DE3318162A1

DE3318162A1 - Verfahren zum betrieb einer verbrennungskraftmaschine und verbrennungskraftmaschine zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3318162A1
Application number: DE19833318162
Authority: DE
Inventors: Oskar Dr.-Ing. 8035 Gauting Schatz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-05-18
Filing date: 1983-05-18
Publication date: 1984-11-22

Description

Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine und Verbrennungskraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennnngskraftmaschine, die mit einem durch Abgasenergie betreibbaren Lader zur Verdichtung und Förderung der Ladeluft versehen ist, und eine Verbrennungskraftmaschine dieser Art zur Durchführung des Verfahrens. 10

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Hubkolbenmotoren für Kraftfahrzeuge.

Bei der Aufladung von Dieselmotoren, wofür heute fast ausschließlich Abgasturbolader verwendet werden, ergeben sich drei markante Betriebsbereiche:

Bereich niedriger Drehzahlen, wobei der Abgasturbolader zu wenig Luft fördert,

ein mittlerer Bereich, bei dem Luftbedarf und -angebot etwa ausgeglichen sind und Bereich hoher Drehzahlen, bei denen das Luftangebot zu hoch ist und deshalb Luft oder Abgase abgeblasen werden.

Außerdem besteht das Problem, daß bei plötzlicher Lastzunähme der Abgasturbolader mehrere Sekunden - bis zu 7 und 8 Sekunden bei PKW-Motoren - braucht, um den erforderlichen Ladedruck aufzubauen. Außerdem haben abgasturbogeladene Dieselmotoren in der Regel ein niedrigeres Verdichtungsverhäirtrrirs" als· Saugmotoren, um die Verdichtiingsenddrücke bei Aufladung auf einem akzeptablen Niveau zu halten. Dadurch ergeben sich beim Start dieser

Motoren Schwierigkeiten, weil die Verdichtungsenddrücke im nicht aufgeladenen Zustand niedrig sind und die erforderliche Zündtemperatur nur schwer bereitgestellt werden kann. Hierzu sind Starthilfen für den Motor erforderlich.

Es ist weiterhin bekannt, daß" insbesondere bei PKW- ■ ~ und stationären Motoren der hohe Anteil an Verlustenergie in den Abgasen dadurch genutzt wird, daß die Abgase in einer Turbine entspannt werden und diese Energie der Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird, bzw. zum Antrieb von Hilfsarbeitsvorrichtungen genutzt wird. Die Rückgewinnung von arbeitsfähiger Energie für kleine Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere PKW-Antriebe, ist bisher aus Kostengründen unterblieben.

Verwendet man mechanische Lader zur Aufladung von Dieselmotoren, so wird bei der niedrigen Motordrehzahl der erforderliche Luftbedarf gedeckt, bei mittleren und hohen Motordrehzahlen ist aber das Angebot an Luft zu hoch. Insgesamt ist von Nachteil, daß die Leistung für den Antrieb des Laders der Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine entnommen werden muß. Abhilfe wird hier dadurch geschaffen, daß entweder der mechanische Lader bei mittleren und höheren Drehzahlen ausgeschlatet wird durch eine Kupplung, oder daß ein Getriebe zur Änderung der Übersetzung vorgesehen wird.

Bei Ottomotoren ist die Situation ähnlich, lediglich daß hier die Startschwierigkeiten beim abgasturbogeladenen Motor entfallen. Realisierte Maßnahmen zur Rückgewinnung von Wellenenergie für Personenkraftwagen sind bisher nicht bekannt geworden.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß für die Aufladung von Verbrennungsmotoren das Angebot an Abgasenergie bei niedrigen Drehzahlen zu gering und bei hohen Drehzahlen zu hoch ist. Will man statt eines mit Abgasenergie betriebenen Laders einen mechanischen Lader verwenden, der auch bei niedrigen Drehzahlen die benötigte Laderenergie liefert, so muß dafür Wellenenergie eingesetzt werden, insbesondere auch bei hohen Drehzahlen, wo die Leistung u.U. gar nicht mehr gefordert ist. Die Verbesserung der Leistungsbilanz durch Wiedergewinnung arbeitsfähiger Energie aus der Abgasenergie ist mit bekannten Vorrichtungen zu teuer, insbesondere bei Kraftfahrzeugen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kosten- und verbrauchsgünstige und zugleich wirkungsvolle Lösung für den Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere kleiner Kraftfahrzeugmotoren, mit Aufladung zu schaffen, wobei zugleich die Rückgewinnung arbeitsfähiger Energie aus den Abgasen ermöglicht werden soll.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei dem eingangs erwähnten Verfahren darin, daß bei unter der erforder-

lichen Laderenergie liegender Abgasenergie mechanische Energie von der Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine auf den Lader und von diesem auf die Ladeluft übertragen wird, daß bei einem für die erforderliche Laderleistung ausreichenden Aufkommen an Abgasenergie die Laderenergie der Abgasenergie entnommen wird und daß bei einem die erforderliche Laderenergie übersteigenden Aufkommen an Abgasenergie Abgasenergie auf die Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine übertragen wird.

Mit diesem Verfahren kann auf kostengünstige Weise mit einem einzigen Gerät, das seine Antriebsenergie sowohl der Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine als auch dem Abgas dieser Verbrennungskraftmaschine entnehmen kann, sowohl über den Ladeluftauslaß die Ladung der Verbrennungskraftmaschine bewirkt, als auch Abgasenergie auf die Abtriebswelle übertragen werden. Es finden also beide Funktionen, Aufladen und Enspannen, in ein und demselben Gerät statt, wobei die einzelnen Betriebsweisen gegebenenfalls stufenlos ineinander übergehen können, weil z.B. im Laderbetrieb der Abtriebswalle der Verbrennungskraftmaschine nur soviel Energie entzogen werden muß, daß das Energiedefizit des Abgases etwa bei niedrigen Drehzahlen ausgeglichen wird.

Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung besteht darin, daß bei fehlendem Bedarf an Laderenergie die Ladeluftseite des Laders wirkungs- und drucklos gemacht und die anfallende Abgasenergie auf die Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine übertragen wird.

Um das Verfahren mit Erfolg durchführen zu können, ist erfindungsgemäß eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art so ausgestaltet, daß der Lader mindestens jeweils eine Abgaskammer und ein Ladeluftkammer aufweist, die durch eine bewegliche Trennwand voneinander getrennt sind, daß die Abgaskammer mit einem Abgaseinlaß und einem Abgasäuslaß, die Ladeluftkammer mit einem Ladelufteinlaß und einem Ladeluftauslaß versehen ist, daß*de.m Abgaseinlaß eine Einrichtung zur taktweisen Beaufschlagung der Abgaskammer mit Abgas zugeordnet ist und daß die Trennwand durch eine zur Kraftübertragung in beiden Richtungen geeignete Kraftübertragungseinrichtung mit der Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine verbunden ist, wobei die Kraftübertragungseinrichtung vorzugsweise z.B. durch eine Kupplung unterbrechbar ist.

Die Einrichtung zur taktweisen Beaufschlagung der Abgaskammer kann das Auslaßventil bzw. können die Auslaßventile der Verbrennungskraftmaschine sein. Man kann aber auch ein Taktgeberventil vorsehen, wobei diesem Taktgeberventil dann ein Abgassammler bzw. -puffer vorgeschlatet werden kann.

Vorzugsweise wird die Trennwand als sehr flacher Kolben mit entsprechend kurzem Hub ausgebildet, der außerhalb des Laders hin- und hergehend beweglich geführt ist, so daß der Kolben berührungsfrei im Lader bewegbar sein kann. Eine- solche Konstruktion ist sehr prei-swert, weil der Kolben als Blechteil ausgeführt werden kann; Reibungskräfte innerhalb des Laders treten nicht auf; der Kolbenhub kann im Vergleich zum Durchmesser extrem kurz gestaltet werden, so daß sehr geringe Geschwindigkeiten und entsprechend geringe Massenkräfte auftreten, insbesondere unter Berück-

sichtigung des geringen Kolbengewichts, bedingt durch die mögliche Blechkonstruktion. Sofern eine absolute Trennung zwischen Abgas und Ladeluft erwünscht ist, besteht auch die Möglichkeit, als Trennwand eine Membran zu verwenden, oder den Kolben gegen die Wandung des Laders durch einen Faltenbalg oder dergl. abzudichten.

Für eine Laderbetriebsweise mit besonders geringem Arbeitsaufwand besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung darin, daß das Luftfördervolumen des Laders der im zu ladenden Motorzylinder gewünschten Ladeluftmenge entspricht. Noch weiter läßt sich der Arbeitsaufwand senken, wenn nach einer anderen vorteilhaften Konstruktion das Luftfördervolumen des Laders der im zu ladenden Motorzylinder zusätzlich zu einer vom Motorkolben angesaugten Luftmenge zu deren Verdichtung auf den Ladedruck gewünschten Luftmenge entspricht.

Anhand der nun folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung wird diese näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt schematisch in Verbindung mit einem Schnitt durch einen Entspanner-Lader die Anordnung dieses Entspanner-Laders an einer Verbrennungskraftmaschine.

Der insgesamt mit 10 bezeichnete Lader-Entspanner besteht aus einem Gehäuse 12, welches eine Laderkammer umschließt, in der hin- und hergehend beweglich eine Trennwand 16 in Form eines flachen Kolbens angeordnet ist, die den Innenraum der Laderkammer 14 in eine

Abgaskammer 18 und eine Ladeluftkammer 20 unterteilt. Die Abgaskammer 18 ist mit einem Abgaseinlaß 22 und einem Abgasauslaß 24, die Ladeluftkammer 20 mit einem Ladelufteinlaß 26 und einem Ladeluftauslaß 28 versehen. Die Trennwand 16 ist mit einem Schaft 30 fest verbunden, der außerhalb der Laderkammer 14 in zwei Führungen 32 und 34 axial verschieblich gefüfirt ist. Der Schaft 30 ist an einen Kurbeltrieb 36 angeschlossen, der geeignet ist, von der schematisch dargestellten Abtriebswelle 38 der Verbrennungskraftmaschine 40, gegebenenfalls über ein zwischengeschaltetes Getriebe 42 und/oder eine Kupplung 44 Energie auf die Trennwand 16 zu deren Betätigung zu übertragen. Die Antriebsverbindung 36, 42, 44 ist so ausgestaltet, daß sie sich auch dazu eignet, Antriebsenergie in entgegengesetzter Richtung, also von der Trennwand 16 auf die Abtriebswelle 38 zu übertragen.

Der Abgaseinlaß 22 steht mit der Abgasseite der Verbrennungskraftmaschine 40 über ein schematisch angedeutetes Abgassystem 46 in Verbindung, das entweder durch die unmittelbare Wirkung der Abgasauslaßventile der Zylinder der Verbrennungskraftmaschine 40 oder unter Zwischenschaltung eines AbgasSammlers bzw. -puffers 48 und eines Taktgeberventils 50 die Abgaskammer 18 mit Abgasimpulsen versorgt, die geeignet sind, die Trennwand 16 in Richtung auf die Ladeluftseite der Laderkammer 14 zu bewegen und dadurch die vorher in die Ladeluftkammer 20 angesaugte Ladeluft durch den Ladeluftauslaß 28 in Richtung auf das Ladeluftsystem 52 der Verbrennungskraftmaschine auszuschieben und in den bzw. die Zylinder der Verbrennungskraftmaschine mit offenem Einlaßventil einzuschieben, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines

Ladeluftsammlers bzw. -puffers. Das Ladeluftsystem kann auch gegen die Ladeluftkammer 20 durch eine Rückschlagklappe verschließbar sein, wenn das Einlaßventil an der Verbrennungskraftmaschine 40 nicht in tolerierbarer Nähe liegt, um den Schadraum des Verdichterbereichs des Lader-Entspanners 10 gering zu halten. Je nach den betrieblichen Gegebenheiten, der Zahl und der Anordnung der Zylinder der Verbrennungskraftmaschine, der räumlichen Anordnung des Lader-Entspanners 10 oder gegebenenfalls auch mehrerer Lader-Entspanner u.s.w. können Abwandlungen im Abgas- und Ladeluftsystem vorteilhaft oder notwendig sein, die im Zusammenhang mit dem Grundgedanken der Erfindung nicht näher erörtert werden müssen. Zwei Betriebsweisen seien aber kurz erwähnt, die einen besonders geringen Arbeitsaufwand für den Laderbetrieb ermöglichen.

Man kann nach einer ersten Variante in den zu ladenden Zylinder die Luft ab Einlaßbeginn mit atmosphärischem Druck einströmen lassen und den Druck durch den Entspanner-Lader 10 bis zum Einlaßende allmählich bis auf den gewünschten Enddruck erhöhen. Für diese Betriebsweise ist der Entspanner-Lader 10 so dimensioniert, daß das Luftfördervolumen der im zu ladenden Zylinder der Verbrennungskraftmaschine gewünschten Ladeluftmenge entspricht.

Nach einer zweiten Variante wird die zusätzlich zur angesaugten Luft in den Zylinder der Verbrennungskraftmaschine einzubringende Luft während der Kolbenbewegung des Motorzylinders im Bereich des unteren Totpunkts

beim Übergang vom Saug- zum Verdichtungshub in den Zylinder eingebracht. Für diese Betriebsweise entspricht das Luftfördervolumen des Entspanner-Laders 10 der im zu ladenden Motorzylinder zusätzlich zu einer vom Motorkolben angesaugten Luftmenge zu deren Verdichtung auf den Ladedruck gewünschten Luftmenge.

Nach dem Verdichtungshub der Trennwand 16 wird diese durch den sich aufbauenden Gegendruck zurückbewegt und das Abgas wird aus der Abgaskammer 18 durch den Abgasauslaß 24 in das Auspuffsystem der Verbrennungskraftmaschine 40 ausgeschoben.

Statt des in der Zeichnung gezeigten und vorstehend kurz beschriebenen Kurbeltriebs 36 können andere Einrichtungen zur Kraftübertragung¹ auf mechanischem oder z.B. auch hydraulischem Wege verwendet werden.

Wird eine so ausgestaltete Verbrennungskraftmaschine 40 betrieben, so wird vom Start weg die Verbrennungskraftmaschine mit einer der Drehzahl proportionalen Ladeluftmenge versorgt, wobei sich der Ladedruck nahezu unabhängig von der Drehzahl einstellt. Beim Start der Verbrennungskraftmaschine und bei niedrigen Drehzahlen wirkt der Entspanner-Lader 10 wie ein mechanischer Lader. Vorhandene Abgasenergie kann zwar unterstützend wirksam werden, doch ist sie praktisch so gering, daß im wesentlichen die gesamte Antriebsleistung des Verdichterteils von der Abtriebswelle 38 der Verbrennungskraftmaschine 40 über den Kurbeltrieb 36 zugefürht wird. Im mittleren Drehzahlbereich der Verbrennungskraft-

maschine steigt die Abgasenergie so weit an, daß sie ausreicht, die Verdichterleistung zu decken. Würde man in dieser Betriebssituation den Entspanner-Lader 10 von der Abtriebswelle 36 der Verbrennungskraftmaschine 40 abkuppeln, so würde der Entspanner-Lader 10 wie ein Abgaslader weiterlaufen, d.h. die Druckimpulse des Abgases würden wechselseitig mit den Luftkräften den Kolben bzw. die Trennwand 16 hin- und herbewegen und dadurch die Aufladung der Verbrennungskraftmaschine 40 bewirken.

Bei höherer Drehzahl und Belastung des Motors übersteigt die Abgasenergie das für die Verdichtung und AusSchiebung der Ladeluft erforderliche Maß. Diese Energie wird nunmehr vom Entspanner-Lader 10 über den Kurbeltrieb 36 an die Abtriebswelle 38 der Verbrennungskraftmaschine 40 übertragen. Dadurch steigt die Nettoleistung des Motors und der Wirkungsgrad verbessert sich entsprechend. Entfällt in bestimmten Betriebssituationen der Wünsch nach Aufladung, was insbesondere bei Ottomotoren der Fall ist, dann kann die Verdichterfunktion beispielsweise durch Offenhalten eines Verdichterventils abgeschaltet werden, die Verdichterseite des Entspanner-Laders 10 also druck- und wirkungslos gemacht werden und der Entspanner-Lader 10 nur noch als Entspanner betrieben werden, d.h. zur Rückgewinnung von Arbeit aus der Abgasenergie.

Der Entspanner-Lader 10 kann also die Wirkungsweisen eines mechanischen Laders, eines Abgasladers und eines Abgas entspanners übernehmen und diese Funktionen stufenlos von einem Extrem zum anderen durchführen. Der Betrieb

vom mechanischen Aufladen über Abgasaufladung bis zum überwiegen der Abgasentspannung über die Laderfunktion kann hierbei ohne zusätzliche Regeleinrichtungen geschehen. Voraussetzung ist allerdings, daß die Abgaszuführung derat pulsierend erfolgt, daß jeweils beim Abwärtshub des Entspanner-Laders der Abgasdruck in der Abgaskammer 18 höher ist als beim Aufwärtshub. Dies wird dadurch sichergestellt, daß die natürlichen Druckstöße beim Öffnen des Auslaßventils eines Zylinders der Verbrennungskraftmaschine 40 im rechten Augenblick, also zu Beginn des Abwärtshubs des Entspanner-Laders 10 in der Abgaskammer 18 eintreffen, oder daß die bereits kurz beschriebene Taktsteuerung durch ein Taktgeberventil 50 durchgeführt wird.

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HELMUT LAMPRECHT

PATENTANWALT

PROFESSIONAL REPRESENTATIVE BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE CORNELIUSSTR. 42· D-8OOO MÜNCHEN 5 ■ TEL. 089/2 O1 48 67 · TELEX 5 28425

3294-95

Dr.-Ing. Oskar Schatz Waldpromenade 16
8035 Gauting

Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine und Verbrennungskraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens.

Ansprüche:

Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine, die mit einem durch Abgasenergie betreibbaren Lader zur Verdichtung und Förderung der Ladeluft versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei unter der erforderlichen Laderenergie liegender Abgasenergie mechanische Energie von der Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine auf den Lader und von diesem auf die Ladeluft übertragen wird, daß bei einem für die erforderliche Laderleistung ausreichenden Aufkommen an Abgasenergie die Laderenergie der Abgasenergie entnommen wird und daß bei einem die erforderliche Laderenergie übersteigenden Aufkommen an Abgasenergie Abgasenergie auf

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die Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine übertragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei fehlendem Bedarf an Laderenergie die Ladeluftseite des Laders wirkungs- und drucklos gemacht und die anfallende Abgasenergie auf die Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine übertragen wird.
3. Verbrennungskraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, mit einem durch Abgasenergie betreibbaren Lader zur Verdichtung und Förderung der Ladeluft, dadurch gekennzeichnet, daß der Lader (10) mindestens jeweils eine Abgaskammer

(18) und eine Ladeluftkammer (20) aufweist, die durch eine bewegliche . Trennwand (16) voneinander getrennt sind, daß die Abgaskammer (18) mit einem Abgaseinlaß (22) und einem Abgasauslaß (24), die Ladeluftkammer (20) mit einem Ladelufteinlaß (26) und einem Ladeluftauslaß (28) versehen ist, daß dem Abgaseinlaß (22) eine Einrichtung zur taktweisen Beaufschlagung der Abgaskammer (18) mit Abgas zugeordnet ist und daß die Trennwand (16) durch eine zur Kraftübertragung in beiden Richtungen geeignete Kraftübertragungseinrichtung (30, 36, 42, 44) mit der Abtriebswelle (38) der Verbrennungskraftmaschine verbunden ist.
4. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragungseinrichtung (30, 36, 42, 44) unterbrechbar ist.
5. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet., daß als Einrichtung zur taktweisen Beaufschlagung der Abgaskammer (18) das Auslaßventil bzw. die Auslaßventile der Verbrennungskraftmaschine (40) dienen.
6. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtung zur taktweisen Beaufschlagung der Abgaskammer

(18) ein Taktgeberventil (50) dient.
7. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Taktgeberventil (50) ein Abgassammler (48) vorgeschaltet ist.
8. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (16) als sehr flacher Kolben ausgebildet ist, der außerhalb des Laders (10) hin- und hergehend beweg-

lieh geführt ist.
9. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (16) unter Bildung eines geringen Spalts einen Abstand von der

Wandung der Innenwandung des Laders (10) einhält.
10. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Luft-· fördervoiumen des Laders (10) der im zu ladenden Motorzylinder gewünschten Ladeluftmenge entspricht.
11. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftfördervolumen des Laders (10) der im zu ladenden Motorzylinder zusätzlich zu einer vom Motorkolben angesaugten Luftmenge zu deren Verdichtung auf den Ladedruck gewünschten Luftmenge entspricht.