DE102016101749A1

DE102016101749A1 - Verfahren und Anordnung zur Optimierung des Betriebes von Verbrennungsmotoren mit Kraftstoff-Luft-Ansaugung

Info

Publication number: DE102016101749A1
Application number: DE102016101749.3A
Authority: DE
Inventors: Klaus Böhme; Steffen Lehmann; Tilo Frindt; Andre Frindt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-02-01
Filing date: 2016-02-01
Publication date: 2017-08-03
Also published as: DE112017000591A5; WO2017133728A1

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur Optimierung des Betriebes von Verbrennungsmotoren mit Kraftstoffansaugung zu schaffen, die sicherstellt, dass die Kraftstoff-Luft-Mischung immer optimal und gleichmäßig anliegt und dabei alle Zylinder auch bei unterschiedlich langen Ansaugkanälen mit der exakt gleichen Menge an Kraftstoff-Luft-Gemisch versorgt. Das Verfahren zur Optimierung des Betriebes von Verbrennungsmotoren mit Ansaugung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, wobei der Verbrennungsmotor mindestens einen Zylinder (1) mit Ansaugkanal (2) umfasst, benutzt vor und/oder während der Ansaugung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Zylinder (1) oder den Zylindern (1) ein Unterdruck zwischen 300 mbar bis 900 mbar der Ansaugluft. Die Anordnung zur Optimierung des Betriebes von Verbrennungsmotoren mit Ansaugung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, wobei der Verbrennungsmotor mindestens einen Zylinder (1) mit Ansaugkanal (2) und Ansaugluftzufuhr (6) umfasst, besteht darin, dass stromauf vor dem oder den Ansaugkanälen (2) der Zylinder (1) ein Drosselventil (7) oder eine Drosselklappe (7) in der Ansaugluftzufuhr (6) angeordnet ist und in der Ansaugluftzufuhr (6) stromab nach dem Drosselventil (7) eine Luftkammer (3) mit zumindest einem Lufteinlass (8) und zumindest einem Luftauslass (9) angeordnet ist.

Description

Verfahren und Anordnung zur Optimierung des Betriebes von Verbrennungsmotoren mit Kraftstoff-Luft-Ansaugung, insbesondere für Verbrennungsmotoren ohne Turbolader
Bei Verbrennungsmotoren mit Kraftstoffansaugung, auch als Saugmotoren bezeichnet, welche mit den bekannten Kraftstoffen wie Benzin, Diesel oder Gas betrieben werden, besteht das Problem, dass für einen optimalen Wirkungsgrad und damit auch eine Laufruhe alle Zylinder mit einem gleichen Kraftstoff-Luft-Gemisch, das heißt in der jeweils exakten Volumenmenge und bei optimaler Kraftstoff-Luft-Mischung versorgt werden müssen. Bisher wird dies durch gleichlange Ansaugkanäle und Wirbelkammern in den Kolben und/oder Brennräumen erreicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur Optimierung des Betriebes von Verbrennungsmotoren mit Kraftstoffansaugung zu schaffen, die sicherstellt, dass die Kraftstoff-Luft-Mischung immer optimal und gleichmäßig anliegt und dabei alle Zylinder auch bei unterschiedlich langen Ansaugkanälen mit der exakt gleichen Menge an Kraftstoff-Luft-Gemisch versorgt.
Mit der Erfindung wird im angegebenen Anwendungsfall erreicht, dass ein Verfahren und eine Anordnung zur Optimierung des Betriebes von Verbrennungsmotoren mit Kraftstoff-Luft-Ansaugung, wobei der Verbrennungsmotor mindestens einen Zylinder mit Ansaugkanal umfasst, geschaffen wird, wobei dass vor und/oder während der Ansaugung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem oder den Zylindern ein Unterdruck zwischen 300 mbar bis 900 mbar der Ansaugluft erzeugt wird und dafür stromauf vor dem oder den Ansaugkanälen der Zylinder ein Drosselventil oder eine Drosselklappe in der Ansaugluftzufuhr vorgesehen ist. Durch den Unterdruck der Ansaugluft, welcher je nach Kraftstoff und Lufttemperatur zwischen 300 mbar und 900 mbar groß ist, wird erreicht, dass sich das Volumen unter anderem der Sauerstoffmoleküle vergrößert und bei Druckerhöhung im Zylinder eine feste Verbindung mit dem Kraftsoff eingeht und dadurch optimal verbrannt werden kann, da die Verbrennungsluft und der Kraftstoff örtlich zueinander so nah als möglich sind.
Dieses Verfahren macht es möglich, unterschiedlich lange oder vom Volumen her abweichende Ansaugkanäle und letztlich an diese angeschlossen Zylinder gleichmäßig und optimal mit einer Kraftstoff-Luft-Mischung zu füllen.
Dadurch werden ein sauberer Motorlauf und eine gleichmäßige Leistung erreicht. Zudem erhöht sich der Wirkungsgrad und die Abgase werden sauberer. Das Startverhalten wird verbessert. Die Saugmotoren gewinnen wieder an Bedeutung und werden konkurrenzfähig. Zudem bleibt die Konstruktion einfach und ist bestens geeignet für gleichmäßig laufende Motoren, beispielsweise in Blockheizkraftwerken oder anderen Prozessen der Energieumwandlung unter Zuhilfenahme eines Verbrennungsmotors.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 6 und die der Anordnung sind in den Ansprüchen 8 bis 14 dargestellt.
Mit einer vorteilhaften Weiterbildung wird der Unterdruck der Ansaugluft mittels einer Luftkammer stromauf vor dem oder den Ansaugkanälen des oder der Zylinder erzeugt, wodurch eine Druckstabilität des Unterdruckes unabhängig von der Motordrehzahl und vom Hubraum erreicht wird.
Vorteilhaft wird der Unterdruck der Ansaugluft dynamisch und/oder nach den Messungen eines Druckmessers eingestellt, wodurch sich der Unterdruck für einen gleichmäßigen Motorlauf ständig anpassen lässt. Dies ist beispielsweise bei wechselnden Lasten oder wechselnden Kraftstoffqualitäten oder Kraftstoffarten der Fall oder wenn sich andere Umgebungsbedingungen ändern, beispielsweise die Temperatur der Ansauglauft. So lassen sich unterschiedliche Einstellungen zu unterschiedlichen Zeiten des Motorlaufs bzw. bei unterschiedlichen Zuständen des Motors einstellen, welche beispielsweise das Anlaufen des kalten Motors oder eine Temperaturänderung der Ansaugluft sind.
Indem die Kraftstoffeinspritzung oder Kraftstoffeinleitung für jeden einzelnen Zylinder separat erfolgt und/oder dass für alle Zylinder eine gemeinsame Kraftstoffeinspritzung oder Kraftstoffeinleitung erfolgt, ist es möglich unterschiedliche Saugmotoren individuell auszustatten. Es ergibt sich hierbei zudem der Vorteil, dass bei einer mehrfach vorgesehenen Kraftstoffeinspritzung oder Kraftstoffeinleitung unterschiedliche Kraftstoffe zum Einsatz kommen können, indem die Kraftstoffe an unterschiedlichen Stellen im Ansaugkanal eingeleitet oder eingespritzt werden und bei einer Umschaltung zwischen den Kraftstoffarten zudem eine Anpassung des Unterdrucks erfolgt, so dass der Übergang nicht oder nicht minimal erkennbar ist. So ist es ebenfalls möglich die Kraftstoffeinspritzung oder Kraftstoffeinleitung abhängig vom Motorzustand, wie dessen Temperatur, örtlich einzustellen. Auch bei komplizierten und verwinkelten Ansaugkanälen, welche gegebenenfalls konstruktiv kaum veränderbar sind, ist es sinnvoll die Kraftstoffeinspritzung oder Kraftstoffeinleitung unmittelbar vor den Zylindern anzuordnen, um gegebenenfalls auftretende Verwirbelungsnachteile zu vermeiden.
So erfolgt die Kraftstoffeinspritzung oder Kraftstoffeinleitung stromauf vor oder stromab nach der Luftkammer, wodurch je nach Motogröße und Hubraum bereits im Unterdruck oder erst beim Ansaugen ein für alle Zylinder einheitliches Kraftstoff-Luft-Gemisch erreicht wird.
Indem, die Kraftstoffeinspritzung oder Kraftstoffeinleitung jeweils stromauf unmittelbar vor dem oder den Zylindern oder jeweils in dem oder den Ansaugkanälen der Zylinder erfolgt, lässt sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch für jeden Zylinder individuelle einstellen, wobei der Unterdruck für alle Zylinder zunächst der gleiche ist.
Vorteilhaft ist in der Ansaugluftzufuhr stromab nach dem Drosselventil eine Luftkammer mit zumindest einem Lufteinlass und zumindest einem Luftauslaus angeordnet, welche einen einheitlichen und stabilen Unterdruck während der Betriebszeit des Motors gewährleistet. Abhängig vom Volumen des Motors wird die Größe dieser Luftkammer, welche eine Volumengefäß oder ein anderer geeigneter Körper mit entsprechenden Eigenschaften und Stabilität sein kann, festgelegt.
Indem die Kraftstoffeinspritzung oder Kraftstoffeinleitung stromauf vor oder stromab nach der Luftkammer vorgesehen ist, wird eine homogene Kraftstoffverteilung in der Verbrennungsluft bereits im Unterdruck für beispielsweise kleine Motoren erreicht, da hierbei die Luftkammer ebenfalls eine geringeres Volumen als für große Motoren aufweist. Bei großen Motoren ist es hingegen sinnvoll den Kraftstoff erst nach der Luftkammer einzuspritzen oder einzuleiten, da die Luftkammer ein für eine homogene Verteilung des Kraftstoffes zu großes Volumen aufweist und nur durch zusätzliche Maßnahmen die Verteilung erreicht werden würde, was aber zu einer aufwändigeren und damit teueren Konstruktion führen würde.
Mit einer Weiterbildung ist das Drosselventil oder die Drosselklappe einstellbar, wodurch die angesaugte Luft auf die erforderliche Menge für den notwendigen Unterdruck zuverlässig eingestellt wird. Hierdurch ist eine zuverlässige Einstellung des notwendigen Unterdrucks möglich.
Vorteilhaft ist zumindest in der Luftkammer ein Druckmesser angeordnet, wodurch jederzeit der Unterdruck ermittelt wird und anhand des Unterdrucks die notwendige Einstellung erfolgen kann. Weitere oder alternative Druckmesser lassen sich jedoch auch in den verzweigten Ansaugkanälen der Zylinder anordnen, um die dortigen Druckverhältnisse individuell überwachen zu können.
Indem die Kraftstoffeinspritzung oder Kraftstoffeinleitung eine gemeinsame oder eine je Zylinder separate Kraftstoffeinspritzung oder Kraftstoffeinleitung ist, wird ein universeller Einsatz der Anordnung an unterschiedlichste Ausführungen von Saugmotoren ermöglicht, die konstruktionsbedingt nur eine zentrale Kraftstoffeinspritzung oder Kraftstoffeinleitung ermöglichen oder aber eine separate Kraftstoffeinspritzung oder Kraftstoffeinleitung je Zylinder erfordern.
Vorteilhaft ist die Kraftstoffeinspritzung oder Kraftstoffeinleitung stromab unmittelbar nach der Luftkammer vor dem oder den Ansaugkanälen angeordnet, wodurch sich der konstruktive Aufbau vereinfacht und die geforderte Homogenität des Kraftstoff-Luft-Gemisches einfacher zu erreichen ist.
Indem die Kraftstoffeinspritzung oder Kraftstoffeinleitung jeweils stromauf unmittelbar vor dem oder den Zylindern oder jeweils in dem oder den Ansaugkanälen der Zylinder angeordnet ist, lassen sich die Kraftstoff-Luft-Gemische der jeweiligen Zylinder im Bedarfsfalle individuell einstellen, sofern die zentrale Kraftstoffeinspritzung oder Kraftstoffeinleitung nicht oder nur bedingt dafür geeignet ist.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Die 1 bis 3 zeigen schematische Darstellungen des Verfahrens und der Anordnung.
Das erfindunggemäße Verfahren sieht in einem konkreten Ausführungsbeispiel vor, dass zur Optimierung des Betriebes von Verbrennungsmotoren mit Ansaugung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches bevorzugt mittels einer Luftkammer in der Ansaugluftzufuhr, die stromauf vor dem oder den Ansaugkanälen des oder der Zylinder mit den Ansaugkanälen verbunden ist, ein Unterdruck zwischen 300 mbar bis 900 mbar erzeugt wird. Der Verbrennungsmotor umfasst mindestens einen Zylinder mit Ansaugkanal. Bevorzugt wird der Unterdruck auf zwischen 750 mbar bis 850 mbar, besonders bevorzugt aus zwischen 780 mbar bis 820 mbar eingestellt.
Die Kraftstoffeinspritzung oder Kraftstoffeinleitung erfolgt stromauf oder stromab nach der Luftkammer. Die Lage der Kraftstoffeinspritzung oder Kraftstoffeinleitung wird durch den Hubraum des jeweiligen Motors bestimmt. Wird der Kraftstoff vor der Luftkammer eingeleitet oder eingespritzt, mischt er sich in der Luftkammer mit der Verbrennungsluft. Dies ist bei Motoren mit einem kleinerem Hubraum von etwa bis zu 2200 ccm bevorzugt bis zu 2000 ccm möglich, da das Volumen der Luftkammer abhängig von Hubraum des jeweiligen Motors und proportional zu diesem ist. Bei Motoren mit einem größeren Hubraum erfolgt die Kraftstoffeinspritzung oder Kraftstoffeinleitung bevorzugt nach der Luftkammer noch vor dem oder den Ansaugkanälen.
In einer besonderen Ausführung erfolgt die Kraftstoffeinspritzung oder Kraftstoffeinleitung vor dem Zylinder. Hierdurch wird eine von der Gestaltung des Ansaugkanals unabhängige Kraftstoffeinspritzung oder Kraftstoffeinleitung erreicht.
Der Unterdruck der Ansaugluft in der Luftkammer wird in einem konkreten Ausführungsbeispiel durch ein Kugelventil an einem Lufteinlass der Luftkammer eingestellt. Das Kugelventil wird dafür dynamisch oder nach den Messungen einer Druckmessers in Form beispielsweise eines Drucksensors so eingestellt, dass der Unterdruck konstant oder zumindest innerhalb der Toleranzen bleibt.
Durch den Unterdruck der Ansaugluft wird eine Vergrößerung des Volumens der Ansaugluft und damit der Sauerstoffmoleküle erreicht. Nach bzw. während der Ansaugung und mit Einsetzen der Kompression und der damit einhergehenden Druckerhöhung im Zylinder gehen der Kraftstoff und der Sauerstoff eine feste Verbindung ein. Hierdurch ist eine optimale Verbrennung möglich.
Beim Öffnen des oder der Ventile des Zylinders zum Ansaugkanal für das Ansaugen, erfolgt im Sekundenbruchteil bedingt durch den Unterdruck der Ansaugluft in der Luftkammer, deren Unterdruck mindestens genauso groß ist wie der Unterdruck im Ansaugkanal, die Füllung für diesen Zylinder mit dem Kraftstoff-Luft-Gemisch. Die unter dem Unterdruck oder im besonderen Fall unter Vakuum stehende Luft strömt dabei in den Ansaugkanal und verkleinert durch einen Druckanstieg ihr Volumen. Während dieses Vorganges wird der Luft und damit dem Sauerstoff der Luft der Kraftstoff zugeführt. In diesem Zustand geht der Treibstoff die feste Verbindung mit den Molekülen und Atomen, wie die des Sauerstoffes, der Luft ein.
Ein ausreichend großes Volumen der Luftkammer ermöglicht dabei eine optimale Kraftstoff-Luft-Mischung der einzelnen Ansaugkanäle und Zylinder.
Bezugszeichenliste

1: Zylinder
2: Ansaugkanal
3: Luftkammer
4: Druckmesser
5: Kraftstoffeinspritzung, Kraftstoffeinleitung
6: Ansaugluftzufuhr
7: Drosselventil, Drosselklappe
8: Lufteinlass
9: Luftauslass
10: Luftfilter

Claims

Verfahren zur Optimierung des Betriebes von Verbrennungsmotoren mit Ansaugung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, wobei der Verbrennungsmotor mindestens einen Zylinder (1) mit Ansaugkanal (2) umfasst, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: dadurch gekennzeichnet, – dass vor und/oder während der Ansaugung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Zylinder (1) oder den Zylindern (1) ein Unterdruck zwischen 300 mbar bis 900 mbar der Ansaugluft erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck der Ansaugluft mittels einer Luftkammer (3) stromauf vor dem oder den Ansaugkanälen (2) des oder der Zylinder (1) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck der Ansaugluft dynamisch und/oder nach den Messungen eines Druckmessers (4) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzung (5) oder Kraftstoffeinleitung (5) für jeden einzelnen Zylinder (1) separat erfolgt und/oder dass für alle Zylinder (1) eine gemeinsame Kraftstoffeinspritzung (5) oder Kraftstoffeinleitung (5) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzung (5) oder Kraftstoffeinleitung (5) stromauf vor oder stromab nach der Luftkammer (3) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzung (5) oder Kraftstoffeinleitung (5) jeweils unmittelbar stromauf vor dem oder den Zylindern (1) oder jeweils in dem oder den Ansaugkanälen (2) der Zylinder (1) erfolgt.
Anordnung zur Optimierung des Betriebes von Verbrennungsmotoren mit Ansaugung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, wobei der Verbrennungsmotor mindestens einen Zylinder (1) mit Ansaugkanal (2) und Ansaugluftzufuhr (6) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf vor dem oder den Ansaugkanälen (2) der Zylinder (1) ein Drosselventil (7) oder eine Drosselklappe (7) in der Ansaugluftzufuhr (6) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ansaugluftzufuhr (6) stromab nach dem Drosselventil eine Luftkammer (3) mit zumindest einem Lufteinlass (8) und zumindest einem Luftauslass (9) angeordnet ist.
Anordnung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftstoffeinspritzung (5) oder Kraftstoffeinleitung stromauf vor oder stromab nach der Luftkammer (3) vorgesehen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Drosselventil (7) oder die Drosselklappe (7) einstellbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in der Luftkammer (3) ein Druckmesser (4) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzung (5) oder Kraftstoffeinleitung eine gemeinsame oder eine je Zylinder (3) separate Kraftstoffeinspritzung (5) oder Kraftstoffeinleitung (5) ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzung (5) oder Kraftstoffeinleitung (5) stromab unmittelbar nach der Luftkammer (3) vor dem oder den Ansaugkanälen (2) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffeinspritzung (5) oder Kraftstoffeinleitung (5) jeweils stromauf unmittelbar vor dem oder den Zylindern (1) oder jeweils in dem oder den Ansaugkanälen (2) der Zylinder (1) angeordnet ist.