DE112016004553T5

DE112016004553T5 - Viertakt-Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE112016004553T5
Application number: DE112016004553.0T
Authority: DE
Inventors: Johan Linderyd; Henrik Höglund; Matthias Ussner; Jonas Aspfors; Eric Olofsson; Daniel Norling
Original assignee: Scania CV AB
Current assignee: Scania CV AB
Priority date: 2015-11-03
Filing date: 2016-11-01
Publication date: 2018-06-21
Also published as: WO2017078597A1; SE1551416A1; SE539658C2; CN108368773A

Abstract

Hierin ist ein Verbrennungsmotor (2) offenbart, der mindestens eine Zylinderanordnung (4) umfasst, die einen Brennraum (23) bildet. Der Motor (2) umfasst ferner mindestens eine Turbine (21), die ein Turbinenrad (26) umfasst und einen Turbinenradeinlassbereich A. Eine Abgasleitung (6) erstreckt sich von der Öffnung (15), die an einer unteren Hälfte der Zylinderbohrung (12) der Zylinderanordnung (4) angeordnet ist, zu dem Turbinenradeinlassbereich A. Der Kolben (10) hat unterschiedliche Kolbenhublängen, wobei der Arbeitstakt und der Ausstoßtakt länger sind als der Ansaugtakt und der Verdichtungstrakt, so dass die Öffnung (15) nicht von dem Kolben (10) bedeckt ist während Teil des Arbeitstaktes und des Ausstoßtaktes und von dem Kolben (10) bedeckt ist während des Ansaugtaktes und des Verdichtungstaktes.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Viertakt-Verbrennungsmotor, der eine Turbine umfasst.
HINTERGRUND
In einem Viertakt-Verbrennungsmotor, der eine Turbine, wie beispielsweise einen Turbolader, umfasst, wird Abgasdruck in einem Zylinder zum Antreiben eines Turbinenrades der Turbine verwendet.
Ein Kolben eines Viertakt-Verbrennungsmotors führt vier Takte aus, einen Ansaugtakt, einen Verdichtungstakt, einen Arbeitstakt und einen Ausstoßtakt. Eine Abgasanordnung des Verbrennungsmotors, die zum Beispiel gewöhnliche Abgastellerventile umfasst, muss geöffnet werden, bevor der Kolben seinen unteren Totpunkt, BDC, während des Arbeitstakts erreicht. Ansonsten würde, wenn sich die Abgasanordnung später öffnen würde, zum Beispiel wenn der Kolben den BDC erreicht, der innere Druck von den Abgasen in dem Zylinder die Bewegung des Kolbens zu dem oberen Totpunkt, TDC, während des Ausstoßtaktes behindern. Dadurch würde die verfügbare Motorleistung reduziert werden.
Das Öffnen der Abgasanordnung vor dem BDC des Kolbens während des Arbeitstakts, das ermöglicht, dass ein Teil der Abgase durch die Abgasanordnung austritt, bevor der Kolben den BDC erreicht, wird als Blow-Down bezeichnet. Der Begriff Blow-Down kann auch für die Abgase verwendet werden, die durch die Abgasanordnung austreten, bevor der Kolben den BDC erreicht und nachdem der Kolben den BDC erreicht hat, während der Druck in dem Zylinder den Druck in dem Abgassystem stromabwärts der Abgasanordnung überschreitet. Die Energie (Arbeit) des Blow-Down, die Blow-Down-Energie, tritt durch die Abgasanordnung aus und wird nicht über den Kolben auf eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors übertragen.
US 4535592 offenbart einen Turboverbundmotor vom Verbrennungsmotortyp mit herkömmlichen reziprok bewegbaren Kolben, Zylindern, Abgaskrümmern, einer Vorrichtung zur Beimischung von Kraftstoff-Sauerstoff oder Kraftstoffeinspritzung, eine Zündvorrichtung oder Kompressionszündung und beinhaltet die Verbesserung von entsprechenden Düseneinrichtungen zur Übertragung der heißen Verbrennungsprodukte mit mäßig hohem Druck (Abgase) von den entsprechenden Zylindern auf eine oder mehrere Turbinen. Das Einlass- und das Auslassende der Düseneinrichtung sind mit den entsprechenden Grenzwänden von entsprechenden Brennräumen oder Zylindern und mit dem Einlass in eine Turbine verbunden. Ein Schnellöffnungsdüsenventil lässt Abgas von dem entsprechenden Zylinder in die Düseneinrichtung strömen.
US 5775105 offenbart einen nockengetriebenen Stopfen, der Abgasventilöffnungen in einer Motorzylinderbohrung öffnet und schließt. Der Stopfen bewegt sich zu einer Düse mit optimal variablen Abmessungen für die Abgabe von Gasen, die aus dem Zylinder austreten, und bildet diese, um eine maximale Geschwindigkeitsenergie auf diese Abgase aufzubringen, um zuerst eine Überschallgeschwindigkeit und danach geringere Geschwindigkeiten zu liefern, wenn der Zylinderdruck abnimmt, um eine Turbine anzutreiben, die Energie an die Welle des Verbrennungsmotors oder andere Nutzlasten liefert.
In den vorstehend erwähnten Dokumenten erörterte Düsenventile und nockengetriebene Stopfen können Anordnungen sein, die in der Praxis sehr kompliziert umzusetzen sind.
KURZBESCHREIBUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Viertakt-Verbrennungsmotors, der eine Turbine umfasst, wobei eine zuverlässige Anordnung zur Nutzung der Abgasenergie bereitgestellt wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch einen Viertakt-Verbrennungsmotor gelöst, der mindestens eine Zylinderanordnung umfasst, die einen Brennraum und eine Kurbelwelle bildet. Die mindestens eine Zylinderanordnung umfasst einen Kolben, ein Pleuel, eine Zylinderbohrung und eine Abgasanordnung zum Ausströmen von Abgas aus der Zylinderbohrung. Der Kolben ist an einem ersten Ende des Pleuels schwenkbar mit dem Pleuel verbunden und so angeordnet, dass er sich in der Zylinderbohrung in einem Ansaugtakt, einem Verdichtungstakt, einem Arbeitstakt und einem Ausstoßtakt hin und her bewegt. Die Abgasanordnung umfasst eine Öffnung, die in einer unteren Hälfte der Zylinderbohrung angeordnet ist. Der Viertakt-Verbrennungsmotor umfasst ferner mindestens eine Turbine, die ein Turbinenrad umfasst und einen Turbinenradeinlassbereich, A_TIN, hat. Eine Abgasleitung erstreckt sich von der Öffnung zu dem Turbinenradeinlassbereich, A_TIN. Der Kolben hat unterschiedliche Kolbenhublängen, wobei der Arbeitstakt und der Ausstoßtakt länger sind als der Ansaugtakt und der Verdichtungstakt, so dass die Öffnung während eines Teils des Arbeitstaktes und des Ausstoßtaktes nicht von dem Kolben bedeckt ist und während des Ansaugtaktes und des Verdichtungstaktes von dem Kolben bedeckt ist.
Da der Kolben unterschiedliche Kolbenhublängen hat, sind der Arbeits- und der Ausstoßtakt länger als der Ansaug- und der Verdichtungstakt, so dass die Öffnung während eines Teils des Arbeitstaktes und des Ausstoßtaktes nicht von dem Kolben bedeckt ist und während des Ansaugtaktes und des Verdichtungstaktes von dem Kolben bedeckt ist, so dass in der Abgasleitung kein separates Ventil zum Öffnen und Schließen der Abgasleitung erforderlich ist. Somit wird die vorstehend erörterte Aufgabe erreicht.
Außerdem wird, da die Abgasanordnung eine Öffnung umfasst, die in einer unteren Hälfte der Zylinderbohrung angeordnet ist und sich die Abgasleitung von der Öffnung zu dem Turbinenradeinlassbereich, A_TIN, erstreckt, die Blow-Down-Energie der Abgase in der Turbine effizient genutzt.
Der Viertakt-Verbrennungsmotor kann mehr als eine Zylinderanordnung umfassen, die jeweils einen Kolben und eine Abgasanordnung haben. Der Viertakt-Verbrennungsmotor kann mehr als eine Turbine aufweisen. Die Turbine kann zum Beispiel ein Turbolader sein, kann Teil eines Turboverbundmotors bilden oder kann eine Turbine sein, die einen elektrischen Generator antreibt. Der Kolben kann über das Pleuel mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden sein. Geeigneterweise kann das Pleuel indirekt mit der Kurbelwelle verbunden sein. Die Öffnung kann eine einzelne Öffnung umfassen. Der Ausdruck Öffnung umfasst hierin jedoch auch eine Öffnung, die in zwei oder mehr Öffnungsabschnitte unterteilt ist, sowie mehr als eine einzelne Öffnung in einer Zylinderbohrung, die mit ein und dergleichen Abgasleitung verbunden ist.
In der Zylinderanordnung über dem Kolben ist ein Brennraum. Ansaugluft tritt durch eine Ansauganordnung der Zylinderanordnung während des Ansaugtaktes des Kolbens in den Brennraum ein. Die Ansaugluft kann von dem Turbolader verdichtet werden. Der Verbrennungsmotor kann zum Beispiel ein Kompressionszündungs(CI)-Motor, wie beispielsweise ein Motor vom Dieseltyp, oder ein Funkenzündungs(SI)-Motor, wie beispielsweise ein Motor vom Otto-Typ, sein und umfasst in letzterem Fall eine Zündkerze oder eine ähnliche Vorrichtung in der Zylinderanordnung. Kraftstoff kann während Teil des Ansaugtaktes oder Verdichtungstaktes des Kolbens in den Brennraum eingespritzt werden oder kann mit der Ansaugluft mitgeführt werden. Der Kraftstoff kann in der Nähe des TDC zwischen dem Verdichtungstakt und dem Arbeitstakt des Kolbens zünden.
Gemäß Ausführungsformen kann ein Öffnungsbereich, A_PORT, der Öffnung eine Größe haben, die mindestens zweimal so groß ist wie der Turbinenradeinlassbereich, A_TIN, der Turbine, wenn sich der Kolben an einem unteren Totpunkt, BDC, zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt befindet. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass der Öffnungsbereich, A_PORT, ein Ausströmen der Abgase während des Blow-Downs nicht behindert. Somit kann die Blow-Down-Energie der Abgase effizient in der Turbine genutzt werden.
Gemäß Ausführungsformen kann eine Höhe der Öffnung in einem Bereich von 8-16 % einer Kolbenhublänge zwischen einem oberen Totpunkt, TDC, des Kolbens und dem unteren Totpunkt, BDC, zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt liegen. Somit kann die Öffnung unbedeckt sein, so dass gewährleistet wird, dass die Blow-Down-Energie der Abgase in die Turbine für eine effektive Nutzung darin abgegeben werden. Gemäß einigen Ausführungsformen wird die Öffnung vollständig von dem Kolben unbedeckt sein, wenn der Kolben den BDC erreicht. In solchen Ausführungsformen wird sich die Höhe der Öffnung über eine Höhe von dem BDC nach oben in einem Bereich von 8-16 % der Kolbenhublänge zwischen einem oberen Totpunkt, TDC, des Kolbens und dem unteren Totpunkt, BDC, zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt erstrecken.
Gemäß Ausführungsformen kann die mindestens eine Zylinderanordnung ein maximales Volumen, V_MAX, zwischen dem unteren Totpunkt, BDC, des Kolbens zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt und einer oberen inneren Grenzfläche des Brennraums haben. Die Öffnung kann dafür konfiguriert sein, den Öffnungsbereich, A_PORT, bei einer Größe von mindestens 0,44*V_MAX freizulegen, wenn sich der Kolben an dem unteren Totpunkt, BDC, zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt befindet. Somit kann der Öffnungsbereich, A_PORT, wenn sich der Kolben an dem unteren Totpunkt, BDC, befindet, so bemessen sein, dass die Blow-Down-Energie der Abgase effizient in der Turbine genutzt werden kann.
Die Erfinder haben festgestellt, dass ein Öffnungsbereich, A_PORT, der geöffnet wurde, um mindestens der Größe von 0,44 mal dem maximalen Volumen, V_MAX, zu entsprechen, wenn sich der Kolben an dem BDC zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt befindet, dazu führt, dass ein großer Teil der Blow-Down-Energie an die Turbine übertragen wird. Das bedeutet, eine erste Anhäufung von durch den Blow-Down erzeugten Abgasen passiert unbeschränkt den Abgasströmungsbereich, A_PORT, und wird über die Abgasleitung an den Turbinenradeinlassbereich, A_TIN, übertragen, um in der Turbine genutzt zu werden.
Gemäß Ausführungsformen kann die Zylinderanordnung ein maximales Volumen, V_MAX, zwischen einem unteren Totpunkt, BDC, des Kolbens zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt und einer oberen inneren Grenzfläche der Zylinderbohrung haben. Ein momentanes Zylindervolumen, V, der Zylinderanordnung kann als eine momentane Position des Kolbens in der Zylinderbohrung während seiner Hin- und Herbewegung definiert werden, wobei A_PORT(V) einen Öffnungsbereich der Öffnung als eine Funktion des momentanen Zylindervolumens, V, während eines Arbeitstaktes des Kolbens ausdrückt, wobei
ein Abgasströmungsbereichskoeffizient, δ, der Öffnung als
δ = A_PORT(V)/(0,22*V_MAX) definiert ist, wobei A_PORT in m² ausgedrückt ist und V_MAX in m³ ausgedrückt ist,
wobei
die Öffnung einen Öffnungsgeschwindigkeitskoeffizienten, β, hat, der als β = (V(δ=1) - V(δ=0,1))/V_MAX definiert ist, und wobei
der Öffnungsbereich, A_PORT, einen Öffnungsgeschwindigkeitskoeffizienten von β < 0,06 hat.
Auf diese Weise kann der Öffnungsbereich, A_PORT, bei einer Geschwindigkeit geöffnet werden, die einen geringen Strömungswiderstand in der Abgasanordnung schafft. Somit kann eine effektive Übertragung der Blow-Down-Energie von dem Brennraum in die Abgasleitung gefördert werden.
Anders ausgedrückt bedeutet der Öffnungsgeschwindigkeitskoeffizient β < 0,06, dass das Zylindervolumen um weniger als 6 % zunimmt, während A_PORT während eines Arbeitstaktes von 10 % auf 100 % von 0,22*V_MAX zunimmt.
Gemäß Ausführungsformen kann die Zylinderanordnung ein maximales Volumen, V_MAX, zwischen einem unteren Totpunkt, BDC, des Kolbens zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt und einer oberen inneren Grenzfläche der Zylinderbohrung haben. Die Abgasleitung kann ein Abgasleitungsvolumen, V_EXH, haben, wobei V_EXH ≤ 0,5 mal das maximale Volumen, V_MAX, ist. Somit kann die Blow-Down-Energie der Abgase effizient durch die Abgasleitung übertragen werden, um in der Turbine genutzt zu werden.
Außerdem kann das definierte maximale Abgasleitungsvolumen, V_EXH, in Kombination mit dem vorstehend definierten und erörterten Öffnungsgeschwindigkeitskoeffizienten, β, gewährleisten, dass eine anfängliche Anhäufung von Abgasen, die von der Blow-Down-Energie erzeugt wird, zur Nutzung in der Turbine verfügbar ist.
Gemäß Ausführungsformen kann der Viertakt-Verbrennungsmotor einen beweglichen Zylinderwandabschnitt umfassen, der zum Variieren einer Größe der Öffnung konfiguriert ist. Der bewegliche Zylinderwandabschnitt kann zwischen einer ersten Position, in der der bewegliche Wandabschnitt einen Teil der Öffnung bildet, und einer zweiten Position, in der der bewegliche Wandabschnitt aus der Öffnung entfernt ist, beweglich sein. Somit kann eine variable Größe der Öffnung erreicht werden. Wenn beispielsweise die Geschwindigkeit des Verbrennungsmotors erhöht werden soll, kann die Öffnungsgröße durch Positionieren des beweglichen Wandabschnitts in der zweiten Position erhöht werden, um die Geschwindigkeit der Turbine zu erhöhen, um eine Zunahme der Geschwindigkeit des Verbrennungsmotors zu unterstützen. Sobald die Drehzahl der Turbine erhöht wurde, kann der bewegliche Wandabschnitt wieder in seiner ersten Position positioniert werden.
Gemäß Ausführungsformen kann die Abgasanordnung eine Ventilanordnung an einer oberen inneren Grenzfläche der Zylinderbohrung umfassen, wobei die Ventilanordnung in Fluid-Verbindung mit einer Abgasleitung ist, die sich zu einer Position stromabwärts der Turbine erstreckt. Somit können in der Zylinderanordnung verbleibende Abgase direkt vor dem Bedecken der Öffnung durch den Kolben oder nach dem Bedecken der Öffnung während eines Ausstoßtaktes durch die Ventilanordnung ausgestoßen werden. Da die Abgase während eines großen Teils des Ausstoßtaktes nicht länger zur Extraktion von Arbeit aus den Abgasen in der Turbine beitragen, d.h. während einer sogenannten Absaugung, kann ein Umgehen der Turbine mit der Abgasleitung stromabwärts der Turbine vermeiden, dass Energie in der Turbine verschwendet wird.
Gemäß Ausführungsformen kann die Turbine einen normalisierten effektiven Strömungsbereich, ү, haben, der definiert ist als
ү = A_TURB/V_MAX , wobei ү > 0,22 m^-1, wobei
A_TURB = (A_TIN/A_TOT) * m'_RED * (R/(κ(2/κ + 1)^x)))^1/2, wobei x = (κ + 1)/(κ - 1), wobei A_TOT ein Gesamteinlassbereich der Turbine ist und wobei A_TURB bei einer reduzierten Masseströmung, m '_RED, des Turboladers bei einem 2,5 - 3,5 Druckverhältnis zwischen einer Einlassseite und einer Auslassseite der Turbine und bei einer Spitzengeschwindigkeit von 450 m/s des Turbinenrades reduziert wird.
Auf diese Weise kann eine Turbine bereitgestellt werden, in der eine ursprüngliche Anhäufung von Abgasen, die von dem Blow-Down von einer Zylinderanordnung erzeugt werden und über den definierten Öffnungsbereich, A_PORT, und das definierte Abgasleitungsvolumen, V_EXH, an den Turbinenradeinlassbereich, A_TIN, übertragen werden, genutzt werden kann. Außerdem kann in einer Turbine mit einem solchen definierten normalisierten effektiven Strömungsbereich, ү, die Blow-Down-Energie aus den Abgasen über einen Kurbelwinkel der Kurbelwelle von < 80 Grad extrahiert werden. Somit kann die Blow-Down-Energie individuell aus jeder der mit der Turbine verbundenen Zylinderanordnungen extrahiert werden, wenn Abgase aus den unterschiedlichen Zylinderanordnungen die Turbine bei unterschiedlichen Kurbelwinkeln der Kurbelwelle erreichen.
Außer der verbesserten Nutzung der Blow-Down-Energie in der Turbine hat der Viertakt-Verbrennungsmotor der vorstehend erörterten Art auch ausgezeichnete Gasaustauscheigenschaften. Das bedeutet, aufgrund der schnellen Öffnung der Öffnung und des großen verfügbaren Abgasströmungsbereichs in der Öffnung sowie den vorstehend erörterten Eigenschaften der Turbine sind die Abgase einem geringen Abgasgegendruck ausgesetzt. Ein geringer Abgasgegendruck in einem Abgassystem des Verbrennungsmotors fördert einen effizienten Ausstoß der Abgase mit geringer Energie. In einem Viertakt-Verbrennungsmotor, wie in einigen der vorstehend erörterten Ausführungsformen definiert, wird ein solcher Ausstoß mit geringer Energie erreicht, während immer noch eine große Menge der Blow-Down-Energie in der Turbine mit den vorstehend definierten Eigenschaften genutzt wird. Anders ausgedrückt wird eine große Menge der verfügbaren Blow-Down-Energie in der Turbine gewonnen, ohne den Ausstoßtakt mit einem hohen Druck im Zylinder zu beeinträchtigen, was zu einer hochgradig negativen Kolbenpumparbeit führen würde.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeug vorgesehen, das einen Viertakt-Verbrennungsmotor gemäß jeglichem hierin erörterten Aspekt und/oder jeglichen hierin erörterten Ausführungsform umfasst.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Studium der beiliegenden Ansprüche und der folgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich werden.
Figurenliste
Verschiedene Aspekte der Erfindung, einschließlich deren besonderer Merkmale und Vorteile, werden leicht aus den beispielhaften Ausführungsformen zu verstehen sein, die in der nachstehenden ausführlichen Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen erörtert werden. In diesen zeigen:

1a und 1b schematisch einen Viertakt-Verbrennungsmotor gemäß Ausführungsformen,
1c und 1d Teilschnittansichten von alternativen Ausführungsformen eines Viertakt-Verbrennungsmotors,
2 ein Diagramm einer Massenströmungsrate über eine Abgasanordnung eines Viertakt-Verbrennungsmotors,
3 ein Diagramm von Abgasströmungsbereichen von Abgasanordnungen,
4 ein schematisches Beispiel einer Turbinenkarte eines Turboladers,
5 beispielhafte Ausführungsformen von Viertakt-Verbrennungsmotoren und Ausführungsformen eines Fahrzeugs, das einen Viertakt-Verbrennungsmotor umfasst, und
6 und 7 Ausführungsformen, in denen zwei Zylinderanordnungen mit einer Turbine verbunden sind.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Aspekte der Erfindung werden jetzt umfangreicher beschrieben. Die gleichen Zahlen beziehen sich in der ganzen Beschreibung auf ähnliche Zahlen. Gut bekannte Funktionen oder Konstruktionen werden der Kürze und Klarheit halber nicht notwendigerweise ausführlich beschrieben.
1a und 1b zeigen schematisch einen Viertakt-Verbrennungsmotor 2 gemäß Ausführungsformen. Der Viertakt-Verbrennungsmotor 2 umfasst mindestens eine Zylinderanordnung 4, die einen Brennraum 23 bildet, eine Abgasleitung 6 und mindestens eine Turbine (21), die in diesen Ausführungsformen als Teil eines Turboladers 8 schematisch beispielhaft dargestellt ist, siehe 1a.
Die mindestens eine Zylinderanordnung 4 umfasst einen Kolben 10, ein Pleuel 22, eine Zylinderbohrung 12, eine Abgasanordnung 14 zur Abgabe von Abgasen aus der Zylinderbohrung 12, eine Einlassöffnungsanordnung 16, eine Kraftstoffeinspritzungsanordnung 18 und/oder eine Zündvorrichtung. Der Kolben 10 ist an einem ersten Ende des Pleuels 22 schwenkbar mit dem Pleuel 22 verbunden und ist so angeordnet, dass er sich in der Zylinderbohrung 12 in einem Ansaugtakt, einem Verdichtungstakt, einem Arbeitstakt und einem Ausstoßtakt hin und her bewegt.
Die Abgasanordnung 14 umfasst eine Öffnung 15, die in einer unteren Hälfte der Zylinderbohrung 12 angeordnet ist. Die Abgasleitung 6 erstreckt sich von der Öffnung 15 zu dem Turbinenradeinlassbereich, A_TIN . Der Kolben 10 hat unterschiedliche Kolbenhublängen, wobei der Arbeits- und der Ausstoßtakt länger sind als der Ansaug- und der Verdichtungstakt, so dass die Öffnung 15 während eines Teils des Arbeits- und des Ausstoßtaktes nicht von dem Kolben 10 bedeckt ist und während des Ansaug- und des Verdichtungstaktes von dem Kolben 10 bedeckt ist. In 1a und 1b ist der Kolben 10 in gestrichelten Linien an seinem TDC gezeigt. In 1a ist der Kolben 10 mit durchgezogenen Linien an seinem BDC zwischen dem Ansaug- und der Verdichtungstakt gezeigt, wobei die Öffnung 15 bedeckt ist. In 1b ist der Kolben 10 mit durchgezogenen Linien an seinem BDC zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt gezeigt, wobei die Öffnung 15 unbedeckt ist. Somit wird ein Öffnungsbereich, A_PORT , der Öffnung 15 der Abgasanordnung 14 geöffnet und geschlossen, wenn sich der Kolben in der Kolbenbohrung 12 hin und her bewegt. Eine Höhe der Öffnung 15 liegt in einem Bereich von 8-16 % einer Kolbenhublänge zwischen dem TDC des Kolbens 10 und dem BDC zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt. In diesen Ausführungsformen ist die Öffnung 15 nur dann vollständig unbedeckt durch den Kolben 10, wenn der Kolben 10 den BDC erreicht. In alternativen Ausführungsformen kann die Öffnung entlang der Zylinderbohrung höher positioniert sein, so dass die Öffnung vollständig unbedeckt ist, bevor der Kolben den BDC erreicht. Der Vorteil der Nutzung einer Öffnung in der Zylinderbohrung zum Ausstoßen von Abgasen ist die schnelle Öffnungsgeschwindigkeit mindestens eines Teils eines Abgasströmungsbereichs, d.h. des Öffnungsbereichs, A_PORT . In Ausführungsformen, wo die Öffnung vollständig unbedeckt ist, bevor der Kolben den BDC erreicht, ist der weitere Vorteil erreicht, dass die Öffnungsgeschwindigkeit des Öffnungsbereichs, A_PORT , sogar schneller ist als die Öffnungsgeschwindigkeit des Öffnungsbereichs, A_PORT , in Ausführungsformen, wo die Öffnung nur dann vollständig unbedeckt ist, wenn der Kolben den BDC erreicht.
In 1a und 1b ist der Kolben 10 kürzer als in der Praxis gezeigt. In der Praxis sollte der Kolben 10 nämlich geeigneterweise eine solche Länge haben, dass die Öffnung 15 von dem Kolben 10 bedeckt ist, wenn dieser an seinem TDC ist, um eine Kommunikation der Abgasleitung 6 mit der Kurbelwelle des Viertakt-Verbrennungsmotors 2 zu verhindern.
Die unterschiedlichen Kolbenhublängen des Kolbens10 können durch einen Mechanismus 27 erreicht werden, der das Pleuel 22 mit einer Kurbelwelle 20 des Verbrennungsmotors 2 verbindet. Der Mechanismus 27 ist in 1a und 1b schematisch gezeigt. Es sind verschiedene solche Mechanismen bekannt, beispielsweise in dem so genannten Atkinson-Zyklus-Motor, der in Patentdokument US 367,496 offenbart ist, oder in dem Motor mit variablem Takt, der in Patentdokument US 4,517,931 offenbart ist. In diesen Ausführungsformen ist die Öffnung 15 nur durch feste Teile gebildet. Das bedeutet, die Öffnung 15 ist durch eine oder mehrere Öffnungen mit einer festen Größe in der Zylinderbohrung 12 gebildet. Dementsprechend ist der Öffnungsbereich, A_PORT , in diesen Ausführungsformen nicht variabel.
Während der Hin- und Herbewegung des Kolbens 10 hat die Zylinderanordnung 4 ein momentanes Zylindervolumen, V. Das bedeutet, das momentane Zylindervolumen, V, der Zylinderanordnung ist durch eine momentane Position des Kolbens 10 in der Zylinderbohrung 12 definiert. Dementsprechend kann der Öffnungsbereich, A_PORT , als eine Funktion des momentanen Zylindervolumens, V, ausgedrückt werden, d.h. A_PORT (V). Wie nachstehend erörtert, wird A_PORT (V) während eines Arbeitstaktes des Kolbens 10 genutzt, um eine Öffnungsgeschwindigkeit der Öffnung 15 zu definieren.
Die Abgasanordnung 14 umfasst ferner eine Ventilanordnung 17 an einer oberen inneren Grenzfläche 24 der Zylinderbohrung 12. Die Ventilanordnung 17 ist fluidmäßig mit einer Abgasleitung 19 verbunden, die sich zu einer Position stromabwärts der Turbine 21 erstreckt. Die Ventilanordnung 17 hat einen Abgasströmungsbereich, A_CYL , der während der Hin- und Herbewegung des Kolbens variiert. Genauer beginnt das Öffnen des Abgasströmungsbereichs, A_CYL , direkt vor oder direkt nach dem Punkt, an dem der Kolben 10 die Öffnung 15 während des Ausstoßtaktes vollständig bedeckt.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Ventilanordnung 17 selektiv fluidmäßig mit der Abgasleitung 6 stromaufwärts der Turbine verbindbar sein. Somit kann unter bestimmten Betriebsbedingungen die Ventilanordnung 17 stromaufwärts der Turbine verbunden sein. Beispielsweise zur Verbesserung der Motorlast als Reaktion auf Beschleunigung. Wie in 1b gezeigt, kann ein Zweiwegeventil 25 vorgesehen sein, um die Abgasleitung 19 selektiv mit der Abgasleitung 6 zu verbinden. Das Zweiwegeventil 25 kann von einem (nicht gezeigten) Steuersystem des Viertakt-Verbrennungsmotors 2 gesteuert werden.
Die Turbine 21 umfasst ein Turbinenrad 26. Die Turbine 21 umfasst einen Turbinenradeinlassbereich, A_TIN . Der Turbinenradeinlassbereich, A_TIN , ist an einer Öffnung eines Gehäuses der Turbine 21 vorgesehen, wo die Abgase in das Turbinenrad 26 eingelassen werden. Der Turbinenradeinlassbereich, A_TIN , kann geeigneterweise der Düsenhalsbereich der Turbine sein. Der Düsenhalsbereich kann auch als Turbinengehäusedüsenhalsbereich, kritischer Bereich des Turbinengehäuses oder ähnlich bezeichnet werden und kann oft für eine spezielle Turbine speziell festgelegt werden. Falls der Düsenhalsbereich nicht für eine spezielle Turbine festgelegt ist und/oder die Position des Düsenhalsbereiches nicht festgelegt ist, erstreckt sich der Turbinenradeinlassbereich, A_TIN , rechtwinklig zu einer Strömungsrichtung der Abgase. In Ausführungsformen der Turbinen, wo sich die Abgasleitung entlang einem Abschnitt des Turbinenrades erstreckt, zum Beispiel in einer Spirale, wie zum Beispiel in einem Twin-Scroll-Turbolader, ist der Turbinenradeinlassbereich, A_TIN , an dem Abschnitt der Abgasleitung definiert, wo das Turbinenrad erstmals den Abgasen ausgesetzt ist, die aus der entsprechenden Zylinderanordnung austreten.
Die Zylinderanordnung 4 hat ein maximales Volumen, V_MAX , zwischen dem BDC des Kolbens 10 zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt und der oberen inneren Grenzfläche 24 des Brennraums 23. Der Brennraum 23 ist über dem Kolben 10 in der Zylinderanordnung 4 gebildet. Der Kolben 10 ist mit der Kurbelwelle 20 des Verbrennungsmotors 2 verbunden. Genauer kann der Kolben 10 indirekt mit der Kurbelwelle 20 über das Pleuel 22 und den Mechanismus 27 verbunden sein.
Die Zylinderanordnung 4 hat ein Gesamthubvolumen, V_S , in der Zylinderbohrung 12 zwischen dem BDC und dem TDC zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt. Die Zylinderanordnung 4 hat ein geometrisches Verdichtungsverhältnis, ε = V_MAX / V_Min . V_MAX kann ausgedrückt werden als: V_MAX = V_S * (ε/(ε - 1)).
Die Abgasleitung 6 verbindet die Öffnung 15 mit der Turbine 21. Die Abgasleitung 6 hat ein Abgasleitungsvolumen, V_EXH . In 1a und 1b ist das Abgasleitungsvolumen, V_EXH , als ein Kasten dargestellt. In der Praxis erstreckt sich die Abgasleitung 6 zwischen dem Öffnungsbereich, A_PORT , und dem Turbinenradeinlassbereich, A_TIN . Dementsprechend ist das Abgasleitungsvolumen, V_EXH , durch das Volumen der Abgasleitung zwischen dem Öffnungsbereich, A_PORT , und dem Turbinenradeinlassbereich, A_TIN , gebildet. Die Abgasleitung 6 verbindet fluidmäßig nur die Öffnung 15 mit dem Turbinenradeinlassbereich, A_TIN . Das bedeutet, die Abgasleitung 6 bildet eine getrennte Leitung, die sich zwischen dem Öffnungsbereich, A_PORT , und dem Turbinenradeinlassbereich, A_TIN , erstreckt. Die getrennte Leitung hat keine anderen Einlässe oder Auslässe für Abgase. Somit ist der Turbinenradeinlassbereich, A_TIN, ein zugeordneter Einlassbereich des Turboladers 8 für die Öffnung 15, die über die Abgasleitung 6 damit verbunden ist.
Das Abgasleitungsvolumen V_EXH ist ≤ 0,5 mal das maximale Volumen, V_MAX , d.h. V_EXH ≤ 0,5 * V_MAX . Außerdem kann der Öffnungsbereich, A_PORT , der Öffnung 15 eine Größe haben, die mindestens doppelt so groß ist wie der Turbinenradeinlassbereich, A_TIN , der Turbine, wenn sich der Kolben an einem unteren Totpunkt, BDC, zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt befindet. Außerdem oder alternativ kann das Kriterium einer Größe der Öffnung 15 sein, dass sie dafür konfiguriert ist, den Öffnungsbereich, A_PORT , bei einer Größe von mindestens 0,44*V_MAX freizulegen, d.h. A_PORT ≥ 0,44 * V_MAX , wenn sich der Kolben an dem unteren Totpunkt, BDC, zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt befindet. Dementsprechend kann das Kriterium: A_PORT / V_MAX ≥ 0,44 m^-1 erfüllt sein, wenn sich der Kolben 10 an dem BDC zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt befindet.
Das Turbinenrad 26 der Turbine 21 ist in einem Turbolader 8 mit einem (nicht gezeigten) Laufrad zum Verdichten und Transportieren von Ansaugluft zu der Einlassöffnungsanordnung 16 verbunden.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Turbinenrad 26 ein axiales Turbinenrad sein. Eine Turbine, die ein axiales Turbinenrad umfasst, kann den hierin erörterten geringen Abgasgegendruck bereitstellen. Jedoch kann gemäß alternativen Ausführungsformen das Turbinenrad ein radiales Turbinenrad sein, das auch den hierin erörterten niedrigen Abgasgegendruck bereitstellen kann. Die Turbine 21 kann eine Impulsturbine oder eine Reaktionsturbine sein.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Zylinderanordnung 4 ein Gesamthubvolumen, V_S , in der Zylinderbohrung 12 zwischen dem unteren Totpunkt, BDC, zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt und einem oberen Totpunkt, TDC, des Kolbens sein, wobei 0,3 < V_S < 4 Liter. Rein beispielhaft erwähnt kann in dem unteren Bereich von V_S die Zylinderanordnung 4 einen Teil eines Verbrennungsmotors für einen Pkw bilden und kann in dem mittleren und höheren Bereich von V_S die Zylinderanordnung 4 Teil eines Verbrennungsmotors für ein Schwerlastfahrzeug wie beispielsweise einen Lastwagen, einen Bus oder ein Baufahrzeug bilden. In dem höheren Bereich von V_S kann die Zylinderanordnung 4 auch Teil eines Verbrennungsmotors für beispielsweise einen Generatorsatz (genset), für die Verwendung für Wasserfahrzeuge oder für Schienenfahrzeuge (Züge) bilden.
1c und 1d zeigen Teilschnittansichten von alternativen Ausführungsformen eines Viertakt-Verbrennungsmotors 2. Diese Ausführungsformen sind den Ausführungsformen aus 1a und 1b sehr ähnlich, wobei jedoch der Viertakt-Verbrennungsmotor 2 einen beweglichen Zylinderwandabschnitt 31 umfasst, der zur Variation einer Größe der Öffnung 15 konfiguriert ist. Der bewegliche Zylinderwandabschnitt 31 ist zwischen einer ersten Position, in der der bewegliche Wandabschnitt 31 einen oberen Abschnitt der Öffnung 15 bildet, und einer zweiten Position, in der der bewegliche Wandabschnitt 31 von der Öffnung 15 entfernt ist, bewegbar. Somit kann der Öffnungsbereich, A_PORT , der Öffnung 15 während des Betriebs des Viertakt-Verbrennungsmotors 2 variiert werden. Zur Steuerung der Größe der Öffnung 15 kann der bewegliche Zylinderwandabschnitt 31 durch ein (nicht gezeigtes) Steuersystem des Viertakt-Verbrennungsmotors 2 gesteuert werden. In 1c ist der bewegliche Zylinderwandabschnitt 31 in seiner ersten Position gezeigt, die eine Verlängerung der Zylinderbohrung 12 in der Öffnung 15 bildet, und in 1d ist der bewegliche Zylinderwandabschnitt 31 in seiner zweiten Position gezeigt, in der er von der Öffnung 15 und der Zylinderbohrung 12 entfernt ist.
In 1c und 1d ist der Kolben 10 kürzer gezeigt als in der Praxis. In der Praxis sollte der Kolben 10 nämlich geeigneterweise eine solche Länge haben, dass die Öffnung 15 von dem Kolben 10 bedeckt ist, wenn er an seinem TDC ist, um zu verhindern, dass die Abgasleitung 6 in Kommunikation mit der Kurbelwelle des Viertakt-Verbrennungsmotors 2 ist.
Gemäß alternativen Ausführungsformen können mehr als eine Zylinderanordnung mit einer Turbine 21 an einer Position der Turbine 21 verbunden sein. 6 zeigt Ausführungsformen, in denen zwei Zylinderanordnungen 4 mit einer Turbine 21 über einen Turbinenradeinlassbereich, A_TIN , verbunden sind, d.h. die zwei Zylinderanordnungen 4 nutzen den gleichen Turbinenradeinlassbereich, A_TIN . Dementsprechend sind die Abgasleitungsabzweigungen 6', 6" von den Öffnungen 15 der beiden Zylinderanordnungen 4 verbunden, so dass sie eine gemeinsame Abgasleitung 6 bilden, die zu der Turbine 21 und dem Turbinenradeinlassbereich, A_TIN , führen. Da ein gewisses Maß an Querströmung zwischen den beiden Abgasleitungsabzweigungen 6', 6" besteht, wenn Abgase von einer der Zylinderanordnungen 4 zu dem Turbinenradeinlassbereich, A_TIN , strömen, gilt das vorstehend erörterte Kriterium: V_EXH ≤ 0,5 * V_MAX für das gemeinsame Abgasleitungsvolumen, V_EXH , beider Abgasleitungsabzweigungen 6', 6" und der gemeinsamen Abgasleitung 6. 7 zeigt Ausführungsformen, in denen die Öffnungen 15 der beiden Zylinderanordnungen 4 mit einer Turbine 21 über zwei getrennte Abgasleitungen 6 verbunden sind, die jeweils zu einem Turbinenradeinlassbereich, A_TIN1 , A_TIN2 , führen. Die Turbinenradeinlassbereiche, A_TIN1 , A_TIN2, sind einander benachbart angeordnet, so dass sie mit der Turbine 21 an einer Position der Turbine 21 verbunden betrachtet werden können. Die Querströmung zwischen den beiden Turbinenradeinlassbereichen, A_TIN1 , A_TIN2 , ist vernachlässigbar. Dementsprechend gilt für jede der Abgasleitungen 6 das vorstehend erörterte Kriterium: V_EXH ≤ 0,5 * V_MAX .
Im Allgemeinen werden die Volumen von Verbindungen zu/von den Abgasleitungen 6 nicht als Teil des Abgasleitungsvolumens, V_EXH , betrachtet, wenn solche Verbindungen eine Querschnittsfläche unter einem Grenzwert haben. Gemäß den Ausführungsformen schließt das Abgasleitungsvolumen, V_EXH , alle Volumina aus, die mit der Abgasleitung 6 über eine Verbindung mit einer Verbindungsquerschnittsfläche A_CON , ≤ 0,022 m^-1 mal dem maximalen Volumen, V_MAX , an seinem schmalsten Teil verbunden sind. Das bedeutet, der Grenzwert der Verbindungsquerschnittsfläche, A_CON , beträgt 5 % des vorstehend erörterten Kriteriums in Bezug zu dem Öffnungsbereich, A_PORT , wenn sich der Kolben 10 an dem BDC zwischen dem Arbeitstakt und der Ausstoßtakt befindet. Mit einer so kleinen Verbindungsquerschnittsfläche, A_CON , ist jegliche Querströmung von Abgasen durch eine Verbindung vernachlässigbar. In 7 wurden zwei beispielhafte Verbindungen 7 mit Verbindungsquerschnittsflächen, A_CON , angegeben. Rein beispielhaft erwähnt können solche Verbindungen 7 Teil eines Abgasrückführungs(EGR)-Systems bilden oder können mit Sensoren usw. verbunden sein.
2 zeigt ein Diagramm einer Massenströmungsrate über eine Abgasanordnung eines Viertakt-Verbrennungsmotors. Entlang der X-Achse des Diagramms sind die vier Takte, Arbeitstakt 30, Ausstoßtakt 32, Ansaugtakt 34 und Verdichtungstakt 36 eines Kolbens in einer Zylinderbohrung einer Zylinderanordnung des Verbrennungsmotors zwischen dem unteren Totpunkt, BDC, und dem oberen Totpunkt, TDC, des Kolbens angegeben. Der Winkel der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors ist auch auf der X-Achse angegeben. 0° Kurbelwellenwinkel ist an dem TDC zwischen dem Ausstoßtakt 32 und dem Ansaugtakt 34 eingestellt. Eine beispielhafte Massenströmungsrate in Kilogramm pro Sekunde durch die Abgasanordnung ist auf der Y-Achse angegeben.
Der Graph des Diagramms zeigt die Massenströmungsrate über die Abgasanordnung. An Punkt 38 beginnt das Öffnen der Abgasanordnung. An Punkt 40 hat sich die Abgasanordnung wieder geschlossen. Somit liegt in einer Periode zwischen Punkt 38 und Punkt 40 ein Abgasströmungsbereich frei und nimmt auf ein Maximum zu, woraufhin er dann wieder abnimmt und sich schließt. Während der Periode zwischen Punkt 38 und Punkt 40 werden die Abgase aus der Zylinderanordnung über die Abgasanordnung abgegeben. Die Periode zwischen Punkt 38 und Punkt 40 kann grob in zwei Teile unterteilt werden, Blow-Down 42 und Absaugung 44. Während des Blow-Downs 42 herrscht ein übermäßiger Druck in den Abgasen in der Zylinderbohrung im Vergleich zu einem Druck stromabwärts des Abgasströmungsbereiches. Der übermäßige Druck bewirkt ein spontanes Ausströmen der Abgase aus der Zylinderbohrung über den Abgasströmungsbereich. Der übermäßige Druck kann beispielsweise in einer Turbine genutzt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist während des Blow-Downs 42 die Öffnung der Abgasanordnung nicht von dem Kolben bedeckt. Somit wird ein effizienter Ausstoß der Abgase über die Öffnung in die Turbine erreicht, was einen hohen Grad der Nutzung der Blow-Down-Energie in der Turbine fördert. Während der Absaugung 44 herrscht kein übermäßiger Druck mehr in den Abgasen in der Zylinderbohrung im Vergleich zu einem Druck stromabwärts des Abgasströmungsbereichs und werden die Abgase über die Abgasanordnung durch den Kolben ausgestoßen, wenn dieser sich in der Zylinderbohrung nach oben bewegt. Insbesondere können die Abgase während der Absaugung durch eine Ventilanordnung 17 ausgestoßen werden, wie vorstehend in Verbindung mit 1a und 1b erörtert.
Eine Abgassequenz beginnt bei Punkt 38, endet bei Punkt 40 und ist mit der Bezugszahl 46 angegeben. Außerdem wurde in dem BDC zwischen dem Arbeitstakt 30 und dem Ausstoßtakt 32 (- 180,0°) der Öffnungsbereich, A_POR , in einem Maß geöffnet, dass A_PORT ≥ 0,44 * V_MAX .
3 zeigt ein Diagramm von Abgasströmungsbereichen von Abgasanordnungen. Jede solche Abgasanordnung bildet Teil einer Zylinderanordnung, die ferner einen Kolben umfasst, der so angeordnet ist, dass er sich in einer Zylinderbohrung hin und her bewegt. Entlang der Y-Achse ist ein beispielhafter Abgasströmungsbereich der Abgasanordnung in mm² angegeben. Entlang der X-Achse ist ein relatives Zylindervolumen gegeben, d.h. das Verhältnis zwischen dem momentanen Zylindervolumen, V, und dem maximalen Volumen, V_MAX , wobei das Verhältnis berechnet wird, V/V_MAX. Dementsprechend ist bei dem Verhältnis 1 der Kolben an seinem BDC, d.h. dem BDC zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Zwei Graphen 50, 54 sind in dem Diagramm gezeigt. Ein erster Graph 50 bezieht sich auf eine Abgasanordnung, die standardmäßige kurbelwellengesteuerte Abgastellerventile umfasst. Der erste Graph 50 zeigt, dass die Tellerventile bei einem Verhältnis von circa 0,82 geöffnet werden und dass der Abgasströmungsbereich der Tellerventile fortschreitend zunimmt, wenn sich der Kolben zu dem BDC hin bewegt und seinen maximalen Abgasströmungsbereich bei einem Verhältnis von circa 0,88 erreicht, wenn sich der Kolben zu dem TDC hin bewegt. Ein zweiter Graph 54 bezieht sich auf eine Abgasanordnung, die eine Öffnung umfasst, die an einer unteren Hälfte der Zylinderbohrung angeordnet ist. Der zweite Graph 54 zeigt, dass die Abgasanordnung bei einem Verhältnis von circa 0,88 geöffnet wird und dass der Öffnungsbereich fortschreitend zunimmt, wenn sich der Kolben zu dem BDC zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt bewegt.
Wie nachstehend erörtert wird, zeigt der erste Graph 50 die Eigenschaften einer Abgasanordnung gemäß dem Stand der Technik, wohingegen der zweite Graph 54 Eigenschaften von Abgasanordnungen von hierin erörterten Ausführungsformen zeigt.
Gemäß Ausführungsformen ist ein momentanes Zylindervolumen, V, der Zylinderanordnung durch eine momentane Position des Kolbens in der Zylinderbohrung während seiner Hin- und Herbewegung definiert. A_PORT(V) drückt eine Öffnungsfläche der Öffnung als eine Funktion des momentanen Zylindervolumens, V, während eines Arbeitstaktes des Kolbens aus. Ein Abgasströmungsbereichskoeffizient, δ, der Öffnung ist als δ = A_PORT(V)/(0,22*V_MAX) definiert, wobei A_PORT in m² ausgedrückt ist und V_MAX in m³ ausgedrückt ist. In dem Diagramm aus 3 geht der Arbeitstakt des Kolbens in eine Rechtsrichtung, wenn das Verhältnis zunimmt. Der Arbeitstakt endet an dem Verhältnis 1. Ein Ausstoßtakt des Kolbens geht in eine linke Richtung in dem Diagramm, wenn das Verhältnis abnimmt. Außerdem hat die Öffnung einen Öffnungsgeschwindigkeitskoeffizienten, β, der als β = (V(δ=1) - V(δ=0,1))/V_MAX definiert ist. Das bedeutet, V(δ=1) stellt das momentane Zylindervolumen, V, dar, wenn δ gleich 1 ist und V(δ=0,1) stellt das momentane Zylindervolumen, V, dar, wenn δ gleich 0,1 ist. Da δ auf dem Abgasströmungsbereich basiert, stellt der Öffnungsgeschwindigkeitskoeffizient, β, einen Wert dafür dar, wie schnell eine bestimmte Abgasanordnung einer Zylinderanordnung geöffnet wird. Je geringer der Öffnungsgeschwindigkeitskoeffizient, β, desto schneller wird eine bestimmte Abgasanordnung den Abgasströmungsbereich freilegen.
Gemäß hierin erörterten Ausführungsformen kann der Öffnungsbereich, A_PORT , einen Öffnungsgeschwindigkeitskoeffizienten von β < 0,6 haben, um die Blow-Down-Energie in der Turbine effektiv zu nutzen.
In dem Diagramm aus 3 ist der Öffnungsgeschwindigkeitskoeffizient, β, einer Abgasanordnung für Zylinderanordnungen mit einem bestimmten V_MAX durch eine entsprechende Linie, die sich durch die Punkte 56, 60, die V(δ=1) darstellen, und die Punkte 64, 66, die V(δ=0,1) darstellen, erstreckt, auf den relevanten Graphen 50, 54 dargestellt. Somit ist der Öffnungsgeschwindigkeitskoeffizient, β₁, für die Abgasanordnung, die die standardmäßigen kurbelwellengesteuerten Abgastellerventile umfasst, durch den ersten Graph 50, β₁ = 0,09, dargestellt. Für die durch den zweiten Graph 54 dargestellte Abgasanordnung gilt β₂ = 0,025. Somit erfüllt die von dem zweiten Graph 54 dargestellte Abgasanordnung die Voraussetzung β < 0,06.
Die in Verbindung mit Ausführungsformen hierin erwähnte Abgassequenz beginnt an dem zweiten Graph 54, wo die Öffnung nicht von dem Kolben bedeckt ist, und verläuft dann entlang dem zweiten Graphen 54 nach rechts in dem Diagramm zu dem BDC und verläuft dann entlang dem Graphen nach links in dem Diagramm zu dem TDC, während die Ventilanordnung offen ist. In dem Diagramm ist nur der Anfang der Abgassequenz dargestellt. Verhältnisse unter 0,80 sind in dem Diagramm nicht gezeigt. Aufgrund des relativ großen Abgasströmungsbereiches der Öffnung, A_PORT , und der schnellen Öffnungsgeschwindigkeit der Öffnung erstreckt sich der zweite Graph 54 mit dem Verhältnis 1 aus dem Diagramm heraus. Somit ist für die von dem zweiten Graph 54 dargestellte Abgasanordnung ein kürzerer Teil der Abgassequenz in dem Diagramm dargestellt als für die Abgasanordnung gemäß dem Stand der Technik, die durch den ersten Graphen 50 dargestellt ist.
Für eine bestimmte Turbine sind Testergebnisse der Turbinenanlage in einer Turbinenkarte graphisch dargestellt. Auf Grundlage solcher Turbinenkarten kann eine geeignete Turbine für einen bestimmten Viertakt-Verbrennungsmotor ausgewählt werden. In einem Typ von Turbinenkarte kann eine Anzahl von Turbinengeschwindigkeitslinien gegen eine korrigierte Strömung und Druckverhältnisse über die Turbine graphisch dargestellt werden. Solche Turbinengeschwindigkeitslinien können zum Beispiel sogenannte reduzierte Turbinendrehzahlen, RPM_RED , darstellen. Die korrigierte Strömung kann zum Beispiel durch eine reduzierte Masseströmung, m'_RED , dargestellt sein. ${m'}_{RED} = m' * {(T)}^{1/2} /P,$
wobei m' eine tatsächliche Massenströmungsrate durch das Turbinenrad ist, T die Abgastemperatur vor dem Turbinenrad ist und P der Abgasdruck vor dem Turbinenrad ist. In 4 ist ein schematisches Beispiel für eine Turbinenkarte eines Turboladers gezeigt. Die Normen SAE J1826 und SAEJ922 beziehen sich auf Testprozesse, Nomenklatur und Terminologie von Turboladern und sind hierin für weitere Details von Turbinenkarten und Parametern, die sich auf Turbolader beziehen, durch Bezugnahme aufgenommen.
Gemäß Ausführungsformen hat die Turbine einen normalisierten effektiven Strömungsbereich, ү, der als ү = A_TURB /V_MAX definiert ist. Somit kann der Turbinenradeinlassbereich, A_TIN , in Bezug zu dem maximalen Volumen, V_MAX , der Zylinderanordnung definiert werden. Das bedeutet $A_{TURB} = (A_{TIN} {/A}_{TOT}) {*m'}_{RED} * (R/ κ + 1) {^{X})))}^{1 /2},$
wobei X = (κ + 1)/(κ - 1). Wie vorstehend erwähnt, ist A_TIN der Turbinenradeinlassbereich, der mit der Abgasanordnung einer Zylinderanordnung verbunden ist. Die Turbine kann mehr als einen Einlassbereich haben. Dementsprechend ist A_TOT ein Gesamteinlassbereich der Turbine, d.h. A_TIN und jegliche zusätzlichen Turbinenradeinlassbereiche, A_TIN , usw. (A_TOT = A_TIN + A_TINX + ... )). R ist die spezifische Gaskonstante. Ein Beispielwert von R kann 287, κ = C_p / C_v, sein, wobei C_p die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck der Abgase ist und C_v die spezifische Wärmekapazität der Abgase bei konstantem Volumen ist. Ein Beispielwert von κ kann 1,4 bei einer Temperatur von 293 K sein.
A_TURB wird bei einer reduzierten Masseströmung, m'_RED , der Turbine bei 2,5 - 3,5 Druckverhältnis zwischen einer Einlassseite und eine Auslassseite der Turbine und einer Spitzengeschwindigkeit von 450 m/s des Turbinenrads erlangt. A_TURB für eine bestimmte Turbine kann zum Beispiel durch Extrahieren der reduzierten Wasserströmung, m'_RED , aus einer relevanten Turbinenkarte für eine Turbinengeschwindigkeit, die der relevanten Spitzengeschwindigkeit bei dem relevanten Druckverhältnis entspricht, und Berechnen von A_TURB mit relevanten Daten für die Turbine und deren Betriebsbedingungen erlangt werden. Danach kann ү berechnet werden. Gemäß Ausführungsformen gilt ү > 0,22 m^-1.
Wie vorstehend erörtert, ist die Abgasanordnung dafür konfiguriert, den Öffnungsbereich, A_POR , bei einer Größe von mindestens 0,44*V_MAX freizulegen, wenn der Kolben an dem BDC zwischen dem Arbeitstakt und der Ausstoßtakt ist. In einer Turbine mit einem normalisierten effektiven Strömungsbereich, ү > 0,22 m^-1, kann der Turbinenradeinlassbereich, A_TIN , dem vorstehend definierten Öffnungsbereich, A_PORT , entsprechen (A_PORT ≥ 0,44*V_MAX), wenn der Kolben an dem BDC zwischen dem Arbeitstakt und der Ausstoßtakt ist. Mit anderen Worten ist der Abgasströmungsbereichskoeffizient δ ≥ 2 an dem BDC des Kolbens zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt. In Kombination mit dem definierten V_EXH ≤ 0,5 * V_MAX kann somit eine effiziente Übertragung der Blow-Down-Energie von der Abgasanordnung an den Turbinenradeinlassbereich, A_TIN , erreicht werden. Dementsprechend kann ein geringer Druckabfall erreicht werden, wenn die Abgase von der Zylinderanordnung an die Turbine geleitet werden, und kann die Blow-Down-Energie in nützliche Arbeit gewandelt werden, wenn sich die Abgase über das Turbinenrad der Turbine ausbreiten. Außerdem kann das vorstehend erörterte schnelle Öffnen der Abgasventilanordnung mit dem Öffnungsgeschwindigkeitskoeffizienten β < 0,06 zu dem geringen Druckabfall von der Zylinderanordnung zu der Turbine hin beitragen.
5 zeigt erste Ausführungsformen eines Viertakt-Verbrennungsmotors 2 und zweite beispielhafte Ausführungsformen eines Viertakt-Verbrennungsmotors 2 sowie Ausführungsformen eines Fahrzeugs 1, das einen Viertakt-Verbrennungsmotor 2 umfasst.
Mit durchgezogenen Linien sind die ersten beispielhaften Ausführungsformen eines Viertakt-Verbrennungsmotors 2, der drei Zylinderanordnungen 4 umfasst, in 5 dargestellt. Jede Zylinderanordnung 4 umfasst eine Abgasanordnung, die eine Öffnung 15 umfasst, wobei eine separate Abgasleitung 6 fluidmäßig nur eine jeder Öffnung 15 mit einem getrennten Einlassbereich, A_TIN , einer Turbine 21 verbindet. Jede Zylinderanordnung 4 ist eine Zylinderanordnung 4, wie in Verbindung mit 1a und 1b erörtert.
Der vorstehend erörterte und definierte Öffnungsgeschwindigkeitskoeffizient, β, und normalisierte effektive Strömungsbereich, ү, gelten für mindestens eine der Zylinderanordnungen 4. Gemäß Ausführungsformen hat jede Zylinderanordnung 4 einen Öffnungsgeschwindigkeitskoeffizienten β < 0,06, wie hierin definiert. Gemäß einigen vorstehend erörterten und definierten Ausführungsformen gelten der Öffnungsgeschwindigkeitskoeffizient, β, und der normalisierte effiziente Strömungsbereich, ү, für jede der Zylinderanordnungen 4 und die damit verbundene Turbine 21.
Gemäß Ausführungsformen kann jede der drei Zylinderanordnungen 4 vorgesehen sein, um bei circa 240° Kurbelwellenwinkeltrenninterwall zu zünden.
Gemäß den zweiten in 5 gezeigten beispielhaften Ausführungsformen umfasst der Viertakt-Verbrennungsmotor 2 sechs Zylinderanordnungen 4, 4'. Diese Ausführungsformen umfassen die drei Zylinderanordnungen 4 der vorhergehenden Ausführungsformen sowie die drei Zylinderanordnungen 4' mit gestrichelten Linien. Wieder umfasst jede Zylinderanordnung 4, 4' eine Abgasanordnung, die eine Öffnung 15, 15' umfasst, wobei eine getrennte Abgasleitung 6, 6' fluidmäßig nur eine von jeder Öffnung 15, 15' mit einem getrennten Einlassbereich, A_TIN , von zwei Turbinen 21, 21' verbindet. In diesen Ausführungsformen umfasst der Verbrennungsmotor zwei Turbinen 21, 21'. Drei getrennte Abgasleitungen 6 sind mit einer ersten Turbine 21 verbunden und drei getrennte Abgasleitungen 6' sind mit einer zweiten Turbine 21' verbunden. Wieder ist jede Zylinderanordnung 4, 4' eine Zylinderanordnung 4, 4', wie in Verbindung mit 1a und 1b erörtert. Der vorstehend erörterte und definierte Öffnungsgeschwindigkeitskoeffizient, β, und normalisierte effektive Strömungsbereich, y, gelten für mindestens eine der Zylinderanordnungen 4, 4'. Gemäß einigen Ausführungsformen gelten der vorstehend erörterte und definierte Öffnungsgeschwindigkeitskoeffizient, β, und normalisierte effektive Strömungsbereich, ү, für mindestens eine der Zylinderanordnungen 4, 4' und die damit verbundenen Turbinen 21, 21'.
Gemäß Ausführungsformen können die drei Zylinderanordnungen 4, 4' der sechs Zylinderanordnungen 4, 4' vorgesehen sein, um bei einem Kurbelwellenwinkeltrennintervall von circa 240° zu zünden.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der Viertakt-Verbrennungsmotor eine andere Anzahl von Zylinderanordnungen 4 wie beispielsweise zwei, vier, fünf oder acht Zylinderanordnungen 4 umfassen.
Ein Fahrzeug 1 ist schematisch in 5 gezeigt. Das Fahrzeug 1, das einen Viertakt-Verbrennungsmotor 2 gemäß den ersten beispielhaften Ausführungsformen oder gemäß den zweiten beispielhaften Ausführungsformen umfasst, ist in 5 gezeigt.
Diese Erfindung sollte nicht als auf die hierin dargelegten Ausführungsformen beschränkt betrachtet werden. Der Fachmann wird verstehen, dass andere Merkmale der hierin offenbarten Ausführungsformen kombiniert werden können, um andere Ausführungsformen als die hierin beschriebenen zu schaffen, ohne von dem Offenbarungsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie durch die anliegenden Ansprüche definiert. Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme auf die beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wurde, werden dem Fachmann verschiedene Änderungen, Modifizierungen und dergleichen ersichtlich sein. Beispielsweise wurde in den in Verbindung mit 1 bis 5 erörterten Ausführungsformen wurde mindestens eine Turbine in der Form eines Turboladers erörtert. Alternativ kann die Turbine eine Turbine sein, die mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden ist, oder eine Turbine, die mit einem elektrischen Generator verbunden ist. Somit ist zu verstehen, dass die vorhergehende Beschreibung Darstellungszwecken dient und dass die Erfindung nur durch die anhängigen Patentansprüche definiert ist.
Wie hierin verwendet, ist der Begriff „umfassen“ oder „umfasst“ offen und umfasst eines oder mehrere angegebene Merkmale, Elemente, Schritte, Komponenten oder Funktionen, aber schließt nicht die Anwesenheit oder Hinzufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, Elemente, Schritte, Komponenten oder Funktionen oder Gruppen davon aus.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4535592 [0005]
US 5775105 [0006]
US 367496 [0036]
US 4517931 [0036]

Claims

Viertakt-Verbrennungsmotor (2), der mindestens eine Zylinderanordnung (4) umfasst, die einen Brennraum (23) und eine Kurbelwelle (20) bildet, wobei die mindestens eine Zylinderanordnung (4) einen Kolben (10), ein Pleuel (22), eine Zylinderbohrung (12) und eine Abgasanordnung (14) zum Ausströmen von Abgas aus der Zylinderbohrung(12) umfasst, wobei der Kolben (10) schwenkbar mit dem Pleuel (22) an einem ersten Ende des Pleuels (22) verbunden und so angeordnet ist, dass er sich in der Zylinderbohrung (12) in einem Ansaugtakt, einen Verdichtungstakt, einen Arbeitstakt und einen Ausstoßtakt hin und her bewegt, wobei die Abgasanordnung (14) eine Öffnung (15) umfasst, die in einer unteren Hälfte der Zylinderbohrung (12) angeordnet ist, wobei der Viertakt-Verbrennungsmotor (2) ferner mindestens eine Turbine (21) umfasst, die ein Turbinenrad (26) und einen Turbinenradeinlassbereich, A_TIN, umfasst, und wobei eine Abgasleitung (6) sich von der Öffnung (15) zu dem Turbinenradeinlassbereich, A_TIN, erstreckt dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (10) unterschiedliche Kolbenhublängen hat, wobei der Arbeitstakt und der Ausstoßtakt länger sind als der Ansaugtakt und der Verdichtungstakt, so dass die Öffnung (15) während eines Teils des Arbeitstaktes und des Ausstoßtaktes nicht von dem Kolben (10) bedeckt ist und während des Ansaugtaktes und des Verdichtungstaktes von dem Kolben (10) bedeckt ist.
Viertakt-Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Öffnungsbereich, A_PORT, der Öffnung (15) eine Größe habt, die mindestens zweimal so groß ist wie der Turbinenradeinlassbereich, A_TIN, der Turbine (21), wenn sich der Kolben (10) an einem unteren Totpunkt, BDC, zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt befindet.
Viertakt-Verbrennungsmotor (2) nach Anspruch 2, wobei eine Höhe der Öffnung (15) in einem Bereich von 8-16 % einer Kolbenhublänge zwischen einem oberen Totpunkt, TDC, des Kolbens (10) und dem unteren Totpunkt, BDC, zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt liegt.
Viertakt-Verbrennungsmotor (2) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die mindestens eine Zylinderanordnung (4) ein maximales Volumen, V_MAX, zwischen dem unteren Totpunkt, BDC, des Kolbens (10) zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt und einer oberen inneren Grenzfläche (24) des Brennraums (23) hat, wobei die Öffnung (15) dafür konfiguriert ist, den Öffnungsbereich, A_PORT, bei einer Größe von mindestens 0,44*V_MAX freizulegen, wenn sich der Kolben (10) an dem unteren Totpunkt, BDC, zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt befindet.
Viertakt-Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zylinderanordnung (4) ein maximales Volumen, V_MAX, zwischen einem unteren Totpunkt, BDC, des Kolbens (10) zwischen den Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt haben und einer oberen inneren Grenzfläche der Zylinderbohrung (12) hat, wobei ein momentanes Zylindervolumen, V, der Zylinderanordnung (4) als eine momentane Position des Kolbens (10) in der Zylinderbohrung (12) während seiner Hin- und Herbewegung definiert werden kann, wobei A_PORT(V) einen Öffnungsbereich der Öffnung (15) als eine Funktion des momentanen Zylindervolumens, V, während eines Arbeitstaktes des Kolbens (10) ausdrückt, wobei ein Abgasströmungsbereichskoeffizient, δ, der Öffnung (15) als δ = A_PORT(V)/(0,22*V_MAX) definiert ist, wobei A_PORT in m² ausgedrückt ist und V_MAX in m³ ausgedrückt ist, wobei die Öffnung (15) einen Öffnungsgeschwindigkeitskoeffizienten, β, hat, der als β = (V(δ=1) - V(δ=0,1))/V_MAX definiert ist, und wobei die Öffnung (15) einen Öffnungsgeschwindigkeitskoeffizienten von β < 0,06 hat.
Viertakt-Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zylinderanordnung (4) ein maximales Volumen, V_MAX, zwischen einem unteren Totpunkt, BDC, des Kolbens (10) zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt und einer oberen inneren Grenzfläche (24) der Zylinderbohrung (12) hat, wobei die Abgasleitung (6) ein Abgasleitungsvolumen, V_EXH, haben kann, wobei V_EXH ≤ 0,5 mal das maximale Volumen, V_MAX, ist.
Viertakt-Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abgasleitung (6) fluidmäßig nur die Öffnung (15) mit dem Turbinenradeinlassbereich, A_TIN, verbindet.
Viertakt-Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Öffnung (15) nur durch feste Teile gebildet ist.
Viertakt-Verbrennungsmotor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die einen beweglichen Zylinderwandabschnitt (31) umfasst, der zum Variieren einer Größe der Öffnung (15) konfiguriert ist, wobei der bewegliche Zylinderwandabschnitt (31) zwischen einer ersten Position, in der der bewegliche Wandabschnitt (31) einen Teil der Öffnung (15) bildet, und einer zweiten Position, in der der bewegliche Wandabschnitt (31) aus der Öffnung (15) entfernt wird, beweglich ist.
Viertakt-Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abgasanordnung (14) eine Ventilanordnung (17) an einer oberen inneren Grenzfläche der Zylinderbohrung (12) umfasst, wobei die Ventilanordnung (17) in Fluid-Verbindung mit einer Gasleitung (19) ist, die sich zu einer Position stromabwärts der Turbine (21) erstreckt.
Viertakt-Verbrennungsmotor (2) nach Anspruch 10, wobei die Ventilanordnung (17) selektiv fluidmäßig mit der Abgasleitung (6) stromaufwärts der Turbine (21) verbindbar ist.
Viertakt-Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Turbine (21) einen normalisierten effektiven Strömungsbereich, ү, hat, der als ү = A_TURB/V_MAX definiert ist, wobei ү > 0,22 m^-1, wobei A_TURB = (A_TIN/A_TOT) * m'_RED * (R/(K(2/K + 1)^X)))^1/2, wobei x = (κ + 1)/(κ - 1), wobei A_TOTein Gesamteinlassbereich der Turbine (21) ist und wobei A_TURB bei einer reduzierten Masseströmung, m'_RED, der Turbine (21) bei einem 2,5 - 3,5 Druckverhältnis zwischen einer Einlassseite und einer Auslassseite der Turbine (21) und bei einer Spitzengeschwindigkeit von 450 m/s des Turbinenrades reduziert wird.
Viertakt-Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zylinderanordnung (4) ein Gesamthubvolumen, V_S, in der Zylinderbohrung (12) zwischen dem unteren Totpunkt, BDC, zwischen dem Arbeitstakt und dem Ausstoßtakt und einem oberen Totpunkt, TDC, des Kolbens (10) hat, und wobei 0,3 < V_S < 4 Liter.
Fahrzeug (1), das einen Viertakt-Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.