DE102020131507A1

DE102020131507A1 - Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine sowie Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102020131507A1
Application number: DE102020131507.4A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Schmidt
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-11-27
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2022-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer einen Kolben (13) und einen durch den Kolben (13) begrenzten Brennraum (21) umfassenden Verbrennungskraftmaschine (10), bei welchem eine dem Brennraum (21) zugeordnete Ventilanordnung (33) geöffnet und über die geöffnete Ventilanordnung (33) Frischluft in den Brennraum (21) eingeleitet wird, woraufhin die Ventilanordnung (33) geschlossen und bei geschlossener Ventilanordnung (33) ein die Frischluft umfassendes Gemisch (35) in dem Brennraum (21) mittels des Kolbens (13) verdichtet wird, wobei während und/oder nach dem Verdichten des Gemisches (35) und während die Ventilanordnung (33) geschlossen ist mittels eines zusätzlich zu der Ventilanordnung (33) vorgesehenen Ventilelements (24) ein zusätzliches Fluid in den Brennraum (21) eingebracht wird, wobei durch das Einbringen des Fluids eine Druckerhöhung und eine daraus resultierende Selbstzündung des Gemisches (35) bei oder nach dessen durch den Kolben (13) bewirkten, maximalen geometrischen Verdichtung bewirkt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9 beziehungsweise 10.
Der EP 2 876 275 A1 ist eine Hubkolben-Brennkraftmaschine als bekannt zu entnehmen, mit mindestens einem an einem Zylinderkopf angeordneten Lufteinlassventil und mindestens einem am Zylinderkopf angeordneten Luftauslassventil. Dabei ist es vorgesehen, dass am Zylinderkopf ein elektromagnetisches Ventil zur Lufteinbringung in einen Brennraum und/oder zur Luftausbringung aus dem Brennraum angeordnet ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie eine solche Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zu schaffen, sodass ein besonders kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs und ganz insbesondere eines vorzugsweise als Personenkraftwagen ausgebildeten Kraftwagens. Dies bedeutet, dass das Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand die Verbrennungskraftmaschine umfasst und mittels der Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist, insbesondere in beziehungsweise durch deren befeuerten Betrieb. Andere Anwendungsfälle sind selbstverständlich ohne weiteres möglich. Die Verbrennungskraftmaschine weist wenigstens einen wenigstens einen Kolben und wenigstens einen zumindest teilweise durch den Kolben begrenzten Brennraum auf. Die Verbrennungskraftmaschine weist beispielsweise ein Gehäuseelement auf, durch welches der Brennraum teilweise begrenzt ist. Die Verbrennungskraftmaschine kann als jedwede Verbrennungskraftmaschine und somit beispielsweise als Wankelmotor oder Hubkolbenmaschine beziehungsweise Hubkolbenmotor ausgebildet sein. Insbesondere dann, wenn die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise, das heißt als mögliche aber nicht zwingend vorgesehen Ausführungsform als ein Hubkolbenmotor ausgebildet ist, weist die Verbrennungskraftmaschine wenigstens einen Zylinder auf, welcher beispielsweise durch das Gehäuseelement, insbesondere durch ein Zylindergehäuse, der Verbrennungskraftmaschine gebildet beziehungsweise begrenzt ist. Dabei ist der Kolben, insbesondere translatorisch, bewegbar in dem Zylinder angeordnet. Dabei begrenzen der Zylinder und der Kolben jeweils teilweise den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine.
Dem Brennraum ist wenigstens oder vorzugsweise genau eine Ventilanordnung zugeordnet, welche im Folgenden noch genauer erläutert wird. Bei dem Verfahren wird innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine die dem Brennraum zugeordnete Ventilanordnung geöffnet. Unter dem Arbeitsspiel ist insbesondere folgendes zu verstehen: Die Verbrennungskraftmaschine weist eine Abtriebswelle, über welche die Verbrennungskraftmaschine Drehmomente, insbesondere zum Antreiben des Kraftfahrzeugs, bereitstellen kann. Der Kolben kann beispielsweise mit der Abtriebswelle, insbesondere gelenkig, gekoppelt sein, sodass die Abtriebswelle von dem Kolben antreibbar und dadurch, insbesondere relativ zu dem Gehäuseelement, drehbar ist. Insbesondere dann, wenn die Verbrennungskraftmaschine beispielhaft als Hubkolbenmotor ausgebildet ist, kann die Abtriebswelle als eine Kurbelwelle ausgebildet sein, deren jeweilige Drehstellung, in die die Abtriebswelle innerhalb des jeweiligen Arbeitsspielt kommt beziehungsweise von der Abtriebswelle eingenommen wird, auch als Kurbelwinkel oder Grad Kurbelwinkel bezeichnet wird. Die beispielsweise als Kurbelwelle ausgebildete Abtriebswelle kann beispielsweise über ein Pleuel gelenkig mit dem Kolben verbunden sein. Dadurch können, insbesondere translatorische, Bewegungen des Kolbens, insbesondere in dem Zylinder, in eine rotatorische Bewegung der Abtriebswelle beziehungsweise Kurbelwelle umgewandelt werden, welche beispielsweise um eine Drehachse relativ zu dem zuvor genannten Gehäuseelement drehbar an dem Gehäuseelement gelagert ist. Dabei umfasst das jeweilige Arbeitsspiel, insbesondere dann, wenn die Verbrennungskraftmaschine als ein Vier-Takt-Motor ausgebildet ist, genau zwei vollständige Umdrehungen der Abtriebswelle beziehungsweise Kurbelwelle, mithin genau 720 Grad Kurbelwinkel. Das Verfahren ist jedoch auch für andere Motoren wie beispielsweise Zweitaktmotoren verwendbar.
Innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels wird über die geöffnete Ventilanordnung Frischluft in den Brennraum eingeleitet. Die Ventilanordnung umfasst beispielsweise wenigstens oder genau ein Einlassventil, insbesondere wenigstens oder genau zwei Einlassventile, wobei unter dem Merkmal, dass die Ventilanordnung geöffnet ist beziehungsweise wird, zu verstehen ist, dass das Einlassventil beziehungsweise die oder alle Einlassventile der Ventilanordnung geöffnet ist, sind, wird beziehungsweise werden beziehungsweise dass wenigstens ein, mehrere oder alle dem Brennraum zugeordnete Einlasskanäle geöffnet ist, sind, wird beziehungsweise werden, wobei über den jeweiligen Einlasskanal dann, wenn er offen ist, die Frischluft in den Brennraum einleitbar ist beziehungsweise einströmt, insbesondere innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels.
Nach dem innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels stattfindenden Einleiten der Frischluft in den Brennraum über die geöffnete Ventilanordnung wird die Ventilanordnung geschlossen. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass das Einlassventil beziehungsweise die oder alle Einlassventile der Ventilanordnung geschlossen wird beziehungsweise werden, sodass dann das Einlassventil beziehungsweise die oder alle Einlassventile geschlossen ist beziehungsweise sind. Insbesondere nach dem innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels stattfindenden schließen und somit bei geschlossener Ventilanordnung, das heißt bei geschlossenem Einlassventil beziehungsweise bei geschlossenen Einlassventilen, wird innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels ein die Frischluft umfassendes Gemisch in dem Brennraum mittels des Kolbens verdichtet, insbesondere derart, dass insbesondere dann, wenn die Verbrennungskraftmaschine beispielhaft als ein Hubkolbenmotor ausgebildet ist, sich innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels der Kolben in Richtung seines oberen Totpunkts bewegt und dabei beispielsweise zumindest eine Teil einer Strecke oder eines Wegs zurücklegt, die beziehungsweise der sich von einem unteren Totpunkt des Kolbens bis zu seinem oberen Totpunkt, insbesondere durchgängig beziehungsweise unterbrechungsfrei, erstreckt.
Das zuvor genannte Gemisch umfasst beispielsweise auch einen insbesondere flüssigen Kraftstoff, welcher innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels in den Brennraum eingebracht, insbesondere direkt eingespritzt, wird. Beispielsweise ist dem Brennraum wenigstens oder genau eine Ventileinrichtung zugeordnet, welche beispielsweise wenigstens oder genau ein Auslassventil oder wenigstens oder genau zwei Auslassventile umfasst. Über die Ventileinrichtung kann insbesondere dann, wenn die Ventileinrichtung innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels geöffnet ist, ein Abgas aus dem Brennraum ausströmen, wobei das Abgas daraus resultiert, dass das Gemisch innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels gezündet und in der Folge zumindest teilweise verbrannt wird. Unter dem Merkmal, dass die Ventileinrichtung geöffnet wird beziehungsweise ist, ist insbesondere zu verstehen, dass das Auslassventil beziehungsweise die oder alle Auslassventile geöffnet wird, werden, ist beziehungsweise sind. Unter dem Merkmal, dass die Ventilanordnung geschlossen wird beziehungsweise ist, ist insbesondere zu verstehen, dass das jeweilige Auslassventil beziehungsweise die oder alle Auslassventile geschlossen wird, werden, ist beziehungsweise sind. Das zuvor genannte, innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels stattfindende und mittels des Kolbens bewirkte Verdichten des Gemisches findet insbesondere statt, während die Ventilanordnung und die Ventileinrichtung, insbesondere gleichzeitig, geschlossen sind.
Innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels wird während und/oder nach dem mittels des Kolbens innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels bewirkten Verdichten des Gemisches und während die Ventilanordnung und vorzugsweise auch die Ventileinrichtung geschlossen ist, mittels wenigstens eines zusätzlich zu der Ventilanordnung und vorzugsweise auch zusätzlich zu der Ventileinrichtung vorgesehenen Ventilelements ein zusätzliches, insbesondere von dem Kraftstoff unterschiedliches, Fluid in den Brennraum, insbesondere direkt, eingebracht wird. Das zusätzliche Fluid wird auch als Zusatzfluid bezeichnet. Vorzugsweise wird als das zusätzliche Fluid zusätzliche Luft verwendet, welche innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels mittels des Ventilelements in den Brennraum, insbesondere direkt, eingeblasen wird, wobei die zusätzliche Luft auch als Zusatzluft bezeichnet wird. Das Einblasen der zusätzlichen Luft in den Brennraum wird auch als Zusatzeinblasung oder Zusatzlufteinblasung bezeichnet, die innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels stattfindet.
Um nun einen besonders wirkungsgradgünstigen und somit kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb, insbesondere befeuerten Betrieb, der Verbrennungskraftmaschine realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels durch das Einbringen des Zusatzfluids, insbesondere durch das Einblasen der zusätzlichen Luft, eine Druckerhöhung in dem Brennraum, das heißt eine Erhöhung der Verdichtung bzw. des Drucks und eine dadurch resultierende Selbstzündung des Gemisches bei oder nach dessen maximaler, durch den Kolben bewirkter geometrischer Verdichtung bewirkt werden.
Hierunter ist insbesondere Folgendes zu verstehen: Dadurch, dass der Kolben beispielsweise in seinen oberen Totpunkt bewegbar ist beziehungsweise bewegt wird, insbesondere während die Ventileinrichtung und vorzugsweise auch die Ventilanordnung geschlossen sind, kann, zunächst ohne Betrachtung des Einbringens des Zusatzfluids, das Gemisch mittels des Kolbens maximal geometrisch verdichtet werden, wobei beispielsweise die maximale geometrische Verdichtung des Gemisches dann vorliegt, wenn sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt befindet und insbesondere die Ventilanordnung sowie vorzugsweise auch die Ventileinrichtung geschlossen sind beziehungsweise wenn ein Volumen des Brennraums innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels minimal ist und insbesondere die Ventilanordnung sowie vorzugsweise auch die Ventileinrichtung geschlossen sind. Über diese, maximale geometrische und mittels des Kolbens bewirkbare oder bewirkte Verdichtung des Gemisches hinaus wird durch das Einbringen des Zusatzfluids in den Brennraum, die insbesondere dann stattfindet, während die Ventilanordnung und vorzugsweise auch die Ventileinrichtung geschlossen sind, eine Zusatz- oder Nachverdichtung des Gemisches bewirkt, welches in Folge des Einbringens des Zusatzfluids, insbesondere infolge des Einblasens der zusätzlichen Luft, beispielsweise auch das in den Brennraum eingebrachte Zusatzfluid, insbesondere die in den Brennraum eingeblasene, zusätzliche Luft (Zusatzluft), umfasst. Hierdurch kann im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen, bei denen das Gemisch nur durch die maximale geometrische Verdichtung des Kolbens verdichtet wird und eine Zusatz- beziehungsweise Nachverdichtung durch Einbringen von Zusatzfluid unterbleibt, der energetische Wirkungsgrad der auch als Verbrennungsmotor bezeichneten Verbrennungskraftmaschine erhöht werden.
Das Zusatzfluid muss nicht unbedingt Luft sein. Es könnte auch ein inertes Gas wie z.B. Stickstoff oder CO₂ oder auch ein inertes Fluid wie z.B. Wasser sein. Das hätte den Vorteil bzw. die Eigenschaft, dass durch die zusätzliche Einbringung, Einblasung bzw. Einspritzung lediglich der Druck (und die Temperatur) verändert wird aber nicht das Verbrennungsluftverhältnis Lambda. Wird das Gemisch dabei nicht auf Selbstzündungstemperatur gebracht, muss das Gemisch fremdgezündet werden z.B. per elektr. Zündung bzw. Lichtbogen, sodass darauf geachtet werden sollte, dass die Einspritzung inerter Fluide nicht (direkt vor der Fremdzündungsquelle) die Fremdzündfähigkeit beeinträchtigt.
Das Einbringen des Zusatzfluids, insbesondere die Zusatzlufteinblasung, ist somit eine nachträgliche beziehungsweise zusätzlich zur mittels des Kolbens bewirkbaren, maximalen geometrischen Verdichtung des Gemisches vorgesehene Verdichtung, wodurch sich ein besonders wirkungsgradgünstiger Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren lässt. Des Weiteren ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Einbringen des Zusatzfluids derart durchgeführt wird, dass durch das Einbringen des Zusatzfluids innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels eine Zündung in Form einer Selbstzündung des Gemisches bewirkt wird, wobei diese Selbstzündung bei oder nach der mittels des Kolbens bewirkten, maximalen geometrischen Verdichtung des Gemisches stattfindet, das heißt beginnt. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt liegt ein Zündzeitpunkt beziehungsweise Zündwinkel, zu welchem das Gemisch per Selbstzündung zündet beziehungsweise gezündet wird, bei oder nach dem Punkt beziehungsweise Zeitpunkt der maximalen geometrischen, durch den Kolben bewirkten Verdichtung, das heißt insbesondere nach dem oberen Totpunkt des Kolbens. Der Zündzeitpunkt beziehungsweise Zündwinkel kann somit direkt durch das Einbringen des Zusatzfluids, insbesondere durch dessen Beginn, eingestellt beziehungsweise gesteuert oder geregelt werden. Somit kann ein besonders effizienter und somit kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb realisiert werden. Vorteilhaft ist, dass auch gering klopffeste Kraftstoffe bzw. Kraftstoffe mit weit streuender Selbstzündungstemperatur so gezielt zur Selbstzündung am bzw. nach dem oberen Totpunkt gebracht werden können, was allein über Kinematik bzw. Ventiltrieb schwieriger bzw. gar nicht realisierbar wäre. Bei Kraftstoffen mit gut vorhersagbarer und ggf. hoher Selbstzündungstemperatur würde dieses Verfahren zu einer Absenkung der mittleren Zylindertemperatur führen, weil im Verdichtungstakt die Temperatur zum oberen Totpunkt (OT) hin nicht so schnell und/oder stark ansteigt als wie bei einer kinematisch gesteuerten Selbstzündung. Letzteres bringt vermutlich keinen wesentlichen Verbrauchsvorteil aber einen Kostenvorteil, weil die in der direkten Umgebung verbauten Maschinenelemente weniger hochtemperaturfest sein müssen und sich die Kühlung bzw. die Auslegung des Kühlsystems vermutlich einfacher gestaltet bzw. kleiner dimensionieren lässt. Insbesondere werde ein Beginn oder Startzeitpunkt, zu welchem innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels mit dem Einbringen des Zusatzfluids begonnen wird, und eine Geschwindigkeit, mit welcher das Zusatzfluid in den Brennraum eingebracht wird, derart abgestimmt, dass die Zündung bzw. Selbstzündung des Gemisches nicht vor dem oberen Totpunkt, sondern danach geschieht.
Die Erfindung basiert insbesondere auf folgenden Erkenntnissen und Überlegungen. Der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors wird im Wesentlichen durch zwei Prozessgrößen bestimmt: eine erste der Prozessgrößen ist die Länge des Expansionswegs, mithin des zuvor genannten Wegs vom oberen Totpunkt in den unteren Totpunkt beziehungsweise umgekehrt. Die zweite Prozessgröße ist der so genannte Kolben- oder Brennraummitteldruck, also eigentlich der Wert der Integration über pdV - bedingt durch pmax und pmin - und damit letztendlich durch p_mittel. Üblicherweise ist der Kolbenmitteldruck technisch-konzeptionell durch physikalische Eigenschaften des Kraftstoffs begrenzt. Wird als der Kraftstoff ein Benzin beziehungsweise Ottokraftstoff verwendet, so ist der Kolbenmitteldruck durch die Klopffestigkeit des Ottokraftstoffes begrenzt. Wird als der Kraftstoff ein Dieselkraftstoff verwendet, so ist der Kolbenmitteldruck durch den Druck beziehungsweise die Temperatur begrenzt, bei dem beziehungsweise bei der es zur Selbstzündung kommt. Beide Grenzen machen eine Anhebung von pmax beziehungsweise T_max insbesondere im Hinblick auf den Wirkungsgrad ohne nennenswerte, konstruktive und/oder softwaretechnische Änderungen unmöglich. Durch die Zusatzeinblasung kann jedoch die Verdichtung des Gemisches über die mittels des Kolbens bewirkbare beziehungsweise bewirkte, maximale geometrische Verdichtung hinaus verdichtet werden, vorteilhafter Weise bis hin zur Selbstzündungsgrenze, sodass ein besonders vorteilhafter Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine darstellbar ist. Durch das Einbringen des Zusatzfluids kann beispielsweise die über die maximale geometrische Verdichtung des Gemisches hinausgehende, maximale Verdichtung des Gemisches hinter den oberen Totpunkt des Kolbens verschoben werden im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren, bei welchen eine Nachverdichtung durch Einbringen eines Zusatzfluids unterbleibt. Der Expansionsweg beeinflusst auch den Kolbenmitteldruck. Somit kann gesagt werden, dass der Wirkungsgrad umso höher ist, je größer die Differenz zwischen A) pmax und B) pmin ist. Das erreicht man A) durch Erhöhung von pmax, also der Verdichtung und/oder B) durch Verringerung von pmin also durch Verlängerung des Expansionsweges.
Es gibt einige Variablen denkbar:

- Wahl und Anzahl der Kraftstoffe (Benzin, Diesel... ggf. in Kombination mit anderen Kraftstoffen z. B. Erdgas...)
- Fremdzündung oder Selbstzündung (ggf. betriebspunktabhängig - Querwirkung zur Konzeption des Motorstarts)
- Techn. Konzept zur Bereitstellung des notwendigen Einpressdruckes (Verdichterrad vs. Hubkolbenpumpe... ; Energiequelle für die Verdichtung: Abgasdruck und/oder Kurbelwelle und/oder elektrisches Bordnetz...)
- Gemisch des zusätzlichen Fluides für die Nachverdichtung (flüssig/gasförmig, inert ja/nein, Mischungsverhältnis, Quelle: Umgebungsluft/Abgas/mitgeführtes Fluid, mehrere Einbringelemente vs. kombiniert)

Um einen besonders wirkungsgradgünstigen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zu realisieren, ist es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels das Einbringen des Zusatzfluids, insbesondere das Einblasen der zusätzlichen Luft, beginnt, wenn sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt befindet. Mit anderen Worten beginnt das Einbringen des Zusatzfluids innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels in dem oberen Totpunkt des Kolbens. Vorteilhafterweise ist es insbesondere vorgesehen, dass der Beginn des Einbringens des Zusatzfluids nicht vor, sondern beispielsweise am OT oder kurz danach erfolgt. Je nach Druck bzw. Geschwindigkeit, mit der das zusätzliche Fluid eingeblasen wird, ergibt sich dann zeitlich zurückgerechnet aus dem Zündzeitpunkt, der nicht vor dem oberen Zündtotpunkt OT stattfinden soll, der Zeitpunkt des Beginns des Einbringens. Wieder mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels das Einbringen des zusätzlichen Fluids beginnt, wenn innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels durch den Kolben die maximale geometrischen Verdichtung bewirkt wird beziehungsweise ist.
Dabei hat es sich zur Realisierung eines besonders hohen Wirkungsgrads der Verbrennungskraftmaschine als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels sich das Einbringen des Zusatzfluids von dem oberen Totpunkt des Kolbens unterbrechungsfrei bis höchstens 45 Grad Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt, an welchem das Einbringen des Zusatzfluids beginnt, erstreckt. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels die mit dem Kolben gekoppelte Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine bei, das heißt zum Zeitpunkt der durch den Kolben bewirkten, maximalen geometrischen Verdichtung eine erste Drehstellung einnimmt, wobei innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels sich das Einbringen des zusätzlichen Fluids von der durch den Kolben bewirkten, maximalen geometrischen Verdichtung und dadurch von der ersten Drehstellung der Abtriebswelle unterbrechungsfrei bis zu einer zweiten Drehstellung der Abtriebswelle, das heißt so lange erstreckt, bis die Abtriebswelle innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels eine auf die erste Drehstellung folgende, zweite Drehstellung einnimmt. Dabei dreht sich innerhalb des jeweiligen Arbeitsspeils die Abtriebswelle um höchstens 45 Grad aus der ersten Drehstellung in die zweite Drehstellung. Mit anderen Worten sind die Drehstellungen vorzugsweise höchstens 45 Grad voneinander beabstandet. Mit anderen Worten dreht sich die Abtriebswelle innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels um höchstens 45 Grad, um sich aus der ersten Drehstellung in die zweite Drehstellung zu drehen.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das zusätzliche Fluid, insbesondere die Zusatzluft, als Druckfluid, insbesondere als Druckluft, zunächst in einem auch als Druckluftreservoir bezeichneten Reservoir gespeichert beziehungsweise zwischengespeichert und danach aus dem Reservoir abgeführt und innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels mittels des Ventilelements in den Brennraum, insbesondere direkt, eingebracht, insbesondere eingeblasen, wird. Durch Verwendung des Reservoirs kann das Zusatzfluid als Druckfluid, insbesondere die Zusatzluft als Druckluft, das heißt mit einem besonders hohen Druck bedarfsgerecht bereitgestellt werden, sodass in kurzer Zeit eine große Menge des Zusatzfluids in den Brennraum eingebracht werden kann. Dadurch kann eine besonders effektive und effiziente Nach- beziehungsweise Zusatzverdichtung des Gemisches realisiert werden, insbesondere über die maximale geometrische Verdichtung hinaus.
Um das Zusatzfluid besonders bedarfsgerecht und/oder mit einem hinreichend hohen Druck bereitstellen zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Zusatzfluid mittels eines Förderelements, insbesondere eines Verdichterelements und ganz insbesondere mittels eines Verdichterrads, insbesondere eines Verdichters, bereitgestellt wird. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass das Zusatzfluid mittels des Förderelements gefördert und vorzugsweise auch verdichtet wird. Dabei ist es denkbar, dass das Zusatzfluid direkt von dem Förderelement kommend in den Brennraum eingebracht, insbesondere eingeblasen, wird, oder das mittels des Förderelements beziehungsweise von dem Förderelement bereitgestellte Zusatzfluid wird zunächst in dem zuvor genannten Reservoir zwischengespeichert und daraufhin aus dem Reservoir abgeführt und in den Brennraum eingebracht, sodass das von dem Ventilelement bereitgestellte Zusatzfluid über das Druckreservoir in den Brennraum eingeblasen werden kann. Wird als das Zusatzfluid ein flüssiges Fluid verwendet, kann dann kein Verdichterrad, sondern eine Pumpe vorgesehen sein, insbesondere da die meisten flüssigen Medien ja quasi inkompressibel sind. Mit anderen Worten kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass das Zusatzfluid mittels einer Vorrichtung wie beispielsweise eines Verdichters, einer Pumpe, einer Hubkolbenpumpe oder dergleichen bereitgestellt wird, die einen hinreichen hohen Druck, mit dem das Zusatzfluid, insbesondere direkt, in den Brennraum eingebracht wird, generieren kann. Die Art der Pumpe ist weniger relevant. Vermutlich ist eine Bauform vergleichbar zum Stand der Technik für Einspritzpumpen vorteilhaft, weil dort ja heute schon hohe Drücke zu stellen sind.
Um einen besonders hohen Wirkungsgrad und somit einen besonders kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Förderelement, insbesondere das Verdichterrad, von einem Turbinenrad angetrieben wird, welches von dem zuvor genannten Abgas aus dem Brennraum angetrieben wird. Dadurch kann im Abgas enthaltene Energie zum Bereitstellen des Zusatzfluids genutzt werden.
Bei einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Förderelement, insbesondere das Verdichterrad, von einer elektrischen Maschine unter Nutzung von elektrischer Energie beziehungsweise elektrischem Strom angetrieben wird. Hierdurch kann das Zusatzfluid insbesondere in großer Menge und/oder mit großem Druck bereitgestellt werden, insbesondere auch beispielsweise dann, wenn kein oder nur geringer Massestrom des Abgases zur Verfügung steht, um das Förderelement anzutreiben. Es ist denkbar, dass die elektrische Maschine das Förderelement alleine, also ohne Unterstützung des Turbinenrads antreibt, oder das Turbinenrad und die elektrische Maschine treiben das Förderelement gemeinsam an.
Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das Förderelement, insbesondere das Verdichterrad, mechanisch von der, insbesondere gelenkig, mit dem Kolben verbundenen Abtriebswelle, insbesondere Kurbelwelle, der Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn in dem zuvor genannten Reservoir kein Zusatzfluid Zusatzluft oder eine nur geringe Menge des Zusatzfluids enthalten ist. Durch das mechanische Antreiben des Förderelements kann das Zusatzfluid besonders verzögerungsarm beziehungsweise zumindest nahezu Verzögerungsfrei bereitgestellt werden, sodass ein besonders wirkungsgradgünstiger Betrieb darstellbar ist. Die Zuführung des Fluids in den Brennraum ist vorzugsweise in hinreichenden Grenzen frei steuerbar oder regelbar. Dabei ist es denkbar, dass das Förderelement mechanisch durch die Kurbelwelle und auch durch das Turbinenrad und/oder durch die elektrische Maschine antreibbar ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine als Hubkolbenmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine, welche vorzugsweise zum Durchführen des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Die Verbrennungskraftmaschine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst wenigstens einen Kolben und wenigstens einen zumindest teilweise durch den Kolben begrenzten Brennraum. Die Verbrennungskraftmaschine kann als jedwede Verbrennungskraftmaschine und somit beispielsweise als Wankelmotor oder Hubkolbenmotor ausgebildet sein. Dabei kann die Verbrennungskraftmaschine wenigstens einen Zylinder aufweisen, in welchem der Kolben, insbesondere translatorisch, bewegbar angeordnet sein kann.
Die Verbrennungskraftmaschine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst außerdem eine, insbesondere gelenkig, mit dem Kolben verbundene Abtriebswelle, insbesondere Kurbelwelle, welche mittels des Kolbens antreibbar und dadurch drehbar ist. Dem Brennraum ist, wenigstens oder genau, eine Ventilanordnung zugeordnet, welche zum innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine stattfindenden Einleiten von Frischluft in den Brennraum innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels zu öffnen und daraufhin zu schließen ist. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst außerdem wenigstens ein zusätzlich zu der Ventilanordnung vorgesehenes Ventilelement, mittels welchem ein zusätzliches Fluid in den Brennraum einbringbar ist, während und/oder nachdem mittels des Kolbens innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels ein Gemisch nach dem Schließen der Ventilanordnung verdichtet wird bzw. wurde und während die Ventilanordnung innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels geschlossen ist, wobei das Gemisch die innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels in den Brennraum eingeleitete Frischluft umfasst.
Um nun einen besonders wirkungsgradgünstigen und somit kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren zu können, ist es bei dem zweiten Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass die Verbrennungskraftmaschine wenigstens einen Abgasturbolader aufweist. Der Abgasturbolader umfasst ein von Abgas aus dem Brennraum antreibbares Turbinenrad sowie ein von dem Turbinenrad insbesondere über eine Welle antreibbares, erstes Verdichterrad, mittels welchem das zusätzliche Fluid zu fördern und vorzugsweise auch zu verdichten ist.
Des Weiteren umfasst die Verbrennungskraftmaschine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wenigstens ein zweites Verdichterrad, welches insbesondere in Strömungsrichtung des mittels des ersten Verdichterrads geförderten, zusätzlichen Fluids, welches auch als Zusatzfluid bezeichnet wird, seriell zu dem ersten Verdichterrad und dabei beispielsweise stromab des ersten Verdichterrads angeordnet beziehungsweise geschaltete ist. Hierunter ist insbesondere Folgendes zu verstehen: Die Verbrennungskraftmaschine weist beispielsweise einen Fluidpfad, insbesondere einen Luftpfad, auf, welcher von dem Zusatzfluid durchströmbar ist, das mittels des ersten Verdichterrads gefördert ist. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt kann beispielsweise das erste Verdichterrad das Zusatzfluid zumindest durch einen Teil des Fluidpfads hindurch fördern. Dabei ist das erste Verdichterrad in dem Fluidpfad angeordnet. Auch das zweite Verdichterrad ist in dem Fluidpfad angeordnet, sodass das Zusatzfluid mittels des zweiten Verdichterrads zumindest durch einen weiteren Teil und/oder zumindest durch den zuvor genannten Teil des Fluidpfads hindurchgefördert werden kann. In Strömungsrichtung des den Fluidpfad durchströmenden Zusatzfluids ist das zweite Verdichterrad stromauf oder stromab des ersten Verdichterrads und somit seriell zu dem ersten Verdichterrad angeordnet beziehungsweise geschaltet. Dadurch ist eine zweistufige Förderung, insbesondere eine zweistufige Verdichtung des Zusatzfluids vorgesehen, da das Zusatzfluid beispielsweise zunächst mittels eines der Verdichterräder gefördert, und insbesondere verdichtet, wird, woraufhin das Zusatzfluid mittels des anderen Verdichterrads gefördert, insbesondere verdichtet, wird.
Das zweite Verdichterrad ist dabei mechanisch von der Abtriebswelle, insbesondre Kurbelwelle, antreibbar. Somit kann über das erste Verdichterrad und das Turbinenrad im Abgas enthaltene Energie genutzt werden, um das Zusatzfluid zu fördern. Dadurch kann ein besonders hoher Wirkungsgrad realisiert werden. Über das zweite Verdichterrad und dadurch, dass das zweite Verdichterrad mechanisch von der Abtriebswelle antreibbar ist, kann das Zusatzfluid insbesondere auch dann in großer Menge und/oder mit hohem Druck bereitgestellt werden, wenn kein oder nur geringer Massestrom des Abgases zur Verfügung steht, um das Turbinenrad und über dieses das erste Verdichterrad anzutreiben. Somit ist ein besonders effizienter und wirkungsgradgünstiger Betrieb darstellbar.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Vorzugsweise ist die Verbrennungskraftmaschine gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung zum Durchführen des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet. Die Verbrennungskraftmaschine gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weist wenigstens einen Kolben und wenigstens einen zumindest teilweise durch den Kolben begrenzten Brennraum auf. Insbesondere kann die Verbrennungskraftmaschine wenigstens einen Zylinder aufweisen, in welchem der Kolben, insbesondere translatorisch, bewegbar angeordnet sein kann. Außerdem umfasst die Verbrennungskraftmaschine eine, insbesondere gelenkig, mit dem Kolben gekoppelte oder verbundene Abtriebswelle, insbesondere Kurbelwelle, auf, welche von dem Kolben antreibbar und dadurch drehbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine kann über ihre Abtriebswelle Drehmomente zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellen. Der Brennraum kann teilweise durch den Zylinder und teilweise durch den Kolben begrenzt sein. Dem Brennraum ist, insbesondere wenigstens oder genau, eine Ventilanordnung zugeordnet. Die Ventilanordnung ist, um innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine Frischluft in den Brennraum über die geöffnete Ventilanordnung einzuleiten, innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels zu öffnen und danach beziehungsweise daraufhin zu schließen. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst außerdem wenigstens ein zusätzlich zu der Ventilanordnung vorgesehenes Ventilelement, mittels welchem während und/oder nach einem mittels des Kolbens innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels bewirkbaren und nach dem innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels stattfindenden Schließen der Ventilanordnung stattfindenden Verdichten eines die innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels in den Brennraum eingeleitete Frischluft umfassenden Gemisches und während die Ventilanordnung innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels geschlossen ist ein zusätzliches Fluid, insbesondere zusätzliche Luft, in den Brennraum einbringbar, insbesondere einblasbar, ist. Das zusätzliche Fluid, insbesondere die zusätzliche Luft, wird auch als Zusatzfluid, insbesondere Zusatzluft, bezeichnet. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und zweiten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Um nun einen besonders wirkungsgradgünstigen und somit kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zu realisieren, ist es bei einem dritten Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass das Ventilelement ein mit dem zusätzlichen Fluid und mit insbesondere flüssigem Kraftstoff versorgbares Einbringelement ist. Unter den Merkmalen, dass das Ventilelement mit dem Zusatzfluid und mit dem Kraftstoff versorgbar ist, ist zu verstehen, dass sowohl das vorzugsweise von dem Kraftstoff unterschiedliche Zusatzfluid als auch der vorzugsweise flüssige Kraftstoff dem Einbringelement zuführbar sind beziehungsweise zugeführt werden, insbesondere in das Einbringelement einleitbar sind beziehungsweise eingeleitet werden. Mittels des Kraftstoffes ist die Verbrennungskraftmaschine in ihrem befeuerten Betrieb betreibbar, da das zuvor genannte Gemisch die Frischluft und den Kraftstoff umfasst. Innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels wird das Gemisch gezündet und daraufhin verbrannt, woraufhin im Brennraum Abgas entsteht. Das Abgas wird aus dem Brennraum abgeführt. Mittels des Einbringelements ist ein das dem Einbringelement zugeführte, zusätzliche Fluid (Zusatzfluid) und den dem Einbringelement zugeführten Kraftstoff umfassendes Fluid-Kraftstoff-Gemisch, insbesondere Luft-Kraftstoff-Gemisch, erzeugbar und innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels direkt in den Brennraum einbringbar. Dies bedeutet beispielsweise, dass das dem Einbringelement zugeführte Zusatzfluid, insbesondere das in das Einbringelement eingeleitete Zusatzfluid, und der dem Einbringelement zugeführte Kraftstoff, insbesondere der in das Einbringelement eingeleitete Kraftstoff, mittels des Einbringelements und dabei vorzugsweise innerhalb des Einbringelements miteinander gemischt werden können, wodurch das Fluid-Kraftstoff-Gemisch erzeugt wird, insbesondere innerhalb des Einbringelements. Das Mischen des Zusatzfluids mit dem Kraftstoff kann vor der Einspritzung und/oder bei oder während der Einspritzung (also erst im Brennraum) erfolgen.
Das Einbringelement spritzt, insbesondere innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels, das Fluid-Kraftstoff-Gemisch aus und dadurch direkt in den Brennraum ein, wodurch sowohl das Zusatzfluid als auch der Kraftstoff, insbesondere zeitlich überschneidend und ganz insbesondere gleichzeitig, in den Brennraum, insbesondere direkt eingebracht werden. Hierdurch wird in dem Brennraum das zuvor genannte, die Frischluft und den Kraftstoff umfassende Gemisch gebildet, und das zusätzliche Fluid wird in den Brennraum eingebracht, um dadurch die im Rahmen des ersten Aspekts der Erfindung beschriebene Nach- beziehungsweise Zusatzverdichtung des Gemisches insbesondere über die mittels des Kolbens bewirkbare, maximale geometrische Verdichtung des Gemisches hinaus zu bewirken.
Erfindungsgemäß ist es somit vorgesehen, nicht etwa zwei separate Bauelemente zum Einbringen des Kraftstoffes und zum Einbringen des Zusatzfluids zu verwenden, sondern sowohl das Zusatzfluid als auch der Kraftstoff können mittels ein und desselben Einbringelements in den Brennraum, insbesondere direkt, eingebracht werden. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass das Einbringelement wenigstens eine von dem Fluid-Kraftstoff-Gemisch durchströmbare Austrittsöffnung aufweisen kann, über welche das Einbringelement das Fluid-Kraftstoff-Gemisch aus sich ausspritzen und dadurch in den Brennraum, insbesondere direkt, einspritzen kann. Beim Einbringen des Zusatzfluids strömen sowohl der dem Einbringelement zugeführte Kraftstoff als auch das dem Einbringelement zugeführte Zusatzfluid gleichzeitig durch die Austrittsöffnung hindurch und in der Folge in den Brennraum ein, insbesondere als das zuvor genannte Fluid-Kraftstoff-Gemisch. Hierdurch können die Teileanzahl, die Kosten, der Bauraumbedarf und das Gewicht der Verbrennungskraftmaschine besonders gering gehalten werden, sodass über die mittels des Zusatzfluids bewirkbare Nach- beziehungsweise Zusatzdichtung hinaus ein besonders wirkungsgradgünstiger Betrieb darstellbar ist. Zur Vormischung des Zusatzfluids mit dem Kraftstoff könnte der Venturi-Effekt genutzt werden, also ein schneller Fluidstrahl, insbesondere Luftstrahl, der den Kraftstoff aus seinem Reservoir saugt, was aber nicht notwendigerweise heißen muss, dass der Kraftstoff in seinem Reservoir bei Umgebungsdruck vorliegen muss.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine, welche zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist;
2 ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht eines Kurbeltriebs der als Hubkolbenmotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine;
3 eine schematische Darstellung von Takten der Verbrennungskraftmaschine;
4 ein Diagramm zum Veranschaulichen einer Bewegung eines Kolbens der Kurbeltriebs; und
5 schematische Darstellungen zum weiteren Veranschaulichen der Takte der Verbrennungskraftmaschine.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine als Hubkolbenmotor beziehungsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine 10. Die Verbrennungskraftmaschine 10 kann gegebenenfalls, das heißt beispielsweise beziehungsweise optional, in einem oder für ein Kraftfahrzeug, insbesondere in einem oder für einen Kraftwagen, verwendet werden, um das Kraftfahrzeug anzutreiben. Das Kraftfahrzeug kann gegebenenfalls, das heißt möglicherweise beziehungsweise optional, als Personenkraftwagen ausgebildet sein. Die vorigen und folgenden Ausführungsformen sind auf diese Anwendungsbeispiele aber nicht beschränkt, sondern auch auf andere Anwendungsfälle übertragbar. Die Verbrennungskraftmaschine 10 könnte somit jedoch auch für eine andere Anwendungen genutzt werden. Im vorliegenden Fall umfasst das Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand die Verbrennungskraftmaschine 10 und ist mittels der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist ein beispielsweise als Zylindergehäuse, insbesondere als Zylinderkurbelgehäuse, ausgebildetes Gehäuseelement 11 auf, welches mehrere Zylinder 12 bildet beziehungsweise begrenzt. Die Anzahl und Anordnung der Zylinder 12 kann beliebig variiert werden. In Zusammenschau mit 2 ist erkennbar, dass in dem jeweiligen Zylinder 12 ein jeweiliger Kolben 13 translatorisch bewegbar aufgenommen ist, sodass sich der Kolben 13 entlang einer in 2 durch einen Doppelpfeil 14 veranschaulichten Bewegungsrichtung relativ zu dem Gehäuseelement 11 in dem jeweiligen Zylinder 12 translatorisch bewegen kann. Der jeweilige Kolben 13 ist über ein jeweiliges Pleuel 15 gelenkig mit einer Kurbelwelle 16 der Verbrennungskraftmaschine 10 verbunden. Die Kurbelwelle 16 ist eine Abtriebswelle, über welche die Verbrennungskraftmaschine 10 Drehmomente zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellen kann. Die Kurbelwelle 16 ist um eine Kurbelwellendrehachse 17 relativ zu dem Gehäuseelement 11 drehbar an dem Gehäuseelement 11 gelagert.
Aus 1 ist erkennbar, dass ein die Verbrennungskraftmaschine 10 umfassender Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs eine auch mit K0 bezeichnete und beispielsweise als Reibkupplung ausgebildete Kupplung 18 umfassen kann, über welche beispielsweise das jeweilige, von der Verbrennungskraftmaschine über ihre Kurbelwelle 16 bereitgestellte Drehmoment in ein in den Fig. nicht dargestelltes Getriebe des Antriebsstrangs eingeleitet werden kann. Das Pleuel 15 ist beispielsweise einerseits gelenkig mit dem Kolben 13 und andererseits mit der Kurbelwelle 16 gelenkig verbunden, insbesondere derart dass das Pleuel 15 um eine Pleueldrehachse 19 relativ zu einem Hubzapfen 20 der Kurbelwelle 16 drehbar an dem Hubzapfen 20 gelagert ist.
Der jeweilige Kolben 13 und der jeweilige Zylinder 12 begrenzen jeweils teilweise einen jeweiligen Brennraum 21 der Verbrennungskraftmaschine 10. Während eines befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 läuft innerhalb eines jeweiligen, während oder innerhalb des befeuerten Betriebs stattfindenden Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine 10 in dem jeweiligen Brennraum 21 ein Verbrennungsvorgang ab, in dessen Rahmen ein zumindest einen Kraftstoff und Frischluft umfassendes Gemisch gezündet und verbrannt wird. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Kraftstoff um einen flüssigen Kraftstoff, welcher innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels in den Brennraum 21 eingebracht, insbesondere direkt eingespritzt, wird. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist dabei einen von der Frischluft durchströmbaren und auch als Einlasstrakt bezeichneten Ansaugtrakt 22 auf, mittels welchem die Frischluft zu dem jeweiligen Brennraum 21 geführt und innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels in den jeweiligen Brennraum 21 eingebracht beziehungsweise eingeleitet wird. Aus dem Verbrennen des Gemisches resultiert Abgas. Dabei weist die Verbrennungskraftmaschine 10 einen von dem Abgas durchströmbaren Abgastrakt 23 auf.
Dem jeweiligen Brennraum 21 ist genau eine Ventilanordnung zugeordnet, welche beispielsweise wenigstens ein Einlassventil, insbesondere genau zwei Einlassventile, aufweisen kann. Dem jeweiligen Einlassventil ist genau ein Einlasskanal zugeordnet, welcher zumindest von der Frischluft durchströmbar ist. Der Einlasskanal ist beispielsweise von einem Gas und/oder einem Aerosol und/oder einem anderen Medium aus dem Ansaugtrakt 22 durchströmbar, wobei das Gas, das Aerosol beziehungsweise das andere Medium die Frischluft umfassen kann. Das heißt, dass die Frischluft Bestandteil des Gases, Aerosols beziehungsweise Mediums sein kann. Insbesondere kann das Gas, Aerosol beziehungsweise Medium ein Gas, insbesondere Abgas, aus dem Abgastrakt 23 umfassen kann.
Das jeweilige Einlassventil ist zwischen einer ersten Schließstellung und wenigstens einer ersten Offenstellung, insbesondere translatorisch oder auf anderer Art, bewegbar. In der ersten Schließstellung verschließt das jeweilige Einlassventil den jeweils zugehörigen Einlasskanal, sodass keine Frischluft aus dem jeweiligen Einlasskanal ausströmen und in den jeweiligen Brennraum 21 einströmen kann. In der ersten Offenstellung jedoch gibt das jeweilige Einlassventil den jeweils zugehörigen Einlasskanal frei, sodass der jeweilige Einlasskanal fluidisch mit dem jeweiligen Brennraum 21 verbunden ist. Somit kann dann Luft aus dem jeweiligen Einlasskanal ausströmen und in den Brennraum 21 einströmen. Des Weiteren ist dem jeweiligen Brennraum 21 genau eine Ventileinrichtung zugeordnet, welche wenigstens ein Auslassventil, insbesondere genau zwei Auslassventile, umfassen kann. Dem jeweiligen Auslassventil ist genau ein Auslasskanal zugeordnet, welcher von dem Abgas aus dem Brennraum 21 durchströmbar ist. Das jeweilige Auslassventil ist zwischen einer zweiten Schließstellung und wenigstens einer zweiten Offenstellung, insbesondere translatorisch oder auf andere Art, bewegbar. In der zweiten Schließstellung ist der Brennraum 21 mittels des jeweiligen Auslassventils von dem jeweiligen, zugehörigen Auslasskanal getrennt, sodass kein Gas aus dem Brennraum 21 in den jeweiligen Einlasskanal strömen kann. In der jeweiligen zweiten Offenstellung jedoch gibt das jeweilige Auslassventil den jeweils zugehörigen Auslasskanal frei, sodass der jeweilige Auslasskanal fluidisch mit dem jeweiligen Brennraum 21 verbunden ist. Dann kann das Abgas aus dem Brennraum 21 ausströmen und in den jeweiligen Auslasskanal einströmen.
Wird beziehungsweise ist die jeweilige Ventilanordnung geöffnet, so ist darunter zu verstehen, dass die beziehungsweise alle, dem jeweiligen Brennraum 21 zugeordneten Einlassventile geöffnet werden beziehungsweise sind. Ist beziehungsweise wird die jeweilige Ventileinrichtung geöffnet, so ist darunter zu verstehen, dass die beziehungsweise alle dem jeweiligen Brennraum 21 zugeordneten Auslassventile geöffnet beziehungsweise sind. Des Weiteren ist dem jeweiligen Brennraum 21 wenigstens oder genau ein zusätzlich zu der jeweiligen Ventileinrichtung und zusätzlich zu der jeweiligen Ventilanordnung vorgesehenes Ventilelement 24 zugeordnet, dessen Funktion im Folgenden noch genauer erläutert wird.
Das jeweilige Arbeitsspiel der Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst beispielsweise genau zwei vollständige Umdrehungen der Kurbelwelle 16 und somit 720 Grad Kurbelwinkel. Dabei ist die Verbrennungskraftmaschine 10 als ein Vier-Takt-Motor ausgebildet. Sodass das jeweilige Arbeitsspiel genau vier, in 3 veranschaulichte Takte T1, T2, T3 und T4 umfasst. Der erste Takt T1 ist ein Ansaugtakt, bei dem sich der jeweilige Kolben 13 aus seinem oberen Totpunkt in seinen unteren Totpunkt bewegt. In dem Ansaugtakt wird die Frischluft über die geöffnete Ventilanordnung in den Brennraum 21 eingebracht, insbesondere eingeleitet. Der unmittelbar auf den ersten Takt T1 folgende zweite Takt T2 ist ein Verdichtungstakt, bei dem sich der jeweilige Kolben 13 aus seinem unteren Totpunkt in seinen oberen Totpunkt bewegt. Unter dem Merkmal, dass sich der Takt T2 unmittelbar an den Takt T1 anschließt, ist zu verstehen, dass der Takt T2 zeitlich auf den Takt T1 folgt, wobei zwischen den Takten T1 und T2 kein anderer, weiterer Takt der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnet ist. Zumindest während eines Teils der Verdichtungstakts und somit zumindest während eines Teils eines Wegs, entlang welchem sich der Kolben 13 aus seinem unteren Totpunkt in seinen oberen Totpunkt während des Verdichtungstakts bewegt, wird das Gemisch in dem jeweiligen Brennraum 21 mittels des Kolbens 13 verdichtet. Der unmittelbar auf den zweiten Takt T2 folgende, dritte Takt T3 ist ein Arbeitstakt, bei dem das Gemisch in Folge seiner Zündung verbrennt und hierdurch den Kolben 13 und über den Kolben 13 und das Pleuel 15 die Kurbelwelle 16 antreibt. Die Zündung des Gemisches erfolgt beispielsweise in dem Arbeitstakt. Der sich unmittelbar an den Takt T3 anschließende, vierte Takt T4 ist ein Ausstoßtakt, bei dem sich der Kolben 13 aus seinem unteren Totpunkt in seinen oberen Totpunkt bewegt. Dabei schiebt der Kolben das aus dem Verbrennen des Gemisches resultierende Abgas aus dem Brennraum 21 aus und insbesondere in den Abgastrakt 23 ein, insbesondere über die geöffnete Ventileinrichtung. In 3 sind Stellungen des Kolbens 13 mit 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9 bezeichnet, wobei der Kolben 13 diese Stellungen 1 - 9 während des jeweiligen Arbeitsspiels beziehungsweise innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels einnimmt.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 10 erläutert, wobei durch das Verfahren ein besonders wirkungsgradgünstiger und somit kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 realisiert werden kann. Bei dem Verfahren wird innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine 10 die jeweilige Ventilanordnung geöffnet, und über die geöffnete Ventilanordnung wird die Frischluft in den jeweiligen Brennraum 21 eingeleitet, woraufhin die Ventilanordnung geschlossen wird. Danach wird bei geschlossener Ventilanordnung und vorzugsweise auch bei geschlossener Ventilanordnung das die Frischluft und vorzugsweise auch den Kraftstoff umfassende Gemisch in den Brennraum 21 mittels des Kolbens 13 verdichtet, insbesondere zumindest während des zuvor genannten Teils des Verdichtungstakts. Außerdem ist es vorgesehen, dass Innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels während des mittels des Kolbens 13 bewirkten Verdichtens des Gemisches und/oder nach dem mittels des Kolbens bewirkten Verdichten des Gemisches und während die jeweilige Ventilanordnung und vorzugsweise auch die jeweilige Ventileinrichtung geschlossen sind, mittels des jeweiligen, zusätzlich zur Ventilanordnung und zusätzlich zu der Ventileinrichtung vorgesehenen Ventilelements 24 ein zusätzliches Fluid, vorliegend in Form von zusätzlicher Luft, welche auch als Zusatzluft bezeichnet wird, in den jeweiligen Brennraum 21, insbesondere direkt, eingebracht, insbesondere direkt eingeblasen, wird. Dieses Einblasen der zusätzlichen Luft in den Brennraum 21 wird auch als Zusatzlufteinblasung oder Zusatzeinblasung bezeichnet.
Bei nicht-Beachtung der Zusatzlufteinblasung, das heißt dann, wenn die Zusatzlufteinblasung unterbleibt, kann der jeweilige Kolben 13 insbesondere dadurch, dass er sich, insbesondere in dem Verdichtungstakt, in Richtung seines oberen Totpunkts und insbesondere in seinen oberen Totpunkt bewegt und somit den oberen Totpunkt erreicht, insbesondere während die Ventilanordnung und die Ventileinrichtung geschlossen sind, eine maximale geometrische Verdichtung des Gemisches bewirken. Wird nun zusätzlich zu dieser, mittels des Kolbens 13 bewirkten beziehungsweise bewirkbaren, maximalen geometrischen Verdichtung des Gemisches die Zusatzlufteinblasung durchgeführt, so wird durch die Zusatzlufteinblasung das Gemisch über die maximale geometrische Verdichtung hinaus verdichtet. Somit wird mittels der Zusatzlufteinblasung eine Zusatz- oder Nachverdichtung des Gemisches bewirkt, dessen Zusatz- beziehungsweise Nachverdichtung über die mittels des Kolbens 13 bewirkbare, maximale geometrische Verdichtung hinausgeht. Dadurch kann auf relativ einfache, bauraum- und gewichtsgünstige sowie kostengünstige Weise ein besonders hoher Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine 10 gewährleistet werden. Die zuvor genannte Zündung des Gemisches ist in 3 besonders schematisch gezeigt und dort mit 25 bezeichnet. Es ist erkennbar, dass die Zündung beispielsweise nach dem Verdichtungstakt und in dem Arbeitstakt durchgeführt wird beziehungsweise stattfindet.
Um nun einen besonders wirkungsgradgünstigen und somit kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 realisieren zu können, ist es bei dem Verfahren außerdem vorgesehen, dass innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels durch das Einblasen der zusätzlichen Luft, mithin durch die Zusatzlufteinblasung eine Selbstzündung des Gemisches nach der mittels der Kolbens 13 bewirkten, beziehungsweise bewirkbaren, maximalen geometrischen Verdichtung bewirkt wird. Mit anderen Worten ist die zuvor beschriebene Zündung 25 des Gemisches die beziehungsweise eine Selbstzündung, die durch die Zusatzlufteinblasung bewirkt wird und nach der durch den Kolben bewirkten, maximalen geometrischen Verdichtung des Gemisches stattfindet beziehungsweise beginnt.
4 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse 26 die Kurbelwellenwinkel der Kurbelwelle 16 aufgetragen sind. Auf der Ordinate 27 des Diagramms ist der auch als Kolbenweg bezeichnete Weg aufgetragen, den der Kolben 13 innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels zurücklegt. Dabei ist der Kolbenweg in der Einheit % angegeben. Ein Verlauf 28 veranschaulicht den Kolbenweg und ein Verlauf 29 veranschaulicht, insbesondere in der Einheit %, einen Hebelarm, über welchen eine auf den Kolben wirkende und beispielsweise aus der Zündung und Verbrennung des Gemisches resultierende Kraft auf die Kurbelwinkel 16 wirkt. Dabei sind die Stellungen 1 - 9 auch in 4 eingezeichnet. In 4 sind darüber hinaus weitere Stellungen 4' und 5' des Kolbens gezeigt, der auch die Stellungen 4' und 5' innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels einnimmt. Die Stellung 4' liegt zwischen den Stellungen 4 und 5 und dabei in dem Verdichtungstakt. Die Stellung 5' liegt zwischen den Stellungen 5 und 6 und dabei in dem Arbeitstakt. Aus 4 ist erkennbar, dass die Stellung 5 mit dem oberen Totpunkt, insbesondere mit dem oberen Zündtotpunkt des Kolbens 13 zusammenfällt.
Der zuvor genannte Kraftstoff kann ein flüssiger Kraftsoff oder ein gasförmiger Kraftstoff sein und wird beispielsweise mittels eines Injektors direkt in den jeweiligen Brennraum 21 eingebacht, insbesondere eingespritzt oder eingeblasen, insbesondere innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels. Das Einspritzen des Kraftstoffes innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels beginnt beispielsweise bei der Stellung 4 und somit in dem Verdichtungstakt und endet beispielsweise bei der Stellung 4' und somit in dem Verdichtungstakt oder bei der Stellung 5 und somit am Ende des Verdichtungstakts und am Anfang des Arbeitstakts. insbesondere erstreckt sich das Einspritzen des Kraftstoffes durchgängig beziehungsweise unterbrechungsfrei von der Stellung 4 bis zu der Stellung 4' beziehungsweise 5.
Die Zusatzlufteinblasung ist eine Hochdruck-Lufteinblasung, da die Zusatzluft beispielsweise mit einem hohen Druck beziehungsweise in verdichtetem Zustand und somit als Druckluft in den Brennraum 21, insbesondere direkt, eingeblasen wird. beispielsweise beginnt die Zusatzlufteinblasung in beziehungsweise bei der Stellung 5 und endet in beziehungsweise bei der Stellung 5', sodass sich vorzugsweise die Zusatzlufteinblasung durchgängig beziehungsweise unterbrechungsfrei zu der Stellung 5' erstreckt. Die als Selbstzündung ausgebildete und durch die Zusatzlufteinblasung bewirkte Zündung des Gemisches liegt beispielsweise zwischen den Stellungen 5 und 5' oder fällt mit der Stellung 5' zusammen, sodass die Selbstzündung in dem Arbeitstakt und somit nach der Stellung 5, das heißt nach dem oberen Totpunkt des Kolbens 13 liegt, insbesondere beginnt. Somit kann aus 4 besonders gut die durch die Zusatzlufteinblasung bewirkbare beziehungsweise bewirkte Nach- oder Zusatzverdichtung des Gemisches erkannt werden. Diese Nach- beziehungsweise Zusatzverdichtung kann auch besonders gut aus 4 erkannt werden. In 5 sind die Takte T1 - T4 erkennbar. Mit T2' ist ein Vorgang bezeichnet, welcher beispielsweise teilweise während des Takts T2 und teilweise während es Takts T3 stattfindet. Bei dem Vorgang T2' wird der vorzugsweise flüssige Kraftstoff mittels des in 5 mit 30 bezeichneten Injektors direkt in den Brennraum 21 eingespritzt, was durch einen Pfeil 31 veranschaulicht ist. Außerdem wird bei dem Vorgang T2' mittels des Ventilelements 24 die Zusatzluft in den Brennraum 21 direkt eingeblasen, was durch einen Pfeil 32 veranschaulicht ist. Außerdem ist in 5 die Ventilanordnung mit den Einlassventilen mit 33 bezeichnet, während die Ventileinrichtung mit den Auslassventilen mit 34 bezeichnet ist. Des Weiteren ist in 5 das Gemisch erkennbar und dort mit 35 bezeichnet.
Die geometrischen Anordnungen in der Zeichnungen sind nur beispielhaft und vermutlich hinsichtlich Gemischbildung nicht ideal. Soll bei der Selbstzündung ein Gemisch mit beispielsweise Lambda = 1 vorliegen, so ist das Gemisch vor der Lufteinblasung beispielsweise (leicht) fett, und während der Lufteinblasung findet eine Art „Finalisierung“ der Gemischbildung statt. Diese „Vorfettung“ des Gemisches ist allerdings nicht notwendig, wenn als das zusätzliche Fluid anstatt eines nicht reaktionsträgen Mediums wie Luft ein chemisch inertes Fluid wie z.B. Wasser, N₂ oder CO₂ eingeblasen wird. Möglicherweise kann man dieses sogar aus dem Abgas abscheiden und müsste es dann nicht unbedingt in einem separaten Tank mitführen und regelmäßig nachtanken. Allerdings würde ein inertes Fluid natürlich die maximale Menge eines zündfähigen Gemisches je Zylinder verringern, weil es ja selbst Volumen einnimmt und an der Reaktion nicht teilnimmt. Dadurch sinkt die Leistungsdichte des Motors. Möglicherweise wird diese Volumenverdrängung bei Verwendung eines flüssigen Inertmediums wie z.B. Wasser durch den Phasenwechsel flüssig/Gas (Kühlwirkung) aber hinsichtlich Temperaturanstieg sogar überkompensiert, sodass mit Verwendung eines Inertmediums mit großer Verdampfungsenthalpie die Menge an Luft und Kraftstoff im Zylinder bei Selbstzündung evtl. sogar erhöhen ließe. Anstatt Luft kann natürlich auch ein Luft-Kraftstoff-Gemisch per Einblasung die Selbstzündung triggern, d.h. auslösen. Hierbei wäre es evtl. aufgrund der „Klopffestigkeit“ vorteilhaft, wenn dies ein andersartiger Kraftstoff ist. Das vorverdichtete Gemisch hat ja quasi keine Geschwindigkeit und sieht damit den höchsten statischen Druck. Hier muss der Kraftstoff mit der höheren Selbstzündungstemperatur vorliegen. Der klopfneigende Kraftstoff („niederwertige Kraftstoff“) kann über das Konzept bei Hochdruck eingebracht werden, denn er würde durch das Zusatzfluid vom statischen Druck und Temperatur der Umgebung abgeschirmt werden. Beim eingeblasenen Kraftstoff muss darauf geachtet werden, dass dieser sich nicht bereits vor dem Brennraum selbst entzündet. Falls er also vor dem Brennraum bereits mit Luft in Kontakt kommt, dann muss das unterhalb seiner Selbstzündungstemperatur geschehen.
Aus 1 ist erkennbar, dass die Zusatzluft als Druckluft zunächst in einem auch als Druckluftreservoir bezeichneten Reservoir 36 gespeichert, insbesondere zwischengespeichert, und danach aus dem Reservoir 36 abgeführt und innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels in den Brennraum 21 eingeblasen wird. Dabei weist die Verbrennungskraftmaschine 10 einen von der Zusatzluft durchströmbaren Luftpfad 37 auf, welcher an einer Verbindungsstelle V fluidisch mit dem Ansaugtrakt 22 verbunden oder verbindbar ist. Dies bedeutet, dass an der Verbindungsstelle V zumindest ein Teil der den Ansaugtrakt 22 durchströmenden Frischluft aus dem Ansaugtrakt 22 abzweigbar und in den Luftpfad 37 einleitbar ist. Die an der Verbindungsstelle abgezweigte Frischluft kann als die Zusatzluft den Luftpfad 37 durchströmen und beispielsweise zunächst in Reservoirs 36 zwischengespeichert und danach aus dem Reservoir 36 in den Brennraum 21 eingebracht werden. insbesondere wird die Zusatzluft unter Druck und somit als Druckluft in dem Reservoir 36 gespeichert.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist außerdem wenigstens einen Abgasturbolader 38 auf, welcher eine in dem Abgastrakt 23 angeordnete Turbine 39 mit einem in dem Abgastrakt 23 angeordneten Turbinenrad 40 aufweist. Das Turbinenrad 40 ist von dem den Abgastrakt 23 durchströmenden Abgas antreibbar. Der Abgasturbolader 38 umfasst außerdem einen in dem Ansaugtrakt 22 angeordneten Verdichter 42 mit einem in dem Ansaugtrakt 22 angeordneten Verdichterrad 41, mittels welchem die den Ansaugtrakt 22 durchströmende Frischluft verdichtet werden kann. Dabei ist das Verdichterrad 41, insbesondere über eine Welle 45 des Abgasturboladers 38, von dem Turbinenrad 40 antreibbar. Dadurch kann im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Frischluft genutzt werden. Aus 1 ist erkennbar, dass die Verbindungsstelle V in Strömungsrichtung der den Ansaugtrakt 22 durchströmenden Frischluft stromauf des Verdichterrads 41 angeordnet ist. Es ist durchaus denkbar, dass die mechanische Verbindung zwischen den Verdichterrädern 41 und 43, insbesondere über ein Wellenstück, ein Übersetzungsverhältnis ungleich 1 hat. Der neue Luftpfad 37 braucht evtl. vergleichsweise wenig Luft gegenüber dem Hauptpfad zum konventionellen Einlassventil - aber diese unter hohem Druck. Daher ist es möglicherweise notwendig, sinnvoll oder vorteilhaft, zwischen den Verdichterrädern 41 und 43 eine Übersetzungsstufe ungleich1 und z.B. größer 1 vorzusehen. Das hätte vermutlich auch einen positiven Effekt auf das effektive Massenträgheitsmoment aus Sicht der ATL-Antriebswelle (Turbinenrad 40).
In dem Luftpfad 37 ist ein erstes Verdichterrad 43 und ein zweites Verdichterrad 44 angeordnet, wobei die Verdichterräder 43 und 44 vorzugsweise zusätzlich zu dem Verdichterrad 41 vorgesehen sind. Ferner ist es denkbar, dass das Verdichterrad 43 das Verdichterrad 41 ist, wobei das Verdichterrad 44 zusätzlich zu dem Verdichterrad 41 beziehungsweise zusätzlich zu dem Verdichterrad 43 vorgesehen ist. In Strömungsrichtung der den Luftpfad 37 durchströmenden Zusatzluft sind die Verdichterräder 43 und 44 seriell zueinander geschaltet beziehungsweise angeordnet, sodass die den Luftpfad 37 durchströmende Zusatzluft zunächst mittels des Verdichterrads 43 und daraufhin mittels des Verdichterrads 44 gefördert und vorzugsweise auch verdichtet wird. Dies bedeutet, dass die Verdichterräder 43 und 44 die Zusatzluft durch den Luftpfad 37 hindurchfördern und insbesondere in das Reservoir 36 hinein fördern und somit in das Reservoir 36 einspeichern können. Insbesondere kann die Zusatzluft in dem Reservoir 36 mittels der Verdichterräder 43 und 44, insbesondere zweistufig, verdichtet werden. Es ist denkbar, dass das Verdichterrad 43 entfällt, sodass bezogen auf die Verdichterräder 43 und 44 nur das Verdichterrad 44 vorgesehen ist, oder dass das Verdichterrad 44 entfällt, sodass bezogen auf die Verdichterräder 43 und 44 nur das Verdichterrad 43 vorgesehen ist. Die Verdichterräder 43 und 44 sind optional oder man nutzt beide gemeinsam. Die Verdichterräder 41. 43 und 44 sind optional vorgesehen bzw. können in jedweder Kombination verwendet werden. Möglicherweise ist es auch vorteilhaft, dass das Verdichterrad 43 und/oder 44 und das Verdichterrad 41 komplett entfällt. Auch könnte man sich vorstellen, das Verdichterrad 43 und den Verdichter 42 entfallen zu lassen und die Turbine 39 zusammen mit dem Verdichterrad 44 auf die Kurbelwelle 16 zu legen. Dann würde in der Konstruktion die Welle 45 komplett entfallen. Insbesondere könnte gegebenenfalls bei einer möglichen Ausführungsform beispielsweise das Turbinenrad 40 komplett entfallen oder würde einen Generator antreiben (bzw. auf der Welle 45 würde lediglich ein Generator sitzen).
Auch wäre es möglich, Verdichter 44 mit einem beliebigen Mischungsverhältnis 0... 1 aus Frischluft 22 und Abgas 23 zu versorgen. Das wäre hinsichtlich der Rohemissionen (Feinstaub) möglicherweise vorteilhaft, weil ein Teil der Partikel wieder im Brennraum landet und somit eine „2. Chance“ zur Verbrennung bekommt - bzw. das wäre eine Synergie zur eh bereits vorhandenen Abgasrückführung. (Allerdings müsste sichergestellt sein, dass Staubpartikel im Abgas dann nicht mit der Zeit die Ventile 24 verstopfen oder das Abgas die Ventile sonstwie negativ beeinträchtigt z.B. thermisch.) Für den Motorstart stellt Verdichter 44 (und auch das Turbinenrad 40 sofern es auf der Kurbelwelle 16 (KW) montiert ist) einen zusätzlichen Trägheitswiderstand dar. Das Startsystem muss also hinreichend kräftig sein - oder diese zusätzlichen Trägheiten sind beim Motorstart abgekoppelt bzw. abkoppelbar. Dann allerdings könnte die Druckluft beim Motorstart nicht für eine Selbstzündung ausreichen und für diesen Fall müsste analog Otto-Motor eine Fremdzündungseinrichtung vorgesehen werden. Alternativ hierzu wäre denkbar, dass beim/vor dem Motorstart das Druckluftreservoir 36 durch einen separaten elektrischen Verdichter vorbefüllt wird - oder dass Verdichter 43 und/oder 44 zusätzlich oder ausschließlich über einen Elektromotor antreibbar verbaut wird. Hinsichtlich Verdichterrad 43 käme wieder die Überlegung eines elektrisch unterstützten Turboladers ins Spiel, der zudem ja auch weitere Vorteile hätte (z.B. Bekämpfung Turboloch, Energierückgewinnung/Entfall Wastegate).
Das Verdichterrad 43 ist, insbesondere über die Welle 45, von dem Turbinenrad 40 antreibbar, sodass im Abgas enthaltene Energie genutzt werden kann, um die Zusatzluft durch den Luftpfad 37 hindurch zu fördern. Das Verdichterrad 44 ist mechanisch von der Kurbelwelle 16 antreibbar. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn in dem Reservoir 3 keine Zusatzluft oder nur eine sehr geringe Menge der Zusatzluft gespeichert ist. Insbesondere kann die Antreibbarkeit des Verdichterrads 44 von der Kurbelwelle 16 dann vorteilhaft sein, wenn die zunächst deaktivierte Verbrennungskraftmaschine 10 im Rahmen eines Motorstarts gestartet werden soll und dabei keine Zusatzluft oder nur geringe Menge der Zusatzluft in dem Reservoir 36 angeordnet ist. Ist keine Selbstzündung des Gemisches vorgesehen oder in bestimmten Betriebssituationen des Verbrennungsbetriebes nicht möglich oder unerwünscht, so ist dem jeweiligen Brennraum 21 jeweils wenigstens oder genau eine beispielsweise als Zündkerze ausgebildete Fremdzündeinrichtung zugeordnet. Mittels der Fremdzündeinrichtung kann beispielsweise innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels wenigstens ein Zündfunke, insbesondere im Brennraum 21 erzeugt werden. Mittels des Zündfunkens kann beispielsweise das Gemisch gezündet werden, insbesondere dann, wenn eine Selbstzündung des Gemisches und/oder die zuvor beschriebenen Zusatzlufteinblasung unterbleibt. Ist jedoch vorgesehen, das Gemisch per Selbstzündung zu zünden und diese Selbstzündung mittels der Zusatzlufteinblasung zu bewirken, so kann eine dem jeweiligen Brennraum 21 zugeordnete Fremdzündeinrichtung entfallen. Alternativ zu Verdichterrädern 43, 44 könnten zur Erzeugung der Druckluft auch andere Technologien des Standes der Technik genutzt werden. Für das geringe Drehzahlniveau der Kurbelwelle (16+44) wäre z.B. eine Hubkolbenpumpe oder eine andere Art von Pumpe beziehungsweise Verdichter auf der Kurbelwelle montiert - als Ersatz des Verdichterrads 44 - denkbar. Diese hätte möglicherweise einen besseren Wirkungsgrad, geringere Rotationsträgheit und mehr Druckaufbau bei geringen Drehzahlen.
Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen, bei denen eine durch eine Zusatzlufteinblasung bewirkte Nach- beziehungsweise Zusatzverdichtung des Gemisches über die maximale Gemischverdichtung hinaus unterbleibt, kann ein wirkungsgradgünstiger Betrieb mit einem nur sehr geringen konstruktiven Mehraufwand realisiert werden. Darüber hinaus kann das Einblasen der Zusatzluft in den Brennraum 21 eine Zerstäubung des Kraftstoffes verbessern, sodass der Kraftstoff im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen weniger und kleinere Tröpfchen bildet. Dadurch können die Partikelrohemissionen gering gehalten werden. Des Weiteren ist es möglich, dass der Kraftstoff ein Ottokraftstoff beziehungsweise ein Benzin ist, wobei die Zusatzlufteinblasung eine beziehungsweise die Selbstzündung des Ottokraftstoffs ermöglicht. Mit anderen Worten kann die Zusatzlufteinblasung eine Befähigung des Ottokraftstoffs zur Selbstzündung ermöglichen. Des Weiteren kann ein besonders hoher Mitteldruck realisiert werden, sodass beispielsweise eine Temperatur des Abgases vorteilhaft hoch sein kann. Hierdurch kann beispielsweise ein besonders vorteilhaftes Ansprechverhalten einer etwaig in dem Abgastrakt 23 angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung realisiert werden. Vorteilhaft z.B. hinsichtlich des Ansprechverhaltens der Abgasnachbehandlungssysteme und hinsichtlich der Wärmeentnahme aus dem Abgas (je steiler der Temperaturgradient entlang der Wärmestrom-Sollrichtung, desto schneller beziehungsweise bauraumgünstiger die Wärmeentnahme aus dem Abgas) z.B. für Heizzwecke des Fahrgastraumes - sowie zur mechanischen Energieentnahme aus dem Abgas mittels einer Fluidenergiemaschine z.B.
Turbinenrad, das die Energie mechanisch und/oder über einen Elektrogenerator in Form von elektrischer Leistung für andere Zwecke nutzbar macht.
In 1 ist die Kraftstoffzufuhr nicht explizit abgebildet. In 5 sind das Ventilelement 24 und der Injektor 30 als separate, einzelne Elemente dargestellt. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Injektor 30 und das Ventilelement 24 zu einem einzigen Bauelement in Form eines Einbringelements zusammengefasst beziehungsweise vereinigt sind, wobei das Einbringelement sowohl mit dem vorzugsweise flüssigen Kraftstoff als auch mit der Zusatzluft, insbesondere über den Luftpfad 37, versorgt werden kann. Mittels des Einbringelements und insbesondere innerhalb des Einbringelements kann der Kraftstoff, der dem Einbringelement zugeführt, insbesondere in das Einbringelement eingeleitet, wird, mit der Zusatzluft, die dem Einbringelement zugeführt, insbesondere in das Einbringelement eingeleitet, wird, vermischt werden, wodurch mittels des Einbringelements und insbesondere innerhalb des Einbringelements ein Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugbar ist oder erzeugt wird. Eine Mischung mit einem inerten Fluid anstatt oder in Kombination mit Luft wäre ebenfalls denkbar. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch umfasst die Zusatzluft, die dem Einbringelement zugeführt wird und den Kraftstoff, der dem Einbringelement zugeführt wurde. Das Einbringelement kann das Luft-Kraftstoff-Gemisch ausspritzen und dadurch direkt in den Brennraum 21 einspritzen, wodurch sowohl der Kraftstoff als auch die Zusatzluft gleichzeitig in den Brennraum 21 eingebracht werden. Dadurch können die Teileanzahl und somit die Kosten, das Gewicht und der Bauraumbedarf besonders gering gehalten werden.
Bezugszeichenliste

1: Stellung
2: Stellung
3: Stellung
4, 4': Stellung
5, 5': Stellung
6: Stellung
7: Stellung
8: Stellung
9: Stellung
10: Verbrennungskraftmaschine
11: Gehäuseelement
12: Zylinder
13: Kolben
14: Doppelpfeil
15: Pleuel
16: Kurbelwelle
17: Kurbelwellendrehachse
18: Kupplung
19: Pleueldrehachse
20: Hubzapfen
21: Brennraum
22: Ansaugtrakt
23: Abgastrakt
24: Ventilelement
25: Zündung
26: Abszisse
27: Ordinate
28: Verlauf
29: Verlauf
30: Injektor
31: Pfeil
32: Pfeil
33: Ventilanordnung
34: Ventileinrichtung
35: Gemisch
36: Reservoir
37: Luftpfad
38: Abgasturbolader
39: Turbine
40: Turbinenrad
41: Verdichterrad
42: Verdichter
43: Verdichterrad
44: Verdichterrad
45: Welle
T1-T4: Takt
T2': Vorgang
V: Verbindungsstelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2876275 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer wenigstens einen Kolben (13) und wenigstens einen zumindest teilweise durch den Kolben (13) begrenzten Brennraum (21) umfassenden Verbrennungskraftmaschine (10), bei welchem innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine (10) eine dem Brennraum (21) zugeordnete Ventilanordnung (33) geöffnet und über die geöffnete Ventilanordnung (33) Frischluft in den Brennraum (21) eingeleitet wird, woraufhin die Ventilanordnung (33) geschlossen und bei geschlossener Ventilanordnung (33) ein die Frischluft umfassendes Gemisch (35) in dem Brennraum (21) mittels des Kolbens (13) verdichtet wird, wobei innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels während und/oder nach dem Verdichten des Gemisches (35) und während die Ventilanordnung (33) geschlossen ist mittels wenigstens eines zusätzlich zu der Ventilanordnung (33) vorgesehenen Ventilelements (24) ein zusätzliches Fluid in den Brennraum (21) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels durch das Einbringen des zusätzlichen Fluids eine Druckerhöhung in dem Brennraum (21) und eine daraus resultierende Selbstzündung des Gemisches (35) bei oder nach dessen durch den Kolben (13) bewirkten, maximalen geometrischen Verdichtung bewirkt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels das Einbringen des zusätzlichen Fluids beginnt, wenn durch den Kolben (13) die maximale geometrischen Verdichtung bewirkt wird.
Verfahren nach oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels eine mit dem Kolben gekoppelte Abtriebswelle (16) der Verbrennungskraftmaschine (10) bei der durch den Kolben (13) bewirkten, maximalen geometrischen Verdichtung eine erste Drehstellung einnimmt, wobei innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels sich das Einbringen des zusätzlichen Fluids von der durch den Kolben (13) bewirkten, maximalen geometrischen Verdichtung und dadurch von der ersten Drehstellung der Abtriebswelle (16) unterbrechungsfrei bis zu einer zweiten Drehstellung der Abtriebswelle (16) erstreckt, und wobei sich innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels die Abtriebswelle (16) um höchstens 45 Grad aus der ersten Drehstellung in die zweite Drehstellung dreht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Fluid als Druckfluid zunächst in einem Reservoir (36) gespeichert und danach aus dem Reservoir (36) abgeführt und innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels mittels des Ventilelements (24) in den Brennraum (21) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Fluid mittels eines Verdichterrads (43, 44) bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (43) von einem Turbinenrad (40) angetrieben wird, welches von Abgas aus dem Brennraum (21) angetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (43, 44) von einer elektrischen Maschine unter Nutzung von elektrischer Energie angetrieben wird
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (44) mechanisch von einer mit dem Kolben (13) gekoppelten Abtriebswelle (16) der Verbrennungskraftmaschine (10) angetrieben wird.
Verbrennungskraftmaschine (10), mit wenigstens einem Kolben (13), mit einer mit dem Kolben (13) gekoppelten Abtriebswelle (16), mit wenigstens einem zumindest teilweise durch den Kolben (13) begrenzten Brennraum (21), mit einer dem Brennraum (21) zugeordneten Ventilanordnung (33), welche zum innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine (10) stattfindenden Einleiten von Frischluft in den Brennraum (21) innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels zu öffnen und danach zu schließen ist, und mit wenigstens einem zusätzlich zu der Ventilanordnung (33) vorgesehenen Ventilelement (24), mittels welchem während und/oder nach einem mittels des Kolbens (13) innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels bewirkbaren und nach dem innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels stattfindenden Schließen der Ventilanordnung (33) stattfindenden Verdichten eines die innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels in den Brennraum (21) eingeleitete Frischluft umfassenden Gemisches (35) und während die Ventilanordnung (33) innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels geschlossen ist ein zusätzliches Fluid in den Brennraum (21) einbringbar ist, gekennzeichnet durch: - wenigstens einen Abgasturbolader (38), welcher ein von Abgas aus dem Brennraum (21) antreibbares Turbinenrad (40) und ein von dem Turbinenrad (40) antreibbares, erstes Verdichterrad (43) aufweist, mittels welchem das zusätzliche Fluid zu fördern ist; und - wenigstens ein seriell zu dem ersten Verdichterrad (43) angeordnetes und mechanisch von der Abtriebswelle (16) antreibbares, zweites Verdichterrad (44), mittels welchem das zusätzliche Fluid zu fördern ist.
Verbrennungskraftmaschine (10), mit wenigstens einem Kolben (13), mit einer mit dem Kolben (13) gekoppelten Abtriebswelle (16), mit wenigstens einem zumindest teilweise durch den Kolben (13) begrenzten Brennraum (21), mit einer dem Brennraum (21) zugeordneten Ventilanordnung (33), welche zum innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine (10) stattfindenden Einleiten von Frischluft in den Brennraum (21) innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels zu öffnen und danach zu schließen ist, und mit wenigstens einem zusätzlich zu der Ventilanordnung (33) vorgesehenen Ventilelement (24), mittels welchem während und/oder nach einem mittels des Kolbens (13) innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels bewirkbaren und nach dem innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels stattfindenden Schließen der Ventilanordnung (33) stattfindenden Verdichten eines die innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels in den Brennraum (21) eingeleitete Frischluft umfassenden Gemisches (35) und während die Ventilanordnung (33) innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels geschlossen ist ein zusätzliches Fluid in den Brennraum (21) einblasbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (24) ein mit dem zusätzlichen Fluid und mit Kraftstoff versorgbares Einbringelement ist, mittels welchem ein das dem Einbringelement zugeführte, zusätzliche Fluid und den dem Einbringelement zugeführten Kraftstoff umfassendes Fluid-Kraftstoff-Gemisch erzeugbar und innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels direkt in den Brennraum (21) einbringbar ist.