DE3115772A1

DE3115772A1 - "verfahren und vorrichtung zum befuellen der zylinder von brennkraftmaschinen"

Info

Publication number: DE3115772A1
Application number: DE19813115772
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. 4060 Viersen Baumgartner; Rainer Dipl.-Ing. 4100 Duisburg Südbeck
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 1981-04-18
Filing date: 1981-04-18
Publication date: 1982-11-04
Also published as: DE3115772C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen der Zylinder von Brennkraftmaschinen sowie eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.

Die Zylinder von Brennkraftmaschinen, wie Otto- und Diesel-Motoren, werden heute häufig nicht mehr durch reines - meist drosselgeregeltes - Ansaugen befüllt. In zunehmendem Maße werden sie aufgeladen, um vor allem im obersten, aber auch · nach Möglichkeit im mittleren Lastbereich eine Leistungssteigerung zu erzielen. Dabei versteht man unter Aufladen ein Eiblasen von Luft oder einem Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Ansaugstutzen der Brennkraftmaschine unter erhöhtem Druck. Das bedeutet, daß der sogenannte Aufladedruck oberhalb des Druckniveaus liegt, das sich vor dem Ansaugstutzen der Brennkraftmaschine einstellt, wenn Luft oder ein Luft-Kraftstoff -Gemisch lediglich durch die Volumenvergrößerung im Kolbenraum der Brennkraftmaschine angesaugt wird.

Es ist bekannt, zum Aufladen von Brennkraftmaschinen sogenannte Abgasturbolader oder von der Brennkraftmaschine direkt angetriebene Lader, wie z.B. Roots-Gebläse zu verwenden oder die Aufladung mit Hilfe von Stoßwellenrohren (Komprex-Aufladung) durchzuführen. In all diesen Fällen erfolgt die Aufladung der Brennkraftmaschine entweder . permanent oder bereichsabhängig, d.h. von einer vorbestimmten Lastanforderung an die Brennkraftmaschine an. Die Aufladung wird also nach wie vor - wie beim reinen Ansaugen - durch die Stellung .einer Drosselklappe oder ähnlichen Vorrichtung geregelt. Dadurch wird aber im Teillastbereich der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine bei Ottomotoren durch mechanische Verluste oder Erhöhung des Abgasgegendruckes verschlechtert. Schließlich werden bei den herkömmlichen

Verfahren relativ großvolumige und relativ viel Energie verbrauchende Gasaufladeeinrichtungen - sogenannte Gasverdichter - benötigt. Aber auch die Tatsache, daß bei der Regelung der Befüllung der Zylinder (z.B. bei Abgasturboladern) Energie nutzlos abgedrosselt wird, wird als nachteilig empfunden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, den Wirkungsgrad von Brennkraftmaschinen, vor allem im Teillastbereich, zu verbessern und dabei kleinere Gasverdichter zu ermöglichen und die bei der Verdichtung des Aufladegases eingebrachte Energie, insbesondere bei Luft-Kraftstoff-Gemischen möglichst wirkungsvoll zu nutzen.

Die Aufgabe wird für das Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeweils beim Ansaugtakt der Brennkraftmaschine der Ansaugung eine Treibstrahlanwendung überlagert wird. Dies wird erfindungsgemäß insbesondere derart realisiert, daß der Treibstrahldruck vorbestimmt wird, oder alternativ dazu, nach einer vorbestimmten Dauer einer an sich bekannten reinen Ansaugphase die Ansaugphase mit der überlagerten Treibstrahlanwendung angeschlossen wird. Letzteres ist für das Befüllen des betreffenden Zylinders mit Gas insoweit günstig, als zu Beginn eines Ansaugtaktes der Gasmengenstrom auch bei reinem Ansaugen relativ gute Werte aufweist. - Treibstrahlanwendung bedeutet dabei, verdichtetes Treibgas in die Gasansaugeinrichtung der Brennkraftmaschine einzublasen und dadurch Ansauggas in Richtung des Treibstrahls mitzureißen, wodurch eine Volumenstromerhöhung erfolgt.

Es ergibt sich weiter die Möglichkeit, das Maß der Treibgasanwendung in Abhängigkeit von der Lastanforderung an die Brennkraftmaschine in einfacher Weise zu regeln, indem jeweils der Beginn der Ansaugphase mit überlagerter Treibgasanwendung zeitlich vor- oder zurückverlegt bzw. der Treibstrahldruck erhöht oder verringert wird. - Diese Operationen der Steuerung der Treibstrahlanwendung erfolgen gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, aufgrund der Stellung des Fahrpedals der Brennkraftmaschine oder des im Saugrohr der Brennkraftmaschine herrschenden Druckes. Wenn das Fahrpedal z.B. eine Drosselklappe betätigt, kann natürlich auch deren Stellung benutzt werden.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, erfindungsgemäß in Zeiträumen ohne Treibstrahlanwendung das Seibgas zu speichern. Dadurch wird es möglich, einen kleinen, aber ständig arbeitenden Gasverdichter betreiben zu können, wobei das Treibgas in einen Druckbehälter bis zu einem vorbestimmten Grenzdruck zwischengespeichert und danach dem Gasverdichter mindestens ein Totraum zugeschaltet wird, so daß eine weitere Gasförderung unterbleibt und keine Arbeit am Gasverdichter, der natürlich auch einfach abgekoppelt _w werden kann, zu verrichten ist.

Gemäß einer besonderen Ausführung der Erfindung ist der Treibstrahl auf die Zylinder zu gerichtet. Das hat zur Folge, daß dem Ansauggasstrom in gleicher Richtung die Strömung des Treibgases zur Volumenstromerhöhung überlagert wird. Da im Treibstrahl die Druckenergie in kinetische Energie umgesetzt und durch Grenzschichtmechanismen der

— Q —

Saugstrahl beschleunigt wird, erreicht man eine Aufladung durch Druckrückgewinnung im sogenannten Diffusor des zu verwendenden Treibstrahlapparates.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn erfindungsgemäß das Ausmaß der Treibstrahlanwendung in Form einer Gasaufladung mit zunehmender Lastanforderung an die Brennkraftmaschine verstärkt, das heißt der Treibstrahldruck erhöht oder der Beginn der Ansaugphase mit überlagerter Treibgasanwendung vorverlegt wird. Dies führt gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in Grenzfällen dazu, daß die Brennkraftmaschine bei geringer oder sehr geringer Lastanforderung ausschließlich mit der reinen Ansaugphase und bei hoher oder sehr hoher Lastanforderung ausschließlich mit der Ansaugphase mit überlagerter Treibgasanwendung in Form einer Gasaufladung betrieben wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber gemäß einer Weiterbildung der Erfindung auch so ausgeführt werden, daß der Treibstrahl von den Zylindern weg gerichtet wird. Hierdurch wird während der überlagerten Treibstrahlanwendung die weitere Befüllung des betreffenden Zylinders verlangsamt, gestoppt oder sogar zum Teil wieder rückgängig gemacht, je nachdem wie kräftig der Treibstrahl gegen den Ansauggasstrom arbeitet. Je weniger der Ansauggasstrom bei einer bestimmten Lastanforderung gedrosselt wird, um so größer ist der durch die erfindungsgemäße Maßnahme erzielbare Erfolg, der im wesentlichen in der Wirkungsgradverbesserung der Brennkraftmaschine im Teillastbereich liegt. Besonders bevorzugt ist diese Art der Treibstrahlanwendung wenn der Ansauggasstrom überhaupt nicht gedrosselt wird, d.h. das Befüllen der

Zylinder während einer reinen Ansaugphase ungedrosselt stattfinden kann und anschließend durch Treibstrahlanwendung der Zylinder z.T. wieder entleert wird. Das Treibgas hat eine mehr oder minder große Sperrwirkung auf das durch die Brennkraftmaschine in üblicher ¥eise angesaugte Gas, weshalb man diese Ausführung als Treibstrahlanwendung in Form einer Sperrströmung bezeichnet.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird das Ausmaß der Treibstrahlanwendung in Form einer Sperrströmung mit zunehmender Lastanforderung an die Brennkraftmaschine verringert, das heißt der Treibstrahldruck vermindert oder - und zwar bevorzugt - der Beginn der Ansaugphase mit überlagerter Treibstrahlanwendung nachverlegt. Durch die letztgenannte Maßnahme kann auf sehr einfacher ¥eise der höhere Gasbedarf der Brennkraftmaschine mit steigender Lastanforderung befriedigt werden, ohne daß die Stärke des Treibstrahls verändert werden muß, da eine Verkürzung der Überlagerungsphase automatisch einen höheren Befüllungsgrad der Zylinder der Brennkraftmaschine zur Folge hat. Erfindungsgemäß wird die Brennkraftmaschine bei hoher oder sehr hoher Lastanforderung ausschließlich mit der reinen Ansaugphase betrieben, so daß die Treibstrahlanwendung dann ganz fortfällt. Es kann hier dann vielmehr durch Änderung der Strahlrichtung in Richtung des Ansaugstromes sogar eine Aufladung erfolgen.

Die Regelung der Befüllung der Zylinder wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ausschließlich mit Hilfe des Treibstrahls vorgenommen. Es entfällt also jegliche Art

von Drosselklappe oder ähnlich wirkender Einrichtung, so daß der Befüllungsgrad ausschließlich durch die Dauer der Treibstrahlanwendung bei festliegender Treibstrahlstärke oder alternativ durch die Veränderung der Treibstrahlstärke bei festliegender Dauer der Treibstrahlanwendung bewirkt wird. Natürlich sind auch Mischformen dieser beiden Lösungen denkbar.

Pur die Vorrichtung zum Durchführen des in Rede stehenden Verfahrens, bei der eine Brennkraftmaschine unter anderem mit einer Gasansaugeinrichtung und einem Gasverdichter ausgestattet ist, wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

a) die Gasansaugeinrichtung als Treibstrahlapparat mit einer Gaseinlaßseite (Saugbereich), einer Gasauslaßseite (Diffusor) und einer Düse für Treibgas ausgebildet und

b) die Düse über ein Ventil mit dem Gasverdichter verbunden ist.

Dadurch wird es/nöglich, bei jedem Ansaugtakt zu einem vorbestimmten Zeitpunkt durch Betätigung des Ventils Treibgas der Düse in dem Treibstrahlapparat zuzuführen oder nach einmaliger Betätigung des Ventils von einem vorbestimmten Lastpunkt der Brennkraftmaschine an die Treibstrahlaufladung zuzuschalten und bei einem weiteren vorbestimmten Lastpuhkt abzuschalten und die Ventilöffnung zur Druckeinstellung des Treibstrahls zu nutzen.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist dem Treibstrahlapparat eine an sich bekannte Drosseleinrichtung vorgeschaltet. Somit wird das dem Treibstrahlapparat über seine Düse zugeführte Treibgas ungedrosselt dem Saugrohr der Brennkraftmaschine zugeführt. Damit steht die zum Verdichten des Treibgases aufgebrachte Energie dem Füllungsvorgang der Brennkraftmaschine voll zur Verfügung. Es ist aber erfindungsgemäß auch möglich dem Treibstrahlapparat und dem Gasverdichter insbesondere gemeinsam eine an sich bekannte Drosseleinrichtung vorzuschalten, d.h. daß der Treibstrahl in Strömungsrichtung erst hinter der Drosselklappe Gas ansaugt. Somit ist auch dieser Gasstrom entsprechend der Lastanforderung an die Brennkraftmaschine geregelt.

Es hat sich weiterhin als besonders günstig herausgestellt, wenn gemäß der Erfindung zwischen dem Ventil und dem Treibstrahlapparat ein Gasspeicherbehälter eingefügt ist. Auf diese Weise wird Treibgas vor allem im unteren Teillastbereich - wo keine Aufladung erfolgt - für die Treibstrahlanwendung gespeichert, weshalb der Gasverdichter relativ klein gebaut sein kann und entsprechend wenig Antriebsenergie benötigt. Nach Erreichen eines Grenzdruckes werden dem Gasverdichter erfindungsgemäß ein oder mehrere Toträume zugeschaltet, und zwar in solcher Weise, daß kein weiteres Gas mehr gefördert wird; dazu wird vorzugsweise der Kolbenraum' des Gasverdichters vergrößert. Natürlich ist - wie bereits erwähnt - generell auch eine zeitweise Abkopplung des. Gas Verdichter s möglich.

Die als Treibstrahlapparat ausgebildete Gasansaugeinrichtung kann zentral für alle Zylinder einer Brennkraftmaschine benutzt werden. Es ist aber von besonderem Vorteil, wenn erfindungsgemäß jedem Zylinder der Brennkraftmaschine ein eigener Treibstrahlapparat zugeordnet ist. Auf diese Weise wird eine präzise Einstellung der Gasversorgung des einzelnen Zylinders möglich, und die Ventile zwischen Gasverdichter und den Treibstrahlapparaten können auf geringere Frequenz ausgelegt werden, was die Funktionssicherheit der gesamten Vorrichtung erhöht.

Für Ottomotoren mit Gemischverdichtung ist es besonders günstig, wenn bei Treibstrahlapparaten mit vorgeschalteter Drosseleinrichtung erfindungsgemäß in dem Gasstrang, in dem der Gasverdichter angeordnet ist, ein Gemischbildner für die Herstellung eines Luft-Kraftstoff/Gemisches vorgesehen ist. Dabei ist es möglich, den Gemischbildner in Gasströmungsrichtung sowohl vor als auch hinter dem Gasverdichter anzuordnen. Bei letztgenannter Lösung ist es denkbar, den Gemischbildner zwischen dem eventuell vorhandenen Gasspeicherbehälter und dem Ventil aber auch hinter dem Ventil anzuordnen. Auf diese Weise wird die dem Luft-Kraftstoff-Gemisch zugeführte Verdichtungsenergie voll genutzt und nicht mehr abgedrosselt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß gegenüber einer Lösung, in der nur Luft verdichtet wird, das Treibgas nunmehr eine höhere Dichte besitzt, was den Wirkungsgrad des Treibstrahlapparates und damit dieser Methode spürbar erhöht. Vor allem im Teillastbereich der Brennkraftmaschine, also dem Bereich in dem sie am häufigsten betrieben wird, arbeitet sie mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung

näher am Wirkungsgradmaximum als dies nach dem Stand der Technik möglich war. ' ·

Schließlich läßt sich die letztgenannte Lösung auch für Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffeinspritzung in den Saugbereich (Saugrohr) vorteilhaft verwenden, wenn erfindungsgemäß in der Düse des Treibstrahlapparates (Treibdüse) ein Kraftstoffeinspritzventil untergebracht wird. In diesem Fall sitzt der Gemischbildner also direkt in der das Treibgas dem Treibstrahlapparat zuleitenden Düse.

Je nach.dem, ob eine Treibstrahlanwendung in Form einer Gasaufladung oder einer Sperrströmung stattfinden soll, ist erfindungsgemäß die Düse auf die Zylinder zu oder von ihnen weg gerichtet. Es ist aber auch denkbar, die Düse drehbar, insbesondere rotierbar einzubauen, so daß der Treibstrahl in beiden Richtungen arbeiten kann. Hierbei würde durch Zwischenstellungen der Treibstrahldüse zwischen den Extrempositionen eine Beeinflussung der Stärke der Sperrwirkung bzw. der Aufladewirkung des Treibstrahls erreicht werden können. Das gleiche Ziel kann aber auch mit zwei gegeneinander gerichteten Düsen mit wechselnder Treibgaszuführung erreicht werden.

Bei einer Treibstrahlanwendung in Form einer Sperrströmung ist es gemäß einer Weiterbildung der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn dem Gasverdichter und dem Treibstrahl- . apparat gemeinsam ein Gasverteiler vorgeordnet ist. Auf diese Weise wird das Gas während der Ansaugphase mit überlagerter Treibstrahlanwendung im Kreislauf zwischen Treibstrahlapparat, Gasverteiler und Gasverdichter sowie Ventil

und Treibstrahldüse geführt. Diese Lösung sollte aber wegen der sonst möglichen Gemischüberfettung nur bei Direkteinspritzen, wie Dieselmotoren, angewendet verden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2a ein Diagramm, in dem die der Brennkraftmaschine im Ansaugtakt zugeführte Gasmenge in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel aufgetragen ist ( für einen Zylinder) bei Aufladung;

Fig. 2b eine Darstellung der den einzelnen Kurven in Fig. 2a entsprechenden Drosselklappenstellungen;

Fig. 3a das P-V-Diagramm eines einzelnen Zylinders bei unterschiedlichen Lastanforderungen (gemäß Stand der Technik);

Fig. 3b das Diagramm gemäß Fig. 3a jedoch für die Erfindung - bei Aufladung;

Fig. 4 eine der Figur 1 entsprechende Darstellung mit zusätzlichem Gemischbildner - bei Aufladung;

Fig. 5 eine, schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit für jeden Zylinder getrennten Gasansaugeinrichtungen - bei Aufladung;

I O / /

Fig. 6 eine Düse mit Kraftstoffeinspritzventil - bei Aufladung;

Fig. 7 ein der Figur 2a entsprechendes Diagramm, jedoch bei Sperrströmung;

Fig. 8 das P-V-Diagramm eines einzelnen Zylinders eines Dieselmotors gemäß dem Stand der Technik - bei Sperrströmung; und

Fig. 9 ein Diagramm gemäß Fig. 8, jedoch für einen Otto-Motor.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Gasverdichter bezeichnet; dieser kann in an sich bekannter Weise ausgebildet sein und z.B. von der Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) angetrieben werden. Dabei saugt er Gas, insbesondere Luft durch die Leitung 2 an, die wiederum z.B. direkt mit Atmosphäre in Verbindung stehen oder der Drosselklappe (oder einer ähnlich wirkenden Vorrichtung) der Brennkraftmaschine nachgeschaltet sein kann. Dem Gasverdichter 1 kann ein Gasspeicherbehälter 3, der weiter unten näher beschrieben wird, nachgeschaltet sein. Über Leitungen 4a, b steht der Gasverdichter 1 mit einem Ventil 5 in Strömungsverbindung, das sowohl ein Drossel- als auch ein Auf-/Zuventil bekannter Bauart sein kann, z.B. ein Magnetventil. Mit 6 ist eine Gasansaugeinrichtung bezeichnet, die erfindungsgemäß als Treibstrahlapparat 7 mit Gaseinlaßseite 8 und Gasauslaßseite 9 sowie einer Düse 10 für Treibgas ausgebildet ist. Der Gaseinlaßseite 8 wird z.B. atmosphärische Luft über

einen nicht dargestellten Luftfilter zugeführt; von der Gasauslaßseite 9 "besteht eine Strömungsverbindung zu den ebenfalls nicht dargestellten Einlaßventilen einer Brennkraftmaschine. Dabei ist es generell möglich, die bei Brennkraftmaschinen übliche Drosselklappe bzw. eine ähnlich wirkende Vorrichtung dem Treibstrahlapparat 7 vor- oder nachzuschalten. Die erste Version wird beim Aufladen bevorzugt, da auf diese Weise äse von dem Gasverdichter 1 verdichtete Gas nachfolgend nicht wieder nutzlos abgedrosselt wird, sondern die so gespeicherte Energie dem Füllungsvorgang ungemindert zur Verfügung steht. Der dem Treibstrahlapparat 7 über seine Düse 10 von dem Gasverdichter 1 zugeführte Gasstrom wird entsprechend seiner Wirkungsweise auch als Treibstrahl bezeichnet.

Der erfindungsgemäße Betrieb der vorbeschriebenen Vorrichtung ist derart, daß durch den Treibstrahlapparat 7 während der vollen Länge eines jeden Ansaugtaktes der Brennkraftmaschine Gas, insbesondere Luft durch den von der Brennkraftmaschine erzeugten Unterdruck angesaugt wird. Ein einzelner Ansaugtakt besteht einerseits zunächst aus einer an sich bekannten reinen Ansaugphase von vorbestimmter Dauer (die maximal so lang ist, wie der gesamte Ansäugtakt); üblicherweise ist die vorbestimmte Dauer der reinen Ansaugphase aber kürzer als die Gesamtdauer eines Ansaugtaktes, und es schließt sich sodann an diese reine Ansaugphase eine Ansaugphase mit überlagerter Treibstrahlanwendung an. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Ventil 5 geöffnet wird und das durch den Gasverdichter 1 verdichtete Gas, welches auch bereits im Gasspeicherbehälter 3 mit einem vorbestimmten Grenzdruck anstehen kann, als Treibstrahl durch

Ol I U I I Z.

die Düse 10 des Treibstrahlapparates 7 zugeführt wird. Das Ventil 5 bleibt dann üblicherweise bis zum Ende des jeweiligen Ansaugtaktes geöffnet. - Andererseits ist es aber auch möglich, das Ventil 5 ständig mehr oder minder gedrosselt geöffnet zu halten und somit den Umfang des Treibstrahleinflusses auf die Zylinderbefüllung festzulegen. - Im unteren Teillastbereich der Brennkraftmaschine entfällt die überlagerte Treibstrahlanwendung in der Regel aber ganz, und das Ventil 5 bleibt solange ständig, zumindest aber so gut wie geschlossen.

Da bei zunehmender Lastanforderung an die Brennkraftmaschine im Falle einer Treibstrahlanwendung in Form einer Aufladung deren Zunahme erwünscht ist und deshalb der Beginn der Ansaugphase mit überlagerter Treibgasanwendung erfindungsgemäß vorverlegt wird, muß das Ventil 5 dementsprechend mit zunehmender Lastanforderung jeweils zu einem früheren Zeitpunkt in bezug auf den gesamten Ansaugtakt geöffnet oder weiter geöffnet werden (dies wird anhand der Figuren 2a und 2b noch näher erläutert werden); das bedeutet aber auch, daß bei maximaler Lastanforderung das Ventil 5 jeweils während des gesamten Ansaugtaktes geöffnet sein kann.

Im Falle einer Treibstrahlanwendung in Form einer Sperrströmung wird demgegenüber bei zunehmender Lastanforderung an die Brennkraftmaschine der Beginn der Ansaugphase mit überlagerter Treibstrahlanwendung nachverlegt, so daß das Ventil 5 - jetzt vom Zylinder fortweisend - dementsprechend mit zunehmender Lastanforderung, jeweils zu einem späteren Zeitpunkt in bezug auf den gesamten Ansaugtakt bzw. weniger

weit geöffnet wird (dies wird anhand der Fig. 7 noch näher erläutert werden); das bedeutet aber auch, daß bei hoher oder sehr hoher Lastanforderung das Ventil 5 während des jeweils gesamten Ansaugtaktes geschlossen sein kann. Diese lastabhängige Änderung des Schaltzeitpunktes oder Öffnungszustandes von Ventil 5 kann erfindungsgemäß durch die Stellung des Fahrpedals bzw. der Drosselklappe oder den Druck im Saugrohr der Brennkraftmaschine festgelegt werden. Eine Koppelung zwischen dem Fahrpedal oder einer Druckmeßeinrichtung und dem Ventil 5 kann auf einfache Weise z.B. mechanisch oder elektrisch hergestellt werden.

Da jeweils nur ein Teil des der Brennkraftmaschine in einem Ansaugtakt zugeführten Gasstromes verdichtet werden muß und die Treibgasanwendung nicht in allen Lastzuständen vonnöten ist, kann der Gasverdichter 1 im Vergleich zu den bisher bekannten Einrichtungen dieser Art relativ klein ausgelegt werden. Weiterhin wird durch die erfindungsgemäße Einfügung eines Gasspeicherbehälters 3 zwischen Ventil 5 und Gasverdichter 1 auch während der jeweils reinen Ansaugphase das verdichtete Gas gespeichert, so daß der Gasverdichter ununterbrochen arbeiten kann, aber keine Energie verloren geht. Bei Erreichen eines vorbestimmten Grenzdruckes im Gasspeicherbehälter 3 werden dem Gasverdichter 1 ein oder mehrere Toträume 1a in der Weise zugeschaltet, daß eine weitere Gasförderung in den Gasspeiche rbehälter 3, z.B. durch Vergrößerung des Kolbenraumes des Verdichters, unterbleibt, oder der Gasverdichter 1 wird anders abgeschaltet.

I.I J / I

Fig. 2a und 2b sollen das erfindungsgemäße Verfahren in Bezug auf eine TreibStrahlanwendung in Form einer Aufladung noch besser veranschaulichen. In Fig. 2a ist der Gasmengenstrom m~ in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel für die Dauer eines Ansaugtaktes für einen einzelnen Zylinder aufgetragen. Die Zählung von^f beginnt beim oberen Totpunkt (OT) des betreffenden Zylinders mit 0°. Die mit einfachen Zahlen bezifferten ausgezogenen Kurven 1 bis 5 geben jeweils die Gasströme wieder, die allein .durch das normale Ansaugen von atmosphärischer Luft der Brennkraftmaschine zugeführt werden. Die Zahlen 3¹ bis 5¹ bezeichnen die strichpunktierten Linien, die die Gasströme des reinen Aufladegases darstellen. Schließlich bezeichnen die doppelt gestrichenen Zahlen 3'¹ bis 5¹¹ die gestrichelten Linien, welche den gesamten Gasstrom der der Brennkraftmaschine bei einem Ansaugtakt zugeführt wird, darstellen. Die Zahlen 1 bis korrespondieren jeweils mit einer bestimmten Stellung der Drosselklappe (Fig. 2b). Fig. 2a ist zu entnehmen, daß mit zunehmender Öffnung der Drosselklappe der Zeitpunkt des Beginns der Ansaugphase mit überlagerter Treibgasanwendung vorverlegt wird, d.h. bei zunehmend kleineren Winkeln ^ beginnt. Dabei gibt Kurve 1 z.B. die Situation im Leerlauf der Brennkraftmaschine wieder, wobei sich die reine Ansaugphase über die gesamte Länge des jeweiligen Ansaugtaktes erstreckt. Auch bei Kurve 2 , die z.B. für den unteren Teillastbereich gilt, erfolgt noch keine Gasaufladung. Die Drosselklappenstellung 3 gibt die Situation von etwa 70% Lastanforderung wieder; hier beginnt die Gasaufladung mit einem Kurbelwellenwinkel*γ von etwa 110°. Bei Drosselklappenstellung 4, die etwa 80° Lastanforderung entspricht, beginnt das Aufladen bereits bei einem Kurbelwellenwinkelf von etwa

90° und "bei Vollast (Drosselklappenstellung 5) wird der Ansaugphase während der Gesamtdauer des Ansaugtaktes eine Gasaufladung überlagert. - Bei Treibstrahlanwendung mit gesteuertem Treibstrahldruck wären die ausgezogenen Kurven über ihre gesamte Länge um einen gewissen Betrag überhöht.

Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert die Effektivität der Gasaufladung, vor allem in dem häufig benutzten Teillastbereich einer Brennkraftmaschine. Dies wird aus den P-V-Diagrammen der Figuren 3a und 3b deutlich. Darin bedeuten OT = oberer Totpunkt, UT = unterer Totpunkt und P = den Atmosphärendruck. In Figur 3a sind drei Kurven eingezeichnet, die die Zustände bei einer Brennkraftmaschine mit reiner Gasansaugung verdeutlichen, und zwar im Leerlauf, bei 50% Last und bei Vollast. Die oberen Kurventeile des Verdichtungs- und des Arbeitstaktes sind aus Gründen des Maßstabes nicht dargestellt. In Fig* 3b sind 4 Kurven für einen Zylinder einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Brennkraftmaschine mit Treibstrahlanwendung in Form einer Aufladung dargestellt. Ein Vergleich mit Fig. 3a zeigt, daß im Leerlauf und unteren Teillastbereich die Kurven identisch sind, während bei 80% Last einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Brennkraftmaschine bereits etwa die Vollastkurve aus Fig. 3a erreicht wird, und bei Vollast nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die hierfür bekannte Leistungssteigerung gegenüber einer unaufgeladenen Brennkraftmaschine eintreten.

In Fig* 4 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung - für Treibstrahlanwendung in Form einer Aufladung - mit einem Gemischbildner 11 ausgestattet; er ist in dem Gasstrang 2, 4a/b,

N-/ I I \^ I I

13a/b , in dem der Gasverdichter 1 angeordnet ist, vorgesehen - und zwar gemäß Fig. 4 zwischen dem Ventil 5 und der Düse 10 des Treibstrahlapparates 7. Der Gemischbildner 11 wird also von verdichteter Luft durchströmt und über eine gesonderte Leitung mit Kraftstoff versorgt; das in ihm gebildete Luft-Kraftstoff-Gemisch steht dem Verbrennungsprozeß ungedrosselt zur Verfügung, da erfindungsgemäß dem Treibstrahlapparat 7 eine an sich bekannte Drosseleinrichtung (in Fig. 4 die Drosselklappe 12) vorgeschaltet ist. Wie sich aus Fig. 5 ergibt, kann der Gemischbildner 11 aber auch an anderer Stelle im Gasstrang 2, 4a/b, 13a/b angeordnet sein, insbesondere an einer Stelle stromauf der Gasaufladeeinrichtung 1 (Fig. 5) also zwischen Leitung 2 und Gasverdichter 1. Auch hier ist wieder den - diesmal vier Treibstrahlapparaten, eine an sich bekannte Drosseleinrichtung, wie die Drosselklappe 12, vorgeschaltet. Außerdem ist jedem Zylinder 14 (in Fjg, 5 nur schematisch dargestellt) der Brennkraftmaschine ein eigener Treibstrahlapparat 7 zugeordnet. Auf diese Weise brauchen die Ventile 5 nur mit einem Viertel der Frequenz betätigt zu werden, die bei einem einzigen Treibstrahlapparat für alle Zylinder notwendig wäre, soweit der Ansaugtakt aus zwei Phasen besteht - bei Regelung des Treibstrahldruckes ist demgegenüber nur ein einziges, mehr oder minder geöffnetes Ventil vonnöten. Nach der Ausführung gemäß Fig. 5 ist nicht nur den Gasansaugeinrichtungen 6, sondern auch dem Gasverdichter 1 eine Drosselklappe 12 vorgeschaltet.

Der Gemischbildner 11 kann aber erfindungsgemäß auch in Form eines Kraftstoff-Einspritzventils 15 in der oder den Düsen 10 für Treibgas untergebracht sein (Fig. 6). Insgesamt

wird also bei einer Brennkraftmaschine mit Gemischverdichtung in der erfindungsgemäßen Art sowohl die Verdichtungsenergie dem Füllungsvorgang voll zur Verfügung gestellt als auch der Wirkungsgrad der Aufladung mit Hilfe eines Treibstrahlapparates durch die Erhöhung der Dichte des Treibgases infolge des Hinzufügens des Kraftstoffs - erhöht. So ausgerüstete Brennkraftmaschinen können insgesamt kleiner ausgeführt werden als eine Brennkraftmaschine gleicher Maximalleistung, aber mit reiner Gasansaugung herkömmlicher Art. Im Vergleich zu anderen aufgeladenen Brennkraftmaschinen ergibt sich eine Verbesserung des Wirkungsgrades im Teillastbereich und eine Verkleinerung des Gasverdichters.

Bei Treibstrahlanwendung in Form einer Sperrströmung wird die Sperrströmung nach anfänglicher reiner Ansaugphase ab einem vorbestimmten Zeitpunkt innerhalb eines Ansaugtaktes - der einem bestimmten Kurbelwellenwinkel ^f entspricht - der Ansaugung durch die Brennkraftmaschine überlagert. Je nach Stärke der Sperrströmung wird die weitere Befüllung des betreffenden Zylinders, trotz zunehmender Volumenvergrößerung, im Vergleich zu einer normalen Ansaugung gemäß dem Stand der Technik verlangsamt und gegebenenfalls auf Null herabgesetzt, wie in Fig. 7 durch die gestrichelten Linien angedeutet. Bei hinreichend starker Sperrströmung, d.h. hoher Treibwirkung des Treibstrahles kann sogar ein Teil der anfänglichen Befüllung des betreffenden Zylinders durch Absaugen einer gewissen Gasmenge rückgängig gemacht werden (ausgezogene Linien in Fig. 7).

Die Wirkungen und Vorteile des letztgenannten Verfahrens werden anhand der Fig. 8 und 9 verdeutlicht; es handelt sich dabei um sogenannte Gaswechselkurven, wie sie schon

LIJ/ IZ.

in Fig. 3a und b im Ausschnitt gezeigt wurden. Die jeweils mit a bezeichneten, ausgezogenen Linien entsprechen dem Stand der Technik, die mit b bezeichneten, gestrichelten Linien der Erfindung. Die mit 1 bezeichneten Kurventeile geben den Verdichtungstakt, die mit 2 bezeichneten Kurventeile den Arbeitstakt wieder, 3 entspricht dem Gasausstoß und 4 dem Ansaugtakt. In Fig. 8, welche die Situation einer Diesel-Brennkraftmaschine darstellt,, endet die reine Ansaugphase im Punkt A. Durch die Treibstrahlanwendung während der sich anschließenden Ansaugphase wird der Gasdruck im Zylinder vermindert. Dadurch beginnt die Kompression im nachfolgenden Kompressionstakt bei einem kleineren Gasdruck im Zylinder als bisher üblich, so daß auch nur ein geringerer Enddruck am Ende der Kompressionsphase erreicht wird. Mithin findet auch der Arbeitstakt insgesamt auf einem etwas geringeren Druckniveau statt als gemäß dem Stand der Technik. Hierdurch wird bekanntlich der Exergieverlust der Brennkraftmaschine vermindert, wie dies aus dem · rechten Teil von Fig. 8 zu ersehen ist, und somit insgesamt der Wirkungsgrad im Teillastbereich erhöht. Dadurch wird weiterhin der Vorteil erreicht, daß der Stickoxidgehalt im Abgas in Folge der Verminderung überschüssiger Luftmassen und dadurch bedingter Verminderung der Reaktionstemperatur abnimmt, so daß sich weitere Maßnahmen zur Verminderung des Stickoxidgehaltes im Abgas erübrigen.

In Fig. 9 bezeichnet die ausgezogene Linie eine Situation im Teillastbereich einer Otto-Brennkraftmaschine, bei der in üblicher Weise das Ansauggas abgedrosselt wird, so daß ein deutlich unterhalb Atmosphärendruck liegender Enddruck im

Zylinder erreicht wird, wenn der Ansaugtakt beendet ist. Dadurch ist die von den Kurventeilen 3, 4 und 1 eingeschlossene Fläche der Gaswechselschleife, welche auch als negative Arbeitsfläche bezeichnet wird, relativ groß. Wird die Befüllung eines Zylinders jedoch erfindungsgemäß vorgenommen, so kann auch im Teillastbereich das Gas zunächst in einer reinen Ansaugphase ungedrosselt in den Zylinder geleitet werden, da die Gasmenge dadurch begrenzt wird, daß von einem vorbestimmten Zeitpunkt an (hier wieder mit A bezeichnet) durch die überlagerte TreibStrahlanwendung die Befüllungsmenge des Zylinders begrenzt wird. Auf diese-Weise wird die erwähnte negative Arbeitsfläche im Teillastbereich ähnlich klein wie dies bei Vollast der Fall ist, wodurch sich der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine entsprechend erhöht. Nach Einsetzen der Ansaugphase mit überlagerter Treibgasanwendung (im Punkte A) wird - wie bereits in Fig. 8 gezeigt - der Druck im Zylinder auch hier erniedrigt, so daß bei einem gleich niedrigen oder noch niedrigeren Enddruck der Ansaugphase der Kompressionstakt beginnen kann, ohne daß die negative Arbeitsfläche so groß ist wie nach dem Stand der Technik im Teillastbereich bekannt. Auch in diesem Fall führt eine Verschiebung der Druckkurven für den Kompressionstakt und den Arbeitstakt zu kleineren Drucken hin und somit zu einer Verminderung des Exergieverlustes.

Aus Fig. 8 ergibt sich also, daß die Verluste des Dieselprozesses dem Stand der Technik gleich entsprechend der Summe der Flächen I, II, III und V und die Verluste entsprechend der Erfindung gleich der Summe der Flächen I, III und IV sind; und aus Fig. 9 ergibt sich, daß die Verluste des Ottoprozesses nach dem Stand der Technik gleich der Summe der Flächen III, IV, I und V und die Verluste nach der Erfindung gleich der Summe der Flächen IV und I vermindert um II sind.

Claims

Dr.-lng. Reimar König * :_:Di^)];-IWg'. KJav>? Bergen Cscilienallee 7B 4 DüSBsldorf 3D Talafon 45ΞΟΟΒ Patentanwälte

16. April 1981 33 539 B

Pierburg GmbH & Co KG, Leuschstrasse 1, 4040 Neuss 1

"Verfahren und Vorrichtung zum Befüllen der Zylinder von

Brennkraftmas chinen"

Patentansprüche; .

1.)Verfahren zum Befüllen der Zylinder von Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils beim Ansaugtakt der Ansaugung eine Treibstrahlanwendung überlagert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Treibstrahldruck vorbestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer vorbestimmten Dauer einer an sich bekannten reinen Ansaugphase die Ansaugphase mit der überlagerten Treibstrahlanwendung angeschlossen wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibstrahlanwendung durch die Stellung des Fahrpedals der Brennkraftmaschine gesteuert wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibstrahlanwendung durch den Druck im Saugrohr der Brennkraftmaschine gesteuert wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Zeiträumen ohne Treibstrahlanwendung das Treibgas gespeichert ■ wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstrahl auf die Zylinder zu gerichtet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausmaß der Treibstrahlanwendung mit zunehmender Lastanforderung an die Brennkraftmaschine verstärkt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Brennkraftmaschine

bei geringer Lastanforderung ausschließlich in reiner ν

Ansaugphase und bei hoher Lastanforderung ausschließlich in Ansaugphase mit überlagerter Treibstrahlanwendung betrieben wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstrahl von den Zylindern weg gerichtet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß das Ausmaß der Treibstrahlanwendung mit zunehmender Lastanforderung an die Brennkraftmaschine verriiiprt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Brennkraftmaschine bei hoher Lastanforderung ausschließlich in reiner Ansaugphase betrieben wird.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Befüllung der Zylinder ausschließlich mit Hilfe des Treibstrahls erfolgt.

14. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch

1, bei der eine Brennkraftmaschine mit einer Gasansaugeinrichtung und einem Gasverdichter ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Gasansaugeinrichtung (6) als Treibstrahlapparat (7) mit einer Gaseinlaßseite (8), einer Gasauslaßseite (9) und einer Düse (10) für Treibgas ausgebildet und

b) die Düse (10) über ein Ventil (5) mit dem Gasverdichter (1) verbunden ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß dem Treibstrahlapparat (7) eine an sich bekannte Drosseleinrichtung (12) vorgeschaltet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß dem Treibstrahlapparat (7) und dem Gasverdichter (1) eine an sich bekannte Drosseleinrichtung (12) vorgeschaltet ist.

17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 16, gekennzeichnet durch einen Gasspeicherbehälter (3) zwischen dem Ventil (5) und dem Gasverdichter (1).

18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 17j gekennzeichnet durch mindestens einen dem Gasverdichter (1) zugeordneten Totraum (1a),

19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis

18, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Zylinder (14) der Brennkraftmaschine ein •Treibstrahlapparat (7) zugeordnet ist.

20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis

19, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gasstrang (2, 4a, 4b, 13a, 13b) in dem der Gasverdichter (1) angeordnet ist, ein Gemischbildner (11) für die Herstellung eines Luft-Kraftstoff -^-Gemisches vorgesehen ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch ein Kraftstoff-Einspritzventil (15) in der Düse (10) für Treibgas.

22. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 Ms 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (10) auf die Zylinder (14) zu gerichtet ist.

23. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 Ms 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (10) von den Zylindern (14) weg gerichtet ist.