zum Anderen wird dieser Frischluftmassenstrom über ein Wirbelrohr (Vortex Tube) geführt, der die eingeblasene Luftmasse, abhängig von den eingestellten Betriebsparametern, um bis zu 46°C unter Umgebungsbedingungen kühlt. Diese kalte Frischluftmasse kühlt den Hauptluftmassenstrom im Frischluftstrang vor dem Gaswechseleinlassventil entsprechend der Gesamtkonfiguration (Luftmassenverteilung Hauptluftmassenstrom/Frischluftmassenstrom, Umgebungstemperatur, anliegenden Druckverhältnissen und Wirbelrohrspezifikationen) und sorgt durch die kühlere Verbrennungsluft zusätzlich zu den Vorteilen der besseren Gemischbildung (Ladungsbewegung im Zylinder) in vorteilhafter Weise für eine höhere Leistung der Otto-Brennkraftmaschine.
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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 fremdgezündeten Otto Brennkraftmaschine.
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2 zeigt schematisch den Aufbau eines bekannten Wirbelrohres.
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1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen, in diesem Ausführungsbeispiel einer 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 sind 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, von einer nicht dargestellten Zündvorrichtung fremd gezündete 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, in diesem Ausführungsbeispiel, ein Verdichter 5 angeordnet, 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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In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Verdichter 5 auch fehlen, dann handelt es sich um einen sog. Saugmotor, oder um eine Brennkraftmaschine, die für den Saugbetrieb ausgelegt ist.
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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 eine Turbine des Abgasturboladers sind drehfest miteinander verbunden. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine 1 saugt der, von der Turbine angetriebene 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 zugeführtem Brennstoff verbrannt wird und in den Abgasstrang 4 ausgestoßen wird. 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 von einem druckluftspeicher oder einem ersten Verdichter 8 mit Druckluft, bzw. Frischluft gespeist wird und nach dem Drosselelement 6, im Bereich des zumindest einen Gaswechseleinlassventils wieder in den Frischluftstrang 3 mündet. Weiter ist erfindungsgemäß in der Frischgasleitung 7 zwischen dem Druckluftspeicher oder dem ersten Verdichter 8 ein Wirbelrohr 9 vorgesehen, in dem die Frischluft in der Frischgasleitung abgekühlt wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist weiter in der Frischgasleitung 7 zwischen dem ersten Verdichter 8 und dem Wirbelrohr 9 ein zweites Drosselelement 10 vorgesehen, zur Einstellung der Abkühlrate der Frischluft, die durch die Frischgasleitung 7 strömt. Eine Funktionsweise des Wirbelrohres 9 wird zu 2 erläutert.
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Durch die Frischgasleitung 7 (auch Impulskanal genannt) 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. Weiter wird durch das Wirbelrohr 9 die durch die Frischgasleitung 7 geförderte Frischluft abgekühlt, wodurch der Füllgrad der Zylinder 2 erhöht und somit die Leistung der Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise erhöht wird.
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2 zeigt schematisch den Aufbau eines bekannten Wirbelrohres 9. Das allgemein bekannte Wirbelrohr 9 (engl: Vertex Tube), auch bekannt als Ranque-Hilsch-Wirbelrohr, ist eine Vorrichtung, mit der sich Gas in einen heißen und einen kalten Strom aufteilen lässt.
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Unter Druck stehende Luft (Frischgas) wird durch einen Drucklufteingang A tangential in eine nicht bezifferte Wirbelkammer, auch Generator genannt, eingeblasen, hierbei in eine schnelle Rotation versetzt (über 1.000.000/min) und verlässt die Wirbelkammer durch zwei unterschiedliche, einander gegenüber angeordnete axiale Luftauslässe, einen Heißluftausgang B und einen Kaltluftausgang C:
- • durch eine enge Bohrung, dem Kaltluftausgang C, tritt gekühlte Luft aus;
- • durch die gegenüberliegende, wesentlich größere Bohrung, dem Heißluftausgang B, tritt heiße Luft aus.
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Der Temperaturunterschied zwischen den Ausgangsbohrungen B, C liegt abhängig von den Betriebsparametern bei bis zu 46°C. Bei diesem Prozess entsteht ein Pfeifton von ca. 3 kHz, der jedoch mit geeigneten, bekannten Maßnahmen (Resonatoren sind hierfür nicht geeignet) gedämpft werden kann.
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Der Druck, der am Drucklufteingang A anliegt beträgt üblicherweise zwischen 4 und 8 bar.
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Somit kann mit einem bis vor das zumindest eine Gaswechseleinlassventil geführten separaten Frischluftkanal (Frischgasleitung 7) und einer am Ende ausgeformten Düse, ein gerichteter Frischgasimpuls bei geöffnetem Gaswechseleinlassventil in den Brennraum induziert werden. Je nach Stärke dieses Impulses können unterschiedliche Niveaus der Ladungsbewegung ausgebildet werden. Die Stärke des Frischgasimpulses kann in einfacher Weise über den ersten Verdichter 8 oder einen Druckbehälter, der mit Frischluft gefüllt ist geregelt werden. Dadurch steht in vorteilhafter Weise zur Applikation der Brennkraftmaschine 1 neben Zündwinkel, Ladedruck, Einspritzmenge und Einspritzzeitpunkt die weitere Größe „Ladungsbewegung” zur Verfügung. Eine weitere wesentliche Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine ist mit der Anordnung des Wirbelrohres 9 in der Frischgasleitung 7 möglich, da durch die Abkühlung der von der ersten Pumpe 8 geförderten Frischluft ein deutlich höherer Füllgrad des zumindest einen Zylinders 2 möglich ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Zylinder
- 3
- Frischluftstrang
- 4
- Abgasstrang
- 5
- zweiter Verdichter
- 6
- Drosselelement
- 7
- Frischgasleitung
- 8
- erster Verdichter
- 9
- Wirbelrohr
- 10
- zweites Drosselelement
- A
- Drucklufteingang
- B
- Heißluftausgang
- C
- Kaltluftausgang
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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]
