DE3115772C2

DE3115772C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Befüllen der Zylinder von Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3115772C2
Application number: DE3115772A
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: 1984-09-27
Also published as: DE3115772A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Befüllen der Zylinder von Brennkraftmaschinen wird bei den Ansaugtakten nach einer vorbestimmten Dauer einer an sich bekannten reinen Ansaugphase eine Ansaugphase mit überlagerter Treibstrahlanwendung angeschlossen, wobei der Beginn der letztgenannten Phase regelbar sein kann. Wenn die Strömung des Treibstrahles auf den Zylinder zu gerichtet ist, wird die Ansaugphase mit überlagerter Treibstrahlanwendung mit zunehmender Lastanforderung an die Brennkraftmaschine vorverlegt und im umgekehrten Falle nachverlegt. Bei einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist eine Brennkraftmaschine mit einer Gasansaugeinrichtung (6) und einem Gasverdichter (1) ausgestattet, wobei die Gasansaugeinrichtung als Treibstrahlapparat (7) mit einer Gaseinlaßseite (8), einer Gasauslaßseite (9) und einer Düse (10) für Treibgas ausgebildet und die Düse (10) über ein Ventil (5) mit dem Gasverdichter (1) verbunden ist. Dem Gasverdichter (1) kann ein Gasspeicherbehälter (3) oder ein Totraum (1a) zugeordnet sein; die Zylinder (14) der Brennkraftmaschine können mit gesonderten oder einem gemeinsamen Treibstrahlapparat (7) bestückt sein. Dem Gasverdichter kann ein Gemischbildner für Luft/Kraftstoff zugeordnet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen der Zylinder von Brennkraftmaschinen, mit einem Gasansaugsysiem für eine Hauptgaszufuhr und einem in diesem vorgesehenen Treibstrahiapparat für eine Hilfsgaszufuhr mit einem jeweils in Abhängigkeit von der Lastanforderung an die Brennkraftmaschine geregelten, auf die Strömungsrichtung der Hauptgaszufuhr ausgerichteten Treibstrahl, bei dem jeweils während des Ansaugtaktes der Brennkraftmaschine nach einer bestimmten Dauer einer reinen Ansaugphasc eine Ansaugphasc mit überlagerter Hilfsgaszufuhr als Treibstrahlanwendung angeschlossen wird und eine Abhängigkeit zwischen Lastenförderung und Dauer der reinen Ansaugphase besteht. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens, mit einer als Trcibstrahlapparat mit einer Gascinlaßseite. einer Gasauslaßscik· und einer Düse für Treibgas ausgebildeten Gasiinsaugcinrichtung und einem Gasverdichlcr.

Die Zylinder von Hrennkrefimaschinen, wie OtIoiiiul Diesel-Motoren, werden heult· häufig nicht mehr durch reines — meist dmsselgeregcltcs — Ansaugen

befüllL In zur.ehmendem 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 Einblasen 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 dt.f Brennkraftmaschine einstelle, 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 angetriebe Lader, wie z. B. Roots-Gebläse, zu verwenden oder die Aufladung mit Hilfe von Stoßwellenrohren (Drucktauscher-Aufladung) durchzuführen. In all diesen Fällen erfolgt die Aufladung der Brennkraftmaschine entweder permanent oder bereichsabhängig, d. h. von eirnir 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 viei Energie verbrauchende Gasaufladeeinrichtungen — sogenannte Gasverdichter — benötigt. Aber auch die Tatsache, daß bei der Regelung der Befüllung der Zylinder (z. B. bei Abgasturboladern) Energie nutzlos abgedrossclt wird, wird als nachteilig empfunden.

Aus der CH-PS 4 45 945 ist die Gattung bekannt, von der die Erfindung ausgeht. Im einzelnen sieht diese Patentschrift vor, beim Befüllen der Zylinder von Brennkraftmaschinen der Einlaßgasströmung eine Zusatzgasströmung z<\ überlagern, wozu Düsen verwendet werden. Der Zusatzstrom wird durch die Taktung eines den Zusatzgasstrom beherrschenden Ventiles geregelt, und zwar wird abhängig von der Lastanforderung eine stetige Regelung des Treibstrahles an die Brennkraftmaschine vorgenommen, was allerdings durch eine Drosselregelung άζτ Treibstrahlzuführleitung erfolgt. Es besteht hierbei in der Art einer Zweipunktregelung eine Abhängigkeit zwischen der Lastanforderung an die Maschine und der Dauer der reinen Ansaugphase, indem sich die treibgasfreie Ansaugphase durch lastabhängigcs völliges Unierbrechen der Treibgaszufuhr zu einer Ventilschaft-Sch <ebersteuerung entweder über die gesamte Ventilöffnungsspanne erstreckt, oder bei der Zufuhr von Treibgas der durch die Schiebersteuerung festgelegte Beginn der Treibgaszufuhr zur Wirkung gelangt. Die Steuerung der überlagerten Zusatzgasströmung dieser bekannten Brennkraftmaschine arbeitet ausschließlich druckabhängig, was in Extremfällen zu einem völligen Absperren der Hilfsgaszufuhr führt. Die Hilfsgaszufuhr ist zwingend an die Steuerzeitcn (Öffnungszeiten) de«> Einlaßventils und damit der Hauptgaszufuhr gebunden. Damit schließt es sich aus, den Ansaugtakt in eine reine Ansaugphase und eine beliebige Ansaugphase mit überlagerter Hilfsgas/.ufuhr zu unterteilen.

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

Die Aufgabe wird für das Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgeniäß dadurch gelöst, daß die Dauer der reinen Ansaugphase jeweils in Abhängigkeit von der Lastanforderung verändert wird und die Treibstrahlanwendung während der Restdauer des Ansauglaktes erfolgt. Dieses Vorgehen ist für das Befüllen des

ίο betreffenden Zylinders mit Gas deshalb besonders günstig, weil zu Beginn eines Ansaugtaktes der Gasmengenstrom auch bei reinem Ansaugen relativ gute Werte aufweist. — Treibstrahlanwendung bedeutet dabei, verdichtetes Treibgas in die Gasansaugeinrichtung der Brennkraftmaschine ein/.ublasen und dadurch Ansauggas in Richtung des Treibstrahls mitzureißen, wodurch z. B. eine Volumcn.stromerhöhung erfolgt.

Es wird bemerkt, daß es aus der DE-PS 4 72 596 an sich bekannt ist. daß einer reinen Ansaugphase eine Auflndephase folgt, die jedoch nach·,«ander und nicht etwa während der einzelnen Ansaugtak:e der Einlaßgasströmung der Brennkraftmaschine überlagert erfolgen. Aus der DE-PS 8 03 442 geht hervor, zwei Ladeströme vorzusehen und das Nachladen von Dieselmoto-

2j ren mit .incin mildem Hubraum unmittelbar verbundenen Hauptraum und einem vom Hauptraum durch eine Drosselstellc getrennten Nebenraum mittels eines in den Nebenraum mündenden Nachladeventils vorzunehmen. Bei jedem Ansaugtakt beginnt das Nachladen mit

jo Druckluft noch während des Saughubes, so daß sich einer reinen Ansaugphase eine diese fortführende Ansaugphase mit eine zusätzlichen Gasströmung, nämlich dem Nachladcgas anschließt. Ein Überlagern der beiden Ladeströme im Sinne einer Trcibslrahlanwendung. d. h.

J5 verdichtetes Treibgas in die Gasansaugeinrichtung der Brennkraftmaschine einzublascn und dadurch Ansauggas in Richtung des Treibstrahles mitzureißen, ist jedoch nicht möglich.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich also die Möglichkeit, das Maß der Treibgasanwendung in Abhängigkeit von der Lastanforderung an die Brennkraftmaschine in einem sehr weiten Umfang zu regeln, indem jeweils der Beginn der Ansaugphase mit überlagerter Treibgasanwendung zeitlich vor oder zurück-

Y, verlegt wird. — Diese Operation der Steuerung der Trcibstrahlanwendung erfolgt gemäß einer Weiterbildung der Erfindung aufgrund der Stellung des Fahrpedals der Brennkraftmaschine oder des im Saugrohr der Brennkraftmaschine herrschenden Druckes. Wenn das

■so Fahrpcdal. z. B. eine Drosselklappe betätigt, kann natürlich auch deren Stellung benutzt werden.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, in Zeiträumen ohne Trcibstrahlanwendung das Treibgas zu speichern. Dadurch wird es möglich, einen kleinen, nber ständig arbeitenden Gasverdichter betreiben zu können, wobei das Treibgas in einen Druckbehälter bis zu einem vorbestimmten Grenzdruck zwischengespeichert und danach dem Cusverdichter mindestens ein Totraum zugeschaltet wird, so daß eine weitere Gasförderung unterbleibt und keine Arbeit am Gasverdichler. der natürlich auch einfach abgekoppelt werden kann, zu verrichten ist. Dazu wird vorzugsweise der Kolbenraum des Gasverdichters vergrößert.

Gemäß einer bcs.-ndcrcn Ausführung der Erfindung

•■r> ist der Treibstrahl auf die Zylinder zu gerichtet. Das hat zur Folge, dall dem Ansauggastrom in gleicher Richtung die Strömung des Treibgases zur VolumcnstiOmcrhöhung überlagert wird. Da im Treibstrahl die Druckencr-

gie in kinetische Energie umgesetzt und durch Grenzschichtmcchanismen der .Saugstrahl beschleunigt wird, erreicht man eine Aufladung durch Druckrückgewinnung im sogenannten Diffusor des /u verwendenden Treibstrahlapparatcs. ^r,

Wenn der Beginn der Ansaugphase mit Trcibgasanwendung zurück- oder vorverlegt wird, führt dies gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in Gren/fällcn da/u, daß die Brennkraftmaschine bei geringer oder sehr geringer Lastenförderung ausschließlich mit der in reinen Ansaugphase und bei hoher oder sehr hoher Lastenförderung ausschließlich mit Trcibgasanwcnclung in Form einer Gasaiifladung betriebeti wird.

Das erfindungsgemaße Verfahren kann aber gemäß einer Weiterbildung der Erfindung auch so ausgeführt werden, daß der Treibstrahl von den Zylindern weg ge- : ichtet 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 .>u deiTreibsirahl gegen den Ansauggasstrom arbeitel.

|e weniger der Ansaiiggasimm bei einer bestimmten Lastenförderung gedrosselt wird, um so größer isl der durch die erfindungsgemaße Maßnahme er/ielbare Erfolg, der im wesentlichen in der Wirkungsgradverbesse- >^r> rung der Brennkraftmaschine im Teillastbereich liegt. Besonders bevorzugt ist diese An der Treibstrahlenwendung wenn der Ansauggasstrom überhaupt nicht gedrosselt wird, d h. das Befüllen der Zylinder während einer reinen Ansaugphase tmgedrosselt stattfinden kann jo und anschließend durch Treibstrahlanwcndung der Zylinder z.T. wieder entleert wird. Das Treibgas hat eine mehr oder minder große .Sperrwirkung auf das durch die Brennkraftmaschine in üblicher Weise angesaugte Gas, weshalb man diese Ausführung als Treibstrahlanwendung in Form einer Sperrströmung bezeichnet. Es wird aiso das Ausmaß der Trcibsirahianwenüung in Form einer Sperrströmung mit zunehmender Lastanlorderung an die Brennkraftmaschine verringert, das heißt, der Beginn der Ansaugphase mit überlagerter ^n Treibstrahlanordnung nachverlegt. Durch die letztgenannte Maßnahme kann auf sehr einfache Weise der höhere Gasbedarf der Brennkraftmaschine mit steigender Lastanforderung befriedigt werden, ohne daß die Stärke des Treibstrahls verändert werden muß. da eine Verkürzung der Übcrlagerungsphase automatisch einen höheren Befüllungsgrad der Zylinder der Brennkraftmaschine zur Folge hat. Bei hoher oder sehr hoher Lastanforderung wird die Brennkraftmaschine 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 Treibstrahlanwcndung während w> des Ansaugtaktes bei festliegender oder veränderlicher Treibsirahlstärke beeinflußt wird.

Für die Vorrichtung zum !Durchführen des in Rede stehenden Verfahrens wird bei einer als Treibstrahlapparal mit einer Gaseinlaßseite (Saugbereich), einer Gas- h5 auslaßseite (Diffusor) und einer Düse für Treibgas ausgebildeten Gasansaugeinrichtung und einem Gasverdichter die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein die Düse mit dem Gasverdichter verbindendes Ventil mit einer lastabhängig veränderlichen, bis zum Ende eines jeden Ansaugtaktcs reichenden Zeitspanne für den Gasdurchfluß.

Dadurch wird es möglich, bei jedem Ansaugtakt von einem vorbestimmten Zeitpunkt an durch Betätigung des Ventils Treibgas der Düse in dem Treibstrahlapparai zuzuführen.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist dem Treibsirahlapparat im Saugrohr eine Drosseleinrichtung vorgeschaltet. Somit wird das dem Treibstrahlapparai über seine Düse zugeführtc Treibgas ungcdrosseit dem Saugrohr der Brennkraftmaschine zugeführt. Damit stent die zum Verdichten des Treibgases aufgcbrachte Energie dem Füllungsvorgang der Brennkraftmaschine voll zur Verfugung. Es ist aber auch möglich, dem Trcibstrahlapparat und dem Gasverdichtcr insbesondere gemeinsam eine Drosseleinrichtung vorzuschaltcn. d. h.. der Treibstrahl saugt in Strömungsriehlung erst hinter der Drosselklappe Gas an. Somit ist auch dieser Gasstrom entsprechend der Laslanforderung an die Brennkraftmaschine geregelt.

Die als Treibstrahlapparat ausgebildete Gasansaugeinrichtung kann zentral für alle Zylinder einer Brennkraftmaschine benutzt werden. Es ist aber von besonderem Vorto'l. wenn jedem Zylinder der Brennkraftmaschine ein oigener 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 Drosscleinrichtung in dem Gasstrang, in dem der Gasverdichter angeordnet ist. ein Gemischbiidncr für die Herstellung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches vorgesehen ist. Dabei ist es möglich, den Gemischbildner in Gassirömungsrichtung sowohl vor als auch hinter dem Gasverdichtcr 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 zugeführtc 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 Trcibstrahlapparates id damit dieser Methode spürbar erhöht. Vor allem im Tcillastbcrcich 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 in der Düse des Treibstrahlapparates (Treibdüse) ein Krafistoffcinspritzventil untergebracht wird. In diesem Fall sitzt der Gemischbildner also direkt in der das Treibgas dem Trcibstrahlapparal zuleitenden Düse.

Je nachdem, ob eine Treibstrahlanwendung in Form einer Ciasaufiaüung oder einer Sperrströmung stattfinden soll, ist die Düse auf die Zylinder zu oder von innen weg gerichtet. Es ist aber auch denkbar, die Düse drehbar, insbesondere rotierbar einzubauen, so daß der

Treibstrahl in beiden Richtungen arbeiten k;inn. Hierbei würde durch Zwischenstellungen der Trcibsinihldu.se /wischen den Extrempositioncn eine Beeinflussung der Starke der Sperrwirkung bzw. der Aufladewirkimg des Trcibstrahls erreicht werden können. Das gleiche Ziel kann aber auch mit zwei gegeneinander gerichteten Düsen PMt wechselnder Trcibgas/uführung erreicht worden.

Bei einer Treibstrahlanwendung in Form einer Sperrströmung ist es gemäß einer Weiterbildung der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn dem Gasverdichlcr und dem Treibstrahlapparat gemeinsam ein Gasverteiler vorgeordnet ist. Auf diese Weise wird das Gas während der Treibstrahlanwendung im Kreislauf /wischen Treibstrahlapparat. Gasverteiler und Gasverdichter sowie Ventil und Treibstrahldüse geführt. Diese Lösung sollte aber wegen der sonst möglichen Gcmischübcrfettung nur bei Direkteinspritzern, wie Dieselmotoren, angewendet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

F i g. 2a ein Diagramm, in dem die der Brennkraftmaschine im Ansaugtakt bei Aufladung zugeführte Gasmenge in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkcl aufgetragen ist (für einen Zylinder):

F i g. 2b eine Darstellung der den einzelnen Kurven in F i g. 2a entsprechenden Drossclklappenstellungen;

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

F i g. 3b das Diagramm gemäß F i g. 3a jedoch gemäß der Erfindung — bei Aufladung;

F i g. 4 eine der F i g. 1 entsprechende Darstellung mit zusätzlichen Gemischbildncr — bei Aufladung;

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

Fig.6 eine Düse mit Kraftstoffeinspritzventil — bei Aufladung;

F i g. 7 ein der F i g. 2a entsprechendes Diagramm, jedoch bei Sperrströmung;

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

F i g. 9 ein Diagramm gemäß F i g. 8, jedoch für einen Otto-Motor.

In F i g. 1 ist mit I 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 /.. 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, nachgcschaltet 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 als Treibstrahiapparat 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 Gasauslaßscitc 9 besteht eine Strömungsverbindung zu den ebenfalls nicht dargestellten Einlaßventilen einer Brennkraftmaschine. Dabei im es generell möglich, die bei Brennkraftmaschinen übliche Drosselklappe bzw. eine ähnlich wirkende Vorrichtung dem Treibslrahlapparat 7 vor- oder ', naehzuschaltcn. Die eiste Version wird beim Aufladen bevorzugt, da auf diese Weise das von dem Gasverdichler 1 verdichtete Gas nachfolgend nicht wieder nutzlos abgedrosselt wird, sondern die so gespeicherte Energie dem Füllimg.svorgang ungemindcrt zur Verfügung in steht. Der dem Treibslrahlapparat 7 über einen Lei-Umgs/.ug I3u/b und seine Düse 10 von dem Gasverdichler I /ugeführte Gasstrom wird entsprechend seiner Wirkungsweise auch als Treibstrahl bezeichnet.

Der Betrieb der \orbeschriebencn Vorrichtung ist υ derart, daß durch den Treibstrahlapparat 7 während der vollen Lange eines jeden Ansaugtaktes der Brennkraftmaschine Gas. insbesondere Luft durch den von der Brennkraftmaschine erzeugten Unterdruck angesaugt wird. Ein ein/einer Ansaugiakt besteht einerseits /u-2(i nächst aus einer an sich bekannten reinen Ansaugphase von vorbestimmter Dauer, die maximal so lang ist wie der gesamte Ansaugtakl: wenn nicht dieser Grenzfall vorliegt, ist die vorbesiinimie Dauer der reinen Ansaugphase aber kürzer als die Gesamtdauer eines Ansaug-2^ri taktes, und es schließt sich sodann an diese reine Ansaugphase eine Ansaugphase mit überlagerter Hilfsgaszufuhr. also Treibstrahlanwendung an. Dies wird dadurch erreicht, daß das Ventil 5 geöffnet wird und das durch den Gasverdichter I verdichtete Gas. welches jo auch bereits im Gasspeicherbehälter 3 mit einem vorbestimmten Grenzdruck anstehen kann, als Treibstrahl durch die Düse 10 des Treibstrahlapparates 7 zugeführt wird. Das Ventil 5 bleibt dann bis zum Ende des jeweiligen Ansaugtaktes geöffnet. Im unteren Teillastbereich j^r> der Brennkraftmaschine entfällt die Treibstrahlanwendung in der Regel aber ganz, und das Ventil 5 bleibt so lange ständig, zumindest aber so gut wie geschlossen.

Da bei zunehmender Lastanforderung an die Brennkraftmaschine im Falle einer Treibslrahlanwendung in Form einer Aufladung deren Zunahme erwünscht isi und deshalb der Beginn der Ansaugphase mit Treibgasanwcndung vorverlegt wird, muß das Ventil 5 dementsprechend mit zunehmender Lastanforderung jeweils zu einem früheren Zeitpunkt in bezug auf den gesamten Ansaiigtiikt geöffnet oder weiter geöffnet werden (dies wird anhand der Fig. 2a und 2b noch näher erläutert werden); das bedeutei aber auch, daß bei maximaler Lastanforderung als Gren/fall das Ventil 5 jeweils während des gesamten Ansaugtaktes geöffnet sein kann, ■io Im Fülle einer Treibstrahlanwendung in Form einer Spcrrströmung wird demgegenüber bei zunehmender Lastanforderung an die Brennkraftmaschine der Beginn der Ansaugphasc mit Treibslrahlanwendung nachvcrlcgl. so daß das Ventil 5 — jetzt für eine Düse vom Zylinder fortweisend — dementsprechend mit zunehmender Lastanforderung jeweils zu einem späteren Zeitpunkt in bezug auf den gesamten Ansaugtakt geöffnet wird (dies wird anhand der F i g. 7 noch näher erläutert werden); das bedeutet aber auch, daß bei hoher w) oder sehr hoher Lastanforderung das Ventil 5 während des jeweils gesamten Ansaugtaktes geschlossen sein kann. Diese lastabhängige Änderung des Schaltzeitpunklcs oder Öffnungszustandes des Ventils 5 kann durch die Stellung des Fahrpcdals bzw. der Drosselklapb5 pe oder den Druck im Saugrohr der Brennkraftmaschine festgelegt werden. Eine Koppelung zwischen dem Fahrpcdal 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 zugefiihrtcn Gasstromes verdichtet werden muß und die Treibgasanwendung nicht in allen L.ist/uständen vonnölen ist. kann der Gasverdichicr 1 im Vergleich zu drn bisher bekannten Einrichtungen dieser An relativ klein ausgelegt werden. Weiterhin und durch die Einfügung eines Gasspeiclierbchältcrs 3 /wischen Ventil 3 und Gasverdichter 1 auch während der jeweils reinen Atmosphäre Ansaugphase das vcr- ι dichtete Gas gespeichert, so daß der Gasverdichier ununterbrochen arbeiten kann, aber keine Energie verloren geht. Bei Erreichen eines vorbestimmten Grcnzdruckes im Gasspeicherbehällcr 3 werden dem Ciasverdichter 1 ein oder mehrere Toiräume V\ in der Weise ι zugeschaltet, daß eine weitere Gasförderung in den Gasspeicherbehültcr 3. z. B. durch Vergrößerung des kolbcnraumes des Verdichters, unterbleibt, oder der O^:is^vcräich'.cr ! wird anders ;!b^iTeschii!ic!.

I" i g. 2a und 2b sollen das erfindungsgemiiße Verfallren in bc/ug auf eine Treibstrahlanwendiing in Form einer Aufladung noch besser veranschaulichen. In Cig. 2a ist der Gasmengenstrom ni₍. in Abhängigkeit muh Kurbelwellenwinkel ι/ für die Dauereines Ansaugt.iktes für einen einzelnen Zylinder aufgetragen. Die Zählung von (/beginnt beim oberen Totpunkt (OT) des betreffenden Zylinders mil 0 . Die mit einfachen Zahlen bezifferten ausgezogenen Kurven I, 2 und 4 geben jeweils die Gasströme wieder, die allein durch das normale Ansaugen von atmosphärischer Luft der Brennkraftmaschine zugeführt werden. Die Zahlen 3' bis 5' bezeichnen die strichpunktierten Linien, die die Gasströme des reinen Aufladegases darstellen. Schließlich bezeichnen die doppelt gestrichenen Zahlen 3" bis 5" die gestrichelten Linien, welche den gesamten Gasstrom der der Brennkraftmaschine bei einem Ansaugluft zugeführt wird, darstellen. Die Zahlen 1, 2 und 4 korrespondieren jeweils mit einer bestimmten Stellung der Drosselklappe 12(F ig. 2b. Zahlen I bis 5). \ i g. 2a ist zu entnehmen, daß mit zunehmender öffnung der Drosselklappe der Zeitpunkt des Beginns der Ansaugphase mit überlagerter Treibgasariwtralung vorverlegt wird. d. h. bei zunehmend kleinerem Winkel </ beginnt. Dabei gibt Kurve I z. B. die Situation im Leerlauf der Brennkraftmaschine wieder, wobei sich die reine Ansaiigphase über die gesamte Länge des jeweiligen Ansaugtaktes erstreckt. Auch bei Kurve 2. die z. B. für ilen unteren Teillastbereich gilt, erfolgt noch keine Gasaufladung. Die Drosselklappenstellung 3 gibt die Situation von etwa 7O"/o l.astanforderung wieder: hier beginnt die Gasaufladung mil einem Kurbelwellenwinkel ι/ von etwa 110". Bei Drosselklappensiellung4, die etwa 80' l.astanforderung entspricht, beginnt das Aufladen bereits bei einem Kurbelwellenwinkcl ι/ von etwa W und bei Vollast (Drosselklappenstellung 5) wird der Ansaugphasc während der Gesamtdauer des Ansaugtakies eine Gasaufladung überlagert. — Bei Trcibsirahlanwendung mit höher eingeregeltem Treibstrahldruck wären die ausgezogenen Kurven über ihre gesamte Länge um einen gewissen Betrag überhöht.

Das erfindungsgeniäße Verfahren verbessert die Effektivität der Gasaufladung. vor allem im häufig benutzten Teillastbereich einer Brennkraftmaschine. Dies wird aus den P-V-Diagrammen der Fig. 3a und ib deutlich Darin bedeuten OT= oberer Totpunkt, 1'T= unterer Totpunkt und P₁, = den Atmosphärendruck. In f"ig. 3;i sind drei Kurven eingezeichnet, die die Zustände bei einer Brennkraftmaschine mit reiner Gasansaugun;; verdeutlichen, und /war im Leerlauf, bei 50% Last und bei Vollast. Die oberen Kurventeile des Verdichtungsund 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 Treibstrahlanwendiing in Form einer Aufladung dargestellt. Ein Vergleich mit F i g. 3a zeigt, daß im Leerlauf und unteren Teillastbereich die Kurven identisch sind, während bei 80% (i Last einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Brennkraftmaschine bereits etwa die Vollastkurve aus F i g. 3a erreicht wird, und bei Vollast nach dem erfindiingsgcmäßen Verfahren die hierfür bekannte Leistungssteigerung gegenüber einer unaufgelade-Ί nen Brennkraftmaschine eintritt.

In F i g. 4 ist die erfindungsgemäßc Vorrichtung — für Trcibsirahlanwendung in Form einer Aufladung — mit einem Gemischbildncr Il ausgestattet: er ist in dem Cias>.!r:'.n" 2, 4:i/b. \3:i/b. '■"■ de::i der Gnsverdichier ! ;i) angeordnet ist. vorgesehen — und /war gemäß F i g. 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 dem Treibstrahlapparal 7 eine an sich bekannte Drosseleinrichtung (in F i g. 4 die Drosselklappe 12) vorgeschaltet ist. Wie sich aus Fig. 3 ergibt, kann der Gemischbildner 11 aber to auch an anderer Stelle im Ciasstrang 2,4;i/b. I3;i/b ange ordnet sein, insbesondere an einer Stelle stromauf des Gasvcrdichters 1 (Fig. 5). also zwischen Leitung 2 und Gasverdicliier 1. Auch hier ist wieder den — diesmal vier — Treibstrahlapparatcn. eine an sich bekannte j-, Drosseleinrichtung, wie die Drosselklappe 12. vorgeschaltet. Außerdem ist jedem Zylinder 14 (in Fi g. 5 nur schematisch dargestellt) der Brennkraftmaschine ein eigener Treibstrahlapparat 7 zugeordnet. Auf diese Weise brauchen die Ventile 5 nur mit einem Viertel der Fre-4i) qucn/ betätigt zu werden, die bei einem einzigen Treibstrahlapparat für alle Zylinder notwendig wä':. Nach der Ausführung gemäß F i g. 5 ist nichi nur den Gasansaugeinriehuingen 6. sondern auch dem Gasverdichter 1 eine Drosselklappe 12 vorgeschaltet, ■π Der Gemischbildiier 11 kann aber auch in Form eines Krafistoff-Einspriizventils 15 in der oder den Düsen für Treibgas untergebracht sein (Fig. b). Insgesamt wird also bei einer Brennkraftmaschine mit Gemischverdichtung in der crfindungsgcmäßen Art sowohl die in 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 Hinzufügcns 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 Mi Wirkungsgrades im Teillastbereich und eine Verkleinerung des Gasvcrdichters.

Bei Treibstrahlanwcndung in Form einer Sperrströmung wird die .Sperrströmung nach anfänglicher reiner Ansaugphasc ab einem vorbestimmten Zeitpunkt ir.neriy> ii.lb eines Ansaugtaktes — der einem bestimmten Kurbelwellenwinkcl qr entspricht — der Ansaugung durch die Brennkraftmaschine überlagert. Je nach Stärke der Spcrrströmung wird die weitere BcfüNuüg des betref-

fcnden Zylinders, trotz zunehiiu'nder Volumenvergrößerung, im Vergleich zu einer normalen Ansaiigiiiu', gemuli den· Stand der Technik verlangsamt und gegebenenfalls auf Null herabgesetzt, wie in F i g. 7 dirch die gestrichelten Linien und Hache /·'1 angedeutet. Hei hinreichend starker Sperrströmung, d. h. hoher Treibwirkung des Treibslrahles kann sogar ein Teil der anfänglichen Befüllung des betreffenden Zylinders durch Absaugen einer gewissen Gasmenge rückgängig gemacht werden (ausgezogene Linien in F i g. 7 sowie Fläche F2).

Die Wirkungen und Vorteile des letztgenannten Verfahrens werden anhand der F i g. 8 und 9 verdeutlicht; es handelt eich dabei um sogenannte Gaswechselkurvcn. wie sie schon in Fig. 3a und b im Ausschnitt gezeigt \^r< wurden. Die jeweils mit ;/ 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 Ar- :n beitstakt wieder. 3 entspricht dem Gasausstoß und 4 dem Ansaugtakt. In Fig.8. welche die Situation einer Diesel-Brcnnkraftmaschine darstellt, endet die reine Ansaugphase im Punkt A. Durch die Treibstrahlanwcndung während der sich anschließenden Ansaugphase r, 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 nus ein geringerer Enddruck am Ende der Kompressionsphase erreicht wird. Mithin so findet auch der Arbeitstakt insgesamt auf einem etwas geringeren Druckniveau statt als gemäß dem Stand der Technik. Hierdurch wird bekanntlich der Energieverlusi der Brennkraftmaschine vermindert, wie dies aus dem rechten Teil von Fi g. 8 zu ersehen ist, und somit insge- r> samt der Wirkungsgrad im Teillastbereich erhöht. Dadurch wird weiterhin der Vorteil erreicht, daß der Stickoxirfgehalt im Abgas infolge der Verminderung überschüssiger Luftmassen und dadurch bedingter Verminderung der Reaktionstemperatur abnimmt, so daß sich -to weitere Maßnahmen zur Verminderung des Stickoxidgehaltes im Abgas erübrigen.

In Fig.9 bezeichnet die ausgezogene Linie eine Situation imTeillastbercich einer Olto-Brcnnkraftmaschine, bei der in üblicher Weise das Ansauggas abgedros- v, seit 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 Arbcits- <;i> fläche 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 Vi wird, daß von einem vorbesiimmten Zeitpunkt an (hier wieder mit A bezeichnet) durch die überlagerte Treibstrahlanwendung die Bcfüllungsmenge des Zylinders begrenzt wird. Auf diese Weise wird die erwähnte negative Arbeitsfläche im Teillastbereich ähnlich klein wie wi dies bei Vollast der Fall ist, wodurch sich der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine entsprechend erhöht. Nach Einsetzen der Ansaugphase mit Treibgasanwendung (im Punkte A) wird — wie bereits in F i g. 8 gezeigt — der Druck im Zylinder auch hier erniedrigt, so daß bei tvi einem gleich niedrigen oder noch niedrigeren Enddruck der Ansaugphase der Kompressionstakt beginnen kann, ohne daß die negative Arbeitsfläche so groß ist w>r im TeillaMbereieh nach dem Stand der Technik. Auch in diesem Fall liilirt cmc Verschiebung der Driickkurven für den Koinpicssionstakl und i\a\ Arbeitstakt zu kleineren Drücken hin und somit zu einer Verminderung lies Energie ve rlust es.

Aus !' i g. H ergibt sich also, dal.S i'.'x Verluste des Die selpro/esses dein Slam! der Technik gleich cmspiv cliend der Stimme der Flüchen 1. II. Ill und V die Yerhi ste entsprechend der Erfindung gleich der Summe der Flächen I, III und IV sind; und ans F i g. 8 ergibt sich, dall die Verluste ties Oitopio/esses nach dem Stand der Technik gleich der Summe der Flächen III. IV. I und V und die Verluste nach der Erfindung gleich ;ler Summe der !'lachen IV und I vermindert um Il sind.

Hierzu 8 Blau Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Befüllen der Zylinder von Brennkraftmaschinen, mit einem Gasansaugsystem für eine Hauptgaszufuhr und einem in diesem vorgesehenen Treibstrahiapparat für eine Hilfsgas/.ufuhr mit einem jeweils in Abhängigkeit von der Lastanforderung an die Brennkraftmaschine geregelten, auf die Strömungsrichiung der Hauptgaüzufuhr ausgerichteten Treibstrahl, bei dem jeweils während des Ansaugtaktes der Brennkraftmaschine nach einer bestimmten Dauer einer reinen Ansaugphase eine Ansaugphase mit überlagerter Hilfsgas/.ufuhr als Treibstrahlanwendung angeschlossen wird und eine r> Abhängigkeit zwischen Lastanforderung und Dauer der reinen Ansaugphase besieht, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der reinen Ansaugphase jeweils in Abhängigkeit von der I^isluhforderung verä ^dert wird und die Treibstrahlanwen- Λ,.η*, ...οΚ,-ηη.Ί Ar*w DAil/J'iiiar ,loc Λ net > irr t ■> j/t/>t t\r,

folgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstrahldruck vorbcstimnii wird. 2¹J

3. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibstrahlanwcndung durch die Stellung des Fahrpedals der Brennkraftmaschine gesteuert wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der An- so Sprüche 1 oder "!. dadurch gekennzeichnet, daß die Treibstrahlanwendung durch den Druck im Saugrohr der Brennkraftmaschine gesteuert wird.

5. Verfahren nach einem oder rrshrcrcn der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß in Zeiträumen ohne Treibstrahlanwcndung das Treibgas gespeichert wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Treibsirahl auf die Zylinder zu gerichtet ist. -ίο

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausmaß der Treibsirahlanwendung mit zunehmender Lastanforderung an die Brennkraftmaschine verstärkt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7. dadurch ge- -r, kennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine bei geringer Lastanforderung ausschließlich in reiner Ansaugphase und bei hoher Lastenförderung ausschließlich unter Treibstrahlanwendung betrieben wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstrahl von den Zylindern weg gerichtet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausmaß der Trcibstrahlanwcn- v> dung mit zunehmender Lastanforderung an die Brennkraftmaschine verringert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10. dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine bei hoher Lastenförderung ausschließlich in reiner An- mi saugphase betrieben wird.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis II, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Bcfüllimg der Zylinder ausschließlich ülier das Ausmaß dei I reibsinihlanwendung erfolgt, bi

IJ. Vorrichtung zum Durchfühlen des Verfahrens nach Anspruch I, mit einer als Treibstrahiapparat (7) mit einer Gascinliißsciti' (H). einer (iasaiisliißsciic (9) und einer Düse (10) für Treibgas ausgebildeten Gasansaugeinrichtung (6) und einem Gasverdichter (1), gekennzeichnet durch ein die Düse (10) mit dem Gasverdichlcr (1) verbindendes Ventil (5) mit einer lastabhängig veränderlichen, bis zum Ende eines jeden Ansaugtaktes reichenden Zeitspanne für den Gasdurchfluß.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß dem Treibstrahiapparat (7_? im Saugrohr eine Drosseleinrichtung (12) vorgeschaltet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13. dadurch gekennzeichnet, daß dem Treibslrahlapparat (7) und dem Gasverdichter (1) eine Drosscleinrichtur.g (12) .-orgeschaltct ist.

Ib. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 15, gekennzeichnet durch einen Gasspeicherbchälter (3) zwischen dem Ventil (5) und dem Gasvcrdichter(l).

!7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche !3 bis !6, gekennzeichnet durch mindestens einen dem Gasverdichter (1) zugeordneten Totraum (Vj).

18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Zylinder (14) der Brennkraftmaschine ein Trcibstrahlapparat (?) zugeordnet ist.

19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gasstrang (2, 4a. 4b. 13<i, 13b/ in dem der Gasverdichter (I) angeordnet ist. ein Gemischbildner (11) für die Herstellung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches vorgesehen ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch ein in der Düse (JO) angeordnetes Kraftsloff-Kinspril/.vcntil(15).

21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (10) auf die Zylinder (14) zt. gerichtet ist.

22. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (10) von den Zylindern (14) weg gerichtet ist.