DE102019127495A1 - Reciprocating internal combustion engine with variable two-stroke / multi-stroke switching - Google Patents
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Abstract
Es wird eine elektronisch gesteuerte Hubkolbenbrennkraftmaschine angegeben, die im Zweitaktverfahren oder Mehrtaktverfahren arbeiten kann. Die Hubkolbenbrennkraftmaschine wird ohne mechanischen Ventiltrieb realisiert und ist daher besonders kompakt und einfach aufgebaut, kostengünstig herzustellen und leicht. Zudem läuft sie insbesondere im Hinblick auf den fehlenden Ventiltrieb besonders reibungsarm. Gleichzeitig kann durch die variable Umschaltung zwischen Zweitakt- und Mehrtaktbetrieb, die beispielsweise abhängig von einer Leistungsanforderung ist, eine Verbrauchs- und Emissionsminimierung bei gleichzeitig höchster maximaler Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Hubkolbenbrennkraftmaschinen ähnlicher Größe erreicht werden.An electronically controlled reciprocating internal combustion engine is specified, which can work in the two-stroke process or multi-stroke process. The reciprocating internal combustion engine is implemented without a mechanical valve drive and is therefore particularly compact and simple in construction, inexpensive to manufacture and light. In addition, it runs with particularly low friction, particularly with regard to the lack of a valve train. At the same time, the variable switchover between two-stroke and multi-stroke operation, which is, for example, dependent on a performance requirement, minimizes consumption and emissions while at the same time achieving the highest maximum performance compared to conventional reciprocating internal combustion engines of similar size.
Description
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, die so ausgebildet ist, dass bedarfsgesteuert elektronisch während des Betriebs eine Umschaltung zwischen einem Zweitakt-Betrieb und einem Mehrtakt-Betrieb erfolgen kann.The present disclosure relates to a reciprocating internal combustion engine which is designed in such a way that a switchover between a two-stroke operation and a multi-stroke operation can take place electronically in a demand-controlled manner.
Bei herkömmlichen Zweitakt-Hubkolbenbrennkraftmaschinen erfolgt je 360 Grad Kurbeldrehung ein Arbeitstakt durch Zündung und Verbrennung eines Luft-Kraftstoffgemisches. Ein Ladungswechsel findet normalerweise bei im unteren Totpunkt befindlichem Kolben statt. Bei Viertakt-Hubkolbenbrennkraftmaschine hingegen findet ein Arbeitstakt mit Verbrennung nur alle 720 Grad Kurbeldrehung statt. Nach dem Arbeitstakt folgt der Ausstoßtakt, anschließend der Ansaugtakt und der Verdichtungstakt.In conventional two-stroke reciprocating internal combustion engines, one work cycle takes place for every 360 degrees of crank rotation through the ignition and combustion of an air-fuel mixture. A gas exchange normally takes place with the piston at bottom dead center. In the case of four-stroke reciprocating internal combustion engines, on the other hand, a working stroke with combustion only takes place every 720 degrees of crank rotation. After the work cycle, the exhaust cycle follows, followed by the intake cycle and the compression cycle.
Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es eine verbesserte Hubkolbenbrennkraftmaschine anzugeben.The object of the present disclosure is to specify an improved reciprocating internal combustion engine.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved with a reciprocating internal combustion engine according to
Ein großer Vorteil der Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Offenbarung liegt beispielsweise darin, dass einerseits, bei hohem Leistungsbedarf und ggfs. niedriger Drehzahl, im Gegensatz zu einer Viertakt-Hubkolbenbrennkraftmaschine, bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle unter Verbrennung von Kraftstoff (gasförmig oder flüssig) Leistung erzeugt werden kann. In diesem Zustand entstehen durch die geringe Drehzahl auch nur geringe Reibungsverluste. Umgekehrt können bei hoher Drehzahl oder niedrigem Leistungsbedarf einzelne oder mehrere Umdrehungen ohne Verbrennung ablaufen, um die Füllung zu erhöhen und den Verbrauch zu verringern. Durch die Verbrennung bei jeder Umdrehung kann die Drehzahl bei gleicher Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Viertakt-Hubkolbenbrennkraftmaschinen deutlich reduziert, bevorzugt halbiert sein, wodurch geringere Reibungsverluste vorhanden sind. Durch die geringeren Drehzahlen können bevorzugt kleinere Getriebe ggfs. mit weniger Gangstufen etc. verwendet werden.A great advantage of the reciprocating internal combustion engine according to the present disclosure is, for example, that on the one hand, with high power demand and possibly low speed, in contrast to a four-stroke reciprocating internal combustion engine, power is generated with combustion of fuel (gaseous or liquid) with each revolution of the crankshaft can. In this state, the low speed also results in only minor frictional losses. Conversely, if the engine speed is high or the power requirement is low, single or multiple revolutions can take place without combustion in order to increase the charge and reduce consumption. As a result of the combustion at each revolution, the speed can be significantly reduced, preferably halved, with the same power compared to conventional four-stroke reciprocating internal combustion engines, which means that there are lower friction losses. Because of the lower speeds, smaller gears, if necessary with fewer gear steps, etc., can preferably be used.
Die Umschaltung kann nach Bedarf bevorzugt in Echtzeit, also unmittelbar erfolgen. Die Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Offenbarung hat bevorzugt den Aufbau einer schlitzgesteuerten herkömmlichen Zweitakt-Hubkolbenbrennkraftmaschine. Sie weist bevorzugt keinen Nocken- und/oder Ventiltrieb auf bzw. arbeitet nocken- und/oder ventiltriebfrei. Sie arbeitet daher reibungsarm und ist kostengünstig herzustellen und einfach zu warten. Zudem ist die Baugröße besonders kompakt und die Maschine leicht.The switchover can, if required, preferably take place in real time, ie immediately. The reciprocating internal combustion engine according to the present disclosure preferably has the structure of a slot-controlled conventional two-stroke reciprocating internal combustion engine. It preferably has no cam and / or valve drive or works without cam and / or valve drive. It therefore works with little friction and is inexpensive to manufacture and easy to maintain. In addition, the size is particularly compact and the machine is light.
Die Wahl des jeweiligen Taktverfahrens ermöglicht eine variable Anpassung des Betriebs der Brennkraftmaschine an die jeweilige Anforderung bei gleichzeitig einfachstem Aufbau der Maschine. Die Leistungsabgabe lässt sich schnell, bevorzugt in Echtzeit, an die Anforderung anpassen und fein Steuern. Die Steuerung der Taktverfahren (die Auswahl, welches Taktverfahren das geeignete ist) erfolgt bevorzugt über die Leistung- und Drehmomentanforderungen oder beispielsweise Emissionsanforderungen. Die Auswahl kann zur Realisierung einer Motorstopp oder Segelfunktion erfolgen. Beispielsweise wird beim Beschleunigen bevorzugt auf Zweitaktverfahren geschaltet und nach Erreichen der gewünschten Geschwindigkeit auf Vier- oder Sechstakt umgeschaltet.The choice of the respective cycle method enables a variable adaptation of the operation of the internal combustion engine to the respective requirement with the simplest construction of the machine at the same time. The power output can be adapted quickly, preferably in real time, to the requirements and finely controlled. The control of the cycle method (the selection of which cycle method is the most suitable) is preferably carried out via the power and torque requirements or, for example, emission requirements. The selection can be made to implement an engine stop or sailing function. For example, when accelerating, preference is given to switching to the two-stroke process and, after reaching the desired speed, switching to four or six-stroke.
Je nach Auslegung kann ein Standgasbetrieb mit sehr geringer Drehzahl (beispielsweise im 6-oder 8-Takt-Betrieb) zusätzlich oder alternativ zu einer Start-Stopp-Automatik vorgesehen sein. Hierdurch können die Anforderungen an Anlasser und Batterie verringert und kann ein Heizungs- bzw. Klimabetrieb aufrechterhalten werden. Weiter können die bei Start-Stopp-Automatik erhöhten Emissionen durch Abkühlung in der Stopphase verhindert werden.Depending on the design, idle operation at a very low speed (for example in 6 or 8-stroke operation) can be provided in addition to or as an alternative to an automatic start-stop system. As a result, the requirements for the starter and battery can be reduced and heating or air conditioning can be maintained. In addition, the increased emissions with the automatic start-stop system can be prevented by cooling down during the stop phase.
Die Umschaltung zwischen Betriebsverfahren (Zwei-Mehrtakt) kann für jeden einzelnen Zylinder separat oder für Gruppen oder alle gemeinsam erfolgen und mit herkömmlichen Techniken (Steuerzeitverstellung, variable Verdichtung etc.) kombiniert werden.Switching between operating methods (two-stroke cycle) can take place separately for each individual cylinder or for groups or all together and can be combined with conventional techniques (timing adjustment, variable compression, etc.).
Bevorzugt können zwei oder mehrere beispielsweise über eine Kupplung koppelbare Ein- und/oder Mehrzylinder-Motoren vorgesehen werden. Zur Beschleunigung arbeiten beispielsweise alle oder Gruppen davon im Zweitakt-Betrieb. Bei Reisegeschwindigkeit schalten beide oder einer der Motoren in den Mehrtaktbetrieb oder wird sogar ein Motor ganz abgeschaltet und arbeitet der andere Motor im Zwei- oder Mehrtaktbetrieb. Als weitere Alternative können einzelne Zylinder jedes Motors abgeschaltet werden.Two or more single and / or multi-cylinder engines, which can be coupled, for example, via a clutch, can preferably be provided. To Acceleration, for example, all or groups of them work in two-stroke operation. At cruising speed, both or one of the motors switch to multi-stroke operation or even one motor is switched off completely and the other motor works in two-stroke or multi-stroke operation. As a further alternative, individual cylinders of each engine can be switched off.
Die Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß vorliegender Offenbarung ist damit im Vergleich zu bekannten Viertakt-Hubkolbenbrennkraftmaschinen bei gleicher Leistung bevorzugt kleiner, leichter, sicherer (beim Doppelkurbeltrieb kein Öl), und verbrauchsärmer und weist bevorzugt eine geringere Komplexität auf. Die Umschaltbarkeit der Taktverfahren ermöglicht eine schnelle Anpassung an die jeweilige Anforderung. Durch die fehlende Zylinderkopfsteuerung und Absenkung der Motordrehzahl kann die motorische Reibung deutlich verringert werden.The reciprocating piston internal combustion engine according to the present disclosure is therefore preferably smaller, lighter, safer (no oil in the double crank drive), and more economical and preferably has a lower complexity compared to known four-stroke reciprocating internal combustion engines with the same power. The switchability of the cycle processes enables a quick adaptation to the respective requirement. The lack of cylinder head control and lowering the engine speed can significantly reduce engine friction.
Die Hubkolbenbrennkraftmaschine ist eine Ein- oder Mehrzylinder-Hubkolbenbrennkraftmaschine. Ein Motorblock bevorzugt mit Zylinderkopf bildet innerhalb seiner Wände ein oder mehrere Zylinder (zylinderförmige Hohlkörper) aus, in denen ein Kolben hin und her bewegbar ist. Bevorzugt wird je Zylinder ein Brennraum jeweils zwischen Kolben, Zylinderwand und Zylinderkopf (Deckel des Zylinders) ausgebildet. Der Kolben wird bevorzugt über eine Kolbenstange mit einer Kurbelwelle direkt oder über Pleuel etc. derart verbunden, dass eine Längsbewegung des Kolbens zu einer Rotation der Kurbelwelle führt. Der Kolben ist dadurch so zwangsgeführt, dass er sich mit der Kurbelwellendrehung zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin und her bewegt. Ausgehend von seinem oberen Totpunkt (hier definiert als 0 Grad Kurbeldrehung) bewegt er sich bei einer 360 Grad Kurbeldrehung von seinem oberen Totpunkt zu seinem unteren Totpunkt und wieder zurück.The reciprocating internal combustion engine is a single or multi-cylinder reciprocating internal combustion engine. An engine block, preferably with a cylinder head, forms one or more cylinders (cylindrical hollow bodies) within its walls, in which a piston can be moved back and forth. For each cylinder, a combustion chamber is preferably formed between the piston, cylinder wall and cylinder head (cover of the cylinder). The piston is preferably connected to a crankshaft directly via a piston rod or via connecting rods, etc. in such a way that a longitudinal movement of the piston leads to a rotation of the crankshaft. As a result, the piston is forcibly guided in such a way that it moves back and forth between an upper dead center and a lower dead center as the crankshaft rotates. Starting from its top dead center (here defined as 0 degrees of crank rotation) it moves from its top dead center to its bottom dead center and back again with a 360 degree crank rotation.
In den seitlichen Zylinderwänden (bevorzugt hauptsächlich vom Motorblock ausgebildet) sind bevorzugt, wie bei herkömmlichen einfachen Zweitakt-Hubkolbenbrennkraftmaschinen üblich, eine oder mehrere Auslassöffnung für Gas in dem Brennraum und, bevorzugt unterhalb der Auslassöffnung, eine oder mehrere Einlassöffnung für bevorzugt aufgeladene (mit Überdruck versehene) Frischladung (Frischluft oder Frischluft-Kraftstoff-Gemisch) vorgesehen. Die Auslassöffnung wird in der Bewegung des Kolbens von dem oberen Totpunkt zu dem unteren Totpunkt somit bevorzugt vor der Einlassöffnung von dem Kolben überfahren. Befindet sich der Kolben (oder sein zur Abdichtung gegenüber der seitlichen Zylinderwand dienender Bereich) unterhalb des oberen Randes der jeweiligen Öffnung, wird die Öffnung in den Brennraum freigegeben. Da die Einlassöffnung unterhalb der Auslassöffnung angeordnet ist, kann zuerst Gas aus dem Brennraum Ausströmen und anschließend Frischgas (Luft oder Luft-Kraftstoffgemisch) in diesen einströmen. Dieser Vorgang wird auch Ladungswechsel bezeichnet. In der Bewegung des Kolbens von seinem unteren Totpunkt zu seinem oberen Totpunkt wird dann zuerst die Einlassöffnung und anschließend die Auslassöffnung verschlossen. In der weiteren Bewegung wird nach dem Schließen der Öffnungen die in dem Brennraum befindliche Frischladung komprimiert. In der nachfolgenden nach unten Bewegung vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt erfolgt die Expansion des Gases (gegebenenfalls mit Verbrennung) und der Vorgang beginnt von Neuem.In the side cylinder walls (preferably formed mainly by the engine block), as is usual with conventional simple two-stroke reciprocating piston internal combustion engines, one or more outlet openings for gas in the combustion chamber and, preferably below the outlet opening, one or more inlet openings for preferably charged (with excess pressure ) Fresh charge (fresh air or fresh air-fuel mixture) provided. In the movement of the piston from the top dead center to the bottom dead center, the outlet opening is therefore preferably passed over by the piston before the inlet opening. If the piston (or its area serving to seal against the lateral cylinder wall) is below the upper edge of the respective opening, the opening is released into the combustion chamber. Since the inlet opening is arranged below the outlet opening, gas can first flow out of the combustion chamber and then fresh gas (air or air-fuel mixture) can flow into it. This process is also known as gas exchange. In the movement of the piston from its bottom dead center to its top dead center, the inlet opening is then closed first and then the outlet opening. In the further movement, after the openings have been closed, the fresh charge located in the combustion chamber is compressed. In the subsequent downward movement from top dead center to bottom dead center, the gas expands (possibly with combustion) and the process begins again.
Bevorzugt sind die Öffnungen derart angeordnet, dass das einströmende Frischgas einen hohen Anteil des in dem Brennraum befindlichen Gases aus diesem ausspülen kann. Beispielsweise sind hierfür die Öffnungen gegenüber zueinander angeordnet. Es können mehrere Einlassöffnungen und eine davon unabhängige Anzahl (auch nur eine) Auslassöffnung vorhanden sein. Insbesondere die Einlassöffnungen können gerichtet ausgebildet sein, so dass die einströmenden Frischladung in einer gewünschte Strömungsrichtung einströmt. Hierdurch kann beispielsweise ein Wirbel in dem Brennraum ausgebildet werden. Auch die Auslassöffnungen können strömungstechnisch optimiert ausgebildet sein.The openings are preferably arranged in such a way that the incoming fresh gas can flush a large proportion of the gas located in the combustion chamber therefrom. For example, the openings are arranged opposite one another for this purpose. There can be several inlet openings and an independent number (even only one) of outlet openings. In particular, the inlet openings can be designed to be directed, so that the fresh charge flowing in flows in in a desired flow direction. In this way, for example, a vortex can be formed in the combustion chamber. The outlet openings can also be designed to be fluidically optimized.
Weiterhin ist eine elektronisch gesteuerte Einspritzanlage vorgesehen, die mittels einer Steuereinrichtung (z.B. ein oder mehreren Steuergeräten) gesteuert wird. Die Einspritzanlage kann als Direkteinspritzanlage oder als indirekte Einspritzanlage mit innerer oder äußerer Gemischbildung ausgebildet sein. Die Einspritzung bzw. das Einleiten von Kraftstoff selbst wird bevorzugt elektronisch über die Steuereinrichtung geregelt, bevorzugt kommen elektronisch geregelte Einspritzdüsen zum Einsatz.An electronically controlled injection system is also provided, which is controlled by means of a control device (e.g. one or more control units). The injection system can be designed as a direct injection system or as an indirect injection system with internal or external mixture formation. The injection or the introduction of fuel itself is preferably regulated electronically via the control device; electronically regulated injection nozzles are preferably used.
Anders als bei herkömmlichen Zweitakt-Hubkolbenbrennkraftmaschinen wird die elektronisch gesteuerte Einspritzanlage bedarfsabhängig derart gesteuert, dass verschiedene Taktverfahren einstellbar sind.In contrast to conventional two-stroke reciprocating internal combustion engines, the electronically controlled injection system is controlled as required in such a way that various cycle methods can be set.
Bei Einstellung des Zweitaktverfahrens arbeitet die Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Offenbarung wie eine herkömmliche Zweitakt-Hubkolbenbrennkraftmaschine. D. h., je 360 Grad Kurbeldrehung (hier beispielsweise ausgehend von im unteren Totpunkt befindlichen Kolben) erfolgt ein durch die Steuereinrichtung gesteuerter Einspritzvorgang. Ein Einspritzvorgang kann, wie heute üblich, aus mehreren einzelnen Einspritzungen oder einer durchgehenden Einspritzung bestehen, auch eine Umstellung der Art der Einspritzung während des Betriebs ist denkbar. Bei Ausbildung als Direkteinspritzanlage beginnt die Einspritzung beispielsweise zu dem Zeitpunkt, zu dem der Kolben den oberen Totpunkt erreicht. Je 360 Grad Kurbeldrehung bedeutet in diesem Zusammenhang nicht, dass dies ausgehend von im oberen Totpunkt befindlichen Kolben gerechnet wird, sondern dass ausgehend von einem Beginn eines Einspritzvorgangs bis zum Beginn des nächsten Einspritzvorgangs, mit dazwischenliegenden Ladungswechsel im Wesentlichen 360 Grad Kurbeldrehung liegen, wobei die nachfolgende Einspritzung auch früher oder später als exakt 360 Grad Kurbeldrehung liegen kann. Es ist also bevorzugt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ladungswechseln (bevorzugt Kolben im Bereich des unteren Totpunktes) im Zweitaktverfahren jeweils ein Einspritzvorgang vorgesehen.When the two-stroke process is set, the reciprocating internal combustion engine according to the present disclosure operates like a conventional two-stroke reciprocating internal combustion engine. That is, for every 360 degrees of crank rotation (here, for example, starting from the piston located in bottom dead center), an injection process controlled by the control device takes place. As is customary today, an injection process can consist of a plurality of individual injections or a continuous injection; a change in the type of injection during operation is also conceivable. When training as a direct injection system, the injection begins, for example at the time when the piston reaches top dead center. In this context, every 360 degrees of crank rotation does not mean that this is calculated based on the piston located in top dead center, but that, starting from the start of an injection process to the start of the next injection process, with an intervening gas exchange, there are essentially 360 degrees of crank rotation, with the following Injection can also be earlier or later than exactly 360 degrees of crank rotation. An injection process is therefore preferably provided between two successive charge changes (preferably pistons in the area of bottom dead center) in the two-stroke process.
Beispielsweise mehr oder weniger gleichzeitig zu oder kurz nach der Einspritzung erfolgt die Zündung. Durch die Verbrennung expandiert das im Brennraum vorliegende Luft-Kraftstoff-Gemisch, was zu einer Bewegung des Kolbens nach unten führt (auch als Arbeitstakt bezeichnet). In der nach unten Bewegung des Kolbens kann nach der Verbrennung zuerst das Abgas mindestens teilweise aus der Auslassöffnung ausströmen und anschließend Frischluft aus der Einlassöffnung einströmen. Bevorzugt wird ein Großteil des Abgases aus dem Brennraum gespült. Je nach Drehzahl und Konstruktion verbleibt aber prinzipbedingt in vielen Fällen ein Teil des Abgases im Brennraum. Im nächsten Arbeitsmarkt wird in diesem Fall eine Mischung aus Abgas und Frischladung verbrannt.For example, ignition takes place more or less simultaneously with or shortly after the injection. As a result of the combustion, the air-fuel mixture in the combustion chamber expands, which leads to a downward movement of the piston (also known as the work cycle). In the downward movement of the piston, after the combustion, the exhaust gas can first at least partially flow out of the outlet opening and then fresh air can flow in from the inlet opening. A large part of the exhaust gas is preferably flushed out of the combustion chamber. Depending on the speed and construction, however, in many cases part of the exhaust gas remains in the combustion chamber due to the principle involved. In this case, a mixture of exhaust gas and fresh cargo is burned in the next job market.
Bei Einstellung des Mehrtaktverfahrens arbeitet die Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Offenbarung wie folgt: auf eine erste 360 Grad Kurbeldrehung (hier beispielhaft ausgehend vom im unteren Totpunkt befindlichen Kolben), bei der die Hubkolbenbrennkraftmaschine im oben beschriebenen Zweitaktverfahren arbeitet, d.h. bei der je 360 Grad Kurbeldrehung ein Einspritzvorgang erfolgt, folgt eine oder mehrere 360 Grad Kurbeldrehungen, bei denen keine Einspritzung erfolgt. D.h., zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ladungswechseln (Kolben im unteren Totpunkt) erfolgt keine Einspritzung. Bei der Direkteinspritzung oder indirekter Einspritzung mit innerer Gemischbildung hat dies zur Folge, dass kein Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum ausgebildet wird und lediglich die eingespülte Frischluft ggfs. mit Abgasanteil in der Bewegung des Kolbens von seinem unteren Totpunkt zu dem oberen Totpunkt komprimiert wird. Mangels Kraftstoffes erfolgt bevorzugt dann auch keine Zündung im Bereich des oberen Totpunkts. Die Zündsteuerung kann entsprechend bevorzugt mit der Einspritzsteuerung gekoppelt sein. In der weiteren Bewegung des Kolbens von seinem oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt wird das komprimierte Gas wieder entspannt. Die in der Verdichtung verrichtete Arbeit wird hier abzüglich möglicher Reibungsverluste wieder zurückgewonnen. Anschließend erfolgt nach Öffnung der Auslass- und Einlassöffnungen insbesondere bei Zufuhr von verdichtetem Frischgas der nächste Ladungswechsel. In diesem kann der Anteil an Abgasen in der Frischladung weiter signifikant verringert und/oder der Zylinder gekühlt werden.When the multi-stroke process is set, the reciprocating internal combustion engine according to the present disclosure works as follows: on a first 360 degrees crank rotation (here, as an example, based on the piston located in bottom dead center), in which the reciprocating internal combustion engine operates in the two-stroke process described above, ie with each 360 degree crank rotation Injection process takes place, follows one or more 360 degree crank turns, during which no injection takes place. This means that there is no injection between two successive gas changes (piston at bottom dead center). In the case of direct injection or indirect injection with internal mixture formation, this means that no air-fuel mixture is formed in the combustion chamber and only the fresh air that is injected, possibly with exhaust gas, is compressed in the movement of the piston from its bottom dead center to the top dead center. In the absence of fuel, there is then preferably no ignition in the area of top dead center. The ignition control can accordingly preferably be coupled to the injection control. In the further movement of the piston from its top dead center to the bottom dead center, the compressed gas is released again. The work done in compression is recovered here minus any possible friction losses. The next charge change then takes place after the outlet and inlet openings have been opened, in particular when compressed fresh gas is supplied. In this, the proportion of exhaust gases in the fresh charge can be further significantly reduced and / or the cylinder can be cooled.
Im nachstehenden Verdichtungstakt kann bedarfsabhängig wieder eingespritzt werden (bei dann höherem Anteil an Frischluft) oder kann ein weiterer Verdichtungs- und Expansionshub ohne Einspritzung und Verbrennung erfolgen, was den Frischluftanteil ggfs. weiter erhöht. Wird zwischen zwei Ladungswechseln abwechselnd eingespritzt und nicht eingespritzt, wird dies als Viertaktbetrieb bezeichnet. Der Frischluftanteil in der Zylinderfüllung entspricht hier im Wesentlichen dem eines herkömmlichen Viertakt-Motors. Folgt einem Ladungswechsel ein Einspritzvorgang und den nächsten zwei Ladungswechseln kein Einspritzvorgang und erst dem darauf Folgenden wieder ein Einspritzvorgang, wird dies als Sechstaktverfahren bezeichnet usw. (Achttaktverfahren...).In the following compression stroke, depending on requirements, it can be injected again (with a higher proportion of fresh air) or another compression and expansion stroke can take place without injection and combustion, which may further increase the fresh air proportion. If, between two gas changes, injection and not injection are alternately injected, this is referred to as four-stroke operation. The proportion of fresh air in the cylinder charge corresponds essentially to that of a conventional four-stroke engine. If a gas exchange is followed by an injection process and the next two gas changes are not followed by an injection process and only the next one is followed by an injection process, this is referred to as the six-stroke process, etc. (eight-stroke process ...).
Im Falle einer indirekten Einspritzung mit äußerer Gemischbildung (beispielsweise Saugrohreinspritzung) kann, je nach Konstruktion, eine Verzögerung um eine oder mehrere 360 Grad Kurbeldrehungen vorhanden sein. Der ins Saugrohr eingeleitete Kraftstoff führt dann nämlich zu einem Luft-Kraftstoff-Gemisch, welches erst verzögert, beispielsweise erst in dem oder einem auf die Einspritzung ins Saugrohr folgendem Ladungswechsel in den Brennraum geführt wird. Wird nun das Einspritzen eingestellt, kann es ein oder mehrere Ladungswechsel dauern, bis die Frischladung kein zündfähiges Gemisch mehr aufweist, bzw. kraftstofffrei ist und nur noch aus Frischluft ggfs. mit Abgasanteil besteht.In the case of indirect injection with external mixture formation (for example intake manifold injection), depending on the design, there may be a delay of one or more 360 degree crank turns. The fuel introduced into the intake manifold then leads to an air-fuel mixture which is only passed into the combustion chamber with a delay, for example only in the or a gas exchange following the injection into the intake manifold. If the injection is now stopped, it can take one or more charge changes until the fresh charge no longer has an ignitable mixture or is fuel-free and only consists of fresh air, possibly with an exhaust gas component.
Bevorzugt erfolgt mittels des Pumpraums eine Verdichtung der Frischluft (Frischladung). Die Hubkolbenbrennkraftmaschine ist dabei bevorzugt so ausgebildet, dass die in den Pumpraum befindliche Frischluft in der Kolbenposition, bei der die Einlassöffnung geöffnet wird, derart verdichtet wird, dass sie einen höheren Druck aufweist, als die noch im Brennraum befindliche Luft (bzw. Abgas). Hierdurch wird sichergestellt, dass die verdichtete Frischluft in den Brennraum überströmt und diesen spült und kein Abgas in den Pumpraum strömt. Über die Größe des Pumpraums und/oder den Hub lässt sich dessen Verdichtungsverhältnis und damit auch der Druck einstellen.The fresh air (fresh charge) is preferably compressed by means of the pump chamber. The reciprocating internal combustion engine is preferably designed in such a way that the fresh air in the pump chamber is compressed in the piston position in which the inlet opening is opened in such a way that it has a higher pressure than the air (or exhaust gas) still in the combustion chamber. This ensures that the compressed fresh air flows over into the combustion chamber and flushes it and that no exhaust gas flows into the pump chamber. Its compression ratio and thus also the pressure can be adjusted via the size of the pump chamber and / or the stroke.
Um in der Kolbenbewegung zu seinem oberen Totpunkt ein Ausströmen von Frischladung aus dem Pumpraum durch die Auslassöffnung(en) zu verhindern, weist der Kolben auf der dem Brennraum abgewandten Seite bevorzugt ein Kolbenhemd auf, welches die Auslassöffnung(en) auch bei im oberen Totpunkt befindlichen Kolben verschließt. Alternativ ist beispielsweise ein gesteuertes Ventil in der Auslassöffnung vorhanden.In order to prevent fresh charge from flowing out of the pump chamber through the outlet opening (s) during the piston movement to its top dead center, the piston preferably has a piston skirt on the side facing away from the combustion chamber, which also opens the outlet opening (s) in the upper Piston located dead center closes. Alternatively, for example, a controlled valve is present in the outlet opening.
Alternativ zu einem Pumpraum kann eine Verdichtung der Frischladung durch beispielsweise Kompressor oder Turbolader erfolgen.As an alternative to a pump chamber, the fresh charge can be compressed, for example, by a compressor or turbocharger.
Die Einlassöffnung und/oder die Auslassöffnung sind bevorzugt als Schlitze, die sich mindestens auch in der Bewegungsrichtung des Kolbens erstrecken ausgebildet. Insbesondere ist die Einlassöffnung als ein Schlitz ausgebildet, der sich von dem Pumpraum bis in den Brennraum erstreckt. Über die Länge des Schlitzes lässt sich der Zeitpunkt (also die Kolben- bzw. Kurbelwellenposition), ab dem ein Überströmen von dem Pumpraum in den Brennraum möglich ist, bestimmen.The inlet opening and / or the outlet opening are preferably designed as slots which also extend at least in the direction of movement of the piston. In particular, the inlet opening is designed as a slot which extends from the pump chamber into the combustion chamber. The point in time (that is to say the piston or crankshaft position) from which a flow from the pump chamber into the combustion chamber is possible can be determined via the length of the slot.
Alternativ und/oder zusätzlich können im Kolben Schlitze ausgebildet sein, die in Zusammenwirken mit den Schlitzen ein Strömen in und aus dem Brennraum ermöglichen.Alternatively and / or additionally, slots can be formed in the piston which, in cooperation with the slots, allow a flow into and out of the combustion chamber.
Zusätzlich können in der Zylinderwand oder der vom Zylinderkopf ausgebildeten Kopfwand des Zylinders optional ein oder mehrere Ventile ausgebildet sein, die den Brennraum bevorzugt auch bei im oberen Totpunkt befindlichen Kolben mit der Umgebung verbinden können. In addition, one or more valves can optionally be formed in the cylinder wall or the head wall of the cylinder formed by the cylinder head, which can preferably connect the combustion chamber to the environment even when the piston is in top dead center.
Die Ventile können beispielsweise elektronisch gesteuert geöffnet werden, wenn nach dem Ladungswechsel keine Einspritzung erfolgt bzw. nur Frischluft ggfs. mit Abgas im Brennraum ist, so dass in der Bewegung des Kolbens von seinem unteren Totpunkt zu dem oberen Totpunkt die im Brennraum vorhandene Frischluft ohne wesentliche Verdichtung in die Umgebung ausgestoßen wird und anschließend wieder Frischluft eingesaugt wird. Hierdurch kann die Verdichtungsarbeit vermieden werden.The valves can be opened electronically, for example, if there is no injection after the gas exchange or if there is only fresh air, possibly with exhaust gas, in the combustion chamber, so that the fresh air present in the combustion chamber in the movement of the piston from its bottom dead center to the top dead center is unimportant Compression is expelled into the environment and then fresh air is sucked in again. In this way, the compression work can be avoided.
Bevorzugt kommt ein Doppelkurbeltrieb zum Einsatz, der durch die lineare Kolbenführung einen ölfreien Brennraum und ggfs. auch Pumpraum ermöglicht. Hierdurch kann die Abgasqualität deutlich verbessert werden. Insbesondere in Kombination mit der Verstellung der Taktverfahren kann ein emissionsarmer und leistungsstarker Motor realisiert werden. Außerdem liegt bei der Konstruktion mit Doppelkurbeltrieb durch die zylinderaxiale Kolbenführung kein möglicher Schmierungsmangel bei Betrieb im Mehrtaktverfahren vor.A double crank drive is preferably used which, thanks to the linear piston guide, enables an oil-free combustion chamber and, if necessary, also a pump chamber. This can significantly improve the quality of the exhaust gas. In particular in combination with the adjustment of the cycle process, a low-emission and powerful engine can be implemented. In addition, there is no possible lack of lubrication in the case of the construction with double crank drive due to the cylinder-axial piston guide when operating in the multi-stroke process.
Die Steuerung, ob oder ob nicht eingespritzt wird, erfolgt durch die Steuereinrichtung in Reaktion auf eine Leistungsanforderung und mögliche weitere Parameter, wie Drehzahl, Temperatur, Steigung, Drehzahl, Geschwindigkeit, gewünschter Kraftstoffverbrauch usw.The control of whether or not injection is carried out is carried out by the control device in response to a power requirement and possible other parameters such as speed, temperature, gradient, speed, speed, desired fuel consumption, etc.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren erläutert.A preferred embodiment of the invention is explained below with reference to the figures.
Die Figuren zeigen in
-
1 eine Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einer ersten Ausführungsform mit im unteren Totpunkt befindlichem Kolben, und -
2 ein Diagramm, dass einem Brennraumdruckverlauf in Bezug auf Kurbelwellendrehstellung angibt.
-
1 a reciprocating internal combustion engine according to a first embodiment with the piston located at bottom dead center, and -
2 a diagram that indicates a combustion chamber pressure curve in relation to the crankshaft rotational position.
Oberhalb des Kolbens
An dem dem Zylinderkopf
Der Kolben
Unterhalb des Pumpraums
Die Kolbenstange
Das Pleuelverbindungsbauteil
Des Weiteren sind zwei Pleuel
Der Kolben
Die Bewegungsrichtung der Kurbelscheiben
Weiterhin sind in der Zylinderwand
Der Zylinderwandausströmungskanal
Die zur Überströmung dienenden Zylinderwandüberströmungskanäle
Weiterhin weist die Hubkolbenbrennkraftmaschine
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Brennkraftmaschine beispielhaft mit einem Zylindervolumen von 85ccm, einem Bohrungsdurchmesser von 60mm, einem Hub s von 30mm, einem s/D Verhältnis (=Hub-Bohrungsverhältnis) von 0,5 ausgebildet. Weiterhin wird der UT bei 215 Grad Kurbelwinkel erreicht.In the present embodiment, the internal combustion engine is designed, for example, with a cylinder volume of 85ccm, a bore diameter of 60mm, a stroke s of 30mm, an s / D ratio (= stroke-bore ratio) of 0.5. Furthermore, the BDC is reached at a crank angle of 215 degrees.
Die einzelnen Bauteile sind aus üblichen Materialien, wie beispielsweise Metalllegierungen Kohlenstoffen, Kunststoffen etc. ausgebildet.The individual components are made of conventional materials, such as metal alloys, carbon, plastics, etc.
Im Folgenden werden beispielhaft bestimmte Bewegungspositionen des Kolbens
Wie oben angegeben, zeigt
In der Bewegung des Kolbens
Ein Ausströmen von Gas aus dem Brennraum
Anschließend werden auch die Einlassöffnungen
Der Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine
In der weiteren Bewegung des Kolbens
In der weiteren Bewegung überfährt der Kolben
In der weiteren Bewegung des Kolbens
In der weiteren Bewegung des Kolbens
In der weiteren Bewegung wird nun das im Pumpraum
In der weiteren Bewegung zwischen dem unteren Totpunkt und dem oberen Totpunkt werden, wenn der obere abdichtende Rand des Kolbens
Anschließend erreicht der Kolben wieder seinen unteren Totpunkt und bewegt sich, wie oben beschrieben zurück in Richtung des oberen Totpunkts.The piston then reaches its bottom dead center again and, as described above, moves back towards the top dead center.
Bei Betrieb im Mehrtaktverfahren wird das oben beschriebene Einspritzen von Kraftstoff bei im Bereich des oberen Totpunktes befindlichen Kolben ein oder mehrmals ausgelassen. Angewendet auf das obige Beispiel bedeutet dies, dass in der Bewegung des Kolbens in Richtung zu dem oberen Totpunkt die eingeströmte Frischluft mit dem durch das Spülen nicht ausgespülten Restabgas verdichtet wird und im Bereich des oberen Totpunkts keine Einspritzung und bevorzugt entsprechend auch keine Zündung erfolgt.When operating in the multi-stroke process, the injection of fuel described above is omitted one or more times when the piston is in the region of top dead center. Applied to the above example, this means that when the piston moves in the direction of top dead center, the fresh air that has flowed in is compressed with the residual exhaust gas that has not been flushed out by purging, and no injection and preferably no ignition takes place in the area of top dead center.
Es findet also keine mit der Verbrennung des Kraftstoffs einhergehende Expansion des im Brennraum befindlichen Gases statt. Stattdessen wird der Kolben durch das verdichtete Gas wieder zurück in Richtung des unteren Totpunkts bewegt. Die in der Expansion an den Kolben abgegebene Leistung entspricht hierbei (ohne Berücksichtigung von Reibungsverlusten) im Wesentlichen der Kompressionsarbeit, die vorher bei der Verdichtung durch die Kurbelwelle zur Bewegung des Kolbens in Richtung des oberen Totpunkts geleistet wurde, so dass die Kompression mit nachfolgender Expansion ohne Verbrennung im wesentlichen verlustfrei ist.There is therefore no expansion of the gas in the combustion chamber associated with the combustion of the fuel. Instead, the compressed gas moves the piston back towards bottom dead center. The power delivered to the piston during expansion corresponds (without taking into account friction losses) essentially the compression work that was previously performed during compression by the crankshaft to move the piston in the direction of top dead center, so that the compression with subsequent expansion without Combustion is essentially lossless.
Anschließend erfolgt, genauso wie bei der oben beschriebenen 360 Grad Drehung mit Einspritzung, ein Ladungswechsel durch Einströmen von Frischladung aus dem Pumpraum
In der nun folgenden 360 Grad Kurbeldrehung kann entweder erneut eine Einspritzung erfolgen (Viertaktbetrieb) oder erneut keine Einspritzung erfolgen (Sechstaktbetrieb).In the following 360 degree rotation of the crank, either another injection can take place (four-stroke operation) or no injection can occur again (six-stroke operation).
Die Steuerung, ob oder ob nicht eingespritzt wird, erfolgt durch das Steuergerät
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.It is explicitly emphasized that all features disclosed in the description and / or the claims are viewed as separate and independent of one another for the purpose of the original disclosure as well as for the purpose of restricting the claimed invention, regardless of the combinations of features in the embodiments and / or the claims should. It is explicitly stated that all range specifications or specifications of groups of units disclose every possible intermediate value or subgroup of units for the purpose of the original disclosure as well as for the purpose of restricting the claimed invention, in particular also as a limit of a range specification.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 22
- HubkolbenbrennkraftmaschineReciprocating internal combustion engine
- 33
- MotorblockEngine block
- 44th
- Zylindercylinder
- 66th
- ZylinderwandCylinder wall
- 88th
- Kolbenpiston
- 1010
- BrennraumCombustion chamber
- 1212th
- ZylinderkopfCylinder head
- 1414th
- Zündkerzespark plug
- 1515th
- EinspritzanlageInjection system
- 15a15a
- SteuereinrichtungControl device
- 15b15b
- EinspritzdüsenInjectors
- 15c15c
- SteuerleitungControl line
- 15d15d
- HochdruckleitungHigh pressure line
- 15e15e
- Hochdruckpumpehigh pressure pump
- 1616
- PumpraumgehäusePump chamber housing
- 1818th
- PumpraumPumping room
- 2020th
- KolbenstangePiston rod
- 2222nd
- Wandwall
- 2424
- DoppelkurbeltriebDouble crank drive
- 2626th
- Dichtmittelsealant
- 2828
- KurbeltriebgehäuseCrankcase
- 3030th
- Kurbelcrank
- 3232
- KurbelscheibeCrank disc
- 3434
- Kurbelwellecrankshaft
- 3636
- PleuelzapfenConnecting rod pin
- 3838
- BefestigungsbereichAttachment area
- 4040
- PleuelverbindungsbauteilConnecting rod connecting component
- 4141
- Ansatzapproach
- 4242
- PleuelConnecting rod
- 4444
- VerbindungsbolzenConnecting bolt
- 70a70a
- ZylinderwandüberströmungskanalCylinder wall transfer channel
- 70b70b
- ZylinderwandausströmungskanalCylinder wall outflow channel
- 72a72a
- EinlassöffnungInlet opening
- 72b72b
- AuslassöffnungOutlet opening
- 74a74a
- ÜberströmungseinlassOverflow inlet
- 74b74b
- AuslassOutlet
- 7575
- AbgasstrangExhaust system
- 7676
- KolbenhemdPiston skirt
- 8383
- EinlassventilInlet valve
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 299182 A1 [0003]DE 299182 A1 [0003]
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102019127495.8A DE102019127495A1 (en) | 2019-10-11 | 2019-10-11 | Reciprocating internal combustion engine with variable two-stroke / multi-stroke switching |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
DE102019127495.8A DE102019127495A1 (en) | 2019-10-11 | 2019-10-11 | Reciprocating internal combustion engine with variable two-stroke / multi-stroke switching |
Publications (1)
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---|---|
DE102019127495A1 true DE102019127495A1 (en) | 2021-04-15 |
Family
ID=75155419
Family Applications (1)
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---|---|
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-
2019
- 2019-10-11 DE DE102019127495.8A patent/DE102019127495A1/en active Pending
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