DE3428681A1

DE3428681A1 - Verfahren zur steuerung des zylinderdrucks und der fremdenergiefreien zuendung bei brennkraft-kolbenmaschinen, insbesondere bei otto-, diesel- und vielstoffmotoren

Info

Publication number: DE3428681A1
Application number: DE19843428681
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl.-Ing.(FH) 7406 Mössingen Hutzenlaub
Original assignee: HUTZENLAUB HEINZ DIPL ING FH
Current assignee: HUTZENLAUB HEINZ DIPL ING FH
Priority date: 1984-08-03
Filing date: 1984-08-03
Publication date: 1984-12-20

Description

HHP 5-847

Druck- "bzw. Grasüberströmverfahren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, welches ermöglicht, bei herkömmlichen Brennkraft-Kolbenmaschinen, insbesondere toei Otto-, Diesel- und Vielstoffmotoren das Verdichtungsverhältnis zu erhöhen.

Brennkraft-Kolbenmaschinen der unterschiedlichsten Bauarten, von denen die bekanntesten Otto- und Dieselmotoren sind, übernehmen vielfältige Antriebsaufgab;en. Insbesondere sind sie in Kraftfahrzeuge, Schienenfahrzeuge, Schiffe, Flugzeuge, Kompressoren, Pumpen usw. eingeTfcaut.

Die bestehenden Ausführungen von Irennkraft-Kolbenmaschinen sind grundsätzlich bekannt. Ihr relativ hoher Entwicklungsstand ist teilweise technisches Allgemeingut. Hinreichend bekannt sind auch ihre im Punktionsprinzip und der Bauart begründete Vor- und Nachteile.

Brennkraft-Kolbenmaschinen, insbesondere Otto- und Dieselmotoren, können prinzipbedingt nur ca. 35 - 40 $ der ihnen mit dem Kraftstoff zugeführten Energie in nutzbare Antriebsenergie umsetzen. Unter diesem Gesichtspunkt sind geringe Wirkungsgradverbesserungen mit hohem Entwicklungsaufwand verbunden und finden daher bereits kleine Fortschritte, starke Beachtung und hohe Anerkennung. An vielen Details wird weltweit intensiv und mit hohem Kostenaufwand entwickelt. Auch der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad und damit die Wirtschaftlichkeit zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Verfahren gefunden wurde, welches ermöglicht, das Verdichtungsverhältnis als bedeutenden Parameter für den Wirkungsgrad von Brennkraft-Kolbenmaschinen zu erhöhen. Dabei muß bereits an dieser Stelle eingeräumt werden, daß mit der vorliegenden Erfindung nur eine Problemlösung im Prinzip angeboten wird und bis zur Realisierung noch mehr oder weniger Entwicklungsaufwand erforderlich ist.

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Bei Brennkraftkolbenmaschine]! kann durch Erhöhung der Verdichtung der Verbrennungsspitzendruck und der Mitteldruek erhöht und dadurch der Wirkungsgrad verbessert werden. Die gegenwärtig üblichen Verdichtungswerte bei Diesel- und Ottomotoren können wegen der entsprechenden Verbrennungsspitzendrücke bzw. deren negativen Fegleiterscheinungen bislange nicht weiter erhöht werden. Diese sind sehr lautes Verbrennungsgeräusch beim Dieselmotor, klopfende Verbrennung beim Ottomotor und bei Uceiden hohe thermische und mechanische Bauteilebelastung sowie die Zunahme gewisser schädlicher Abgasbestandteile.

Eine Erhöhung der Verdichtung ist allerdings möglich, wenn es gleichzeitig gelingt, den Verbrennungsdruckanstieg unter Kontrolle zu halten.

In prinzipiell einfacher Weise geschieht dies dadurch, daß man aus einem verdichtenden oder bereits gezündeten Zylinder Luft, (Femisch oder brennende Gase entweichen läßt, um damit den Druckverlauf zu Iteeinflussen bzw. die maximale Druckhöhe zu "begrenzen.

Die aus einem jeweiligen Zylinder entweichende Druckenergie muß aber weitgehendst verlustfrei genutzt werden können. Die Erfindung sieht daher vor, aus einem augenblicklich betrachteten, sich in der Endphase des Verdichtungshubs befindlichen Zylinder 1 , zu einem gewünschten Zeitpunkt und "bei einer vorbestimmten Druckhöhe mittels eines Überströmventils in beispielsweise einen direkt daneben befindlichen Zylinder 2 Druck überströmen zu lassen. Bei Beginn, des Überström-Vvorgangs aus Zylinder 1 befindet sich Zylinder 2 in einem Stadium seines Expansionstaktes, in dem Druckaufnahme möglich ist. Er expandiert mit erhöhtem Druck nachgeladen weiter. Nach Beendigung des Überströmvorgangs leistet auch Zylinder bzw. Kolben 1 Expansionsarbeit.

Dies setzt voraus, daß die Zylinder direkt nacheinander zünden und die Zünd- bzw. Kurbelwinkelabstände in für das Verfahren geeigneter optimaler Weise festgelegt sind. Daraus ergibt sich eine gegenüber herkömmlichen Motoren fortlaufende

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Zündfolge und entsprechende Kurlaelwellenkonstruktionen und Nockenwellenkonstruktionen. Dies betrifft jedoch nur die Winkellage der Kurbelzapfen und der Nockenpaare zueinander, wodurch keine zusätzlichen Probleme für die Herstellung entstehen.

Die Steuerung des Überströmventils kann in einfachster Weise durch den Zylinderdruck selbst, aber auch mechanisch von einer Nockenwelle aus oder elektromechanisch erfolgen. Das Ventil kann als Teller- / Kegelventil oder als Schieber (geringere Drosselverluste) ausgebildet sein. Eine variable IaKt- und drehzahlaMiängige Steuerung ist ebenfalls denkbar. Mindestens zwei Zylinder sind erforderlich, jedoch können auch mehrere Zylinder mitbeaufschlagt werden, indem man das Überströmventil zwischen Zylinder 2 und weiteren entsprechend steuert. Bei einer 2- oder mehrzylindrigen Bauweise muß der zuerst gezündete Zylinder normal verdichtet sein. Nur der zweite und weitere Zylinder dürfen hoch verdichtet sein. Wird eine genügend große Anzahl Zylinder für einen Motor gewählt, so können alle Zylinder hoch verdichtet sein. Ein Überströmen kann dann von einem zum anderen Zylinder fortlaufend bzw. umlaufend von z.B. Zylinder 1 bis 8 und von dort wieder zu Zylinder 1 usw. erfolgen. Die Zylinder müssen dazu aber so angeordnet sein, daß keine ungleiche Überströmkanallängen bzw. -Volumen entstehen, z.B. ringförmig.

Das beschriebene, erfindungsgemäße Druck- bzw. Gasuberströmverfahren bewirkt neben einer Erhöhung des Wirkungsgrades ävcch Steigerung des Verdichtungsverhältnisses bei Vermeidung bzw. Umgehung von Druckerhöhungshindernissen auch einen flacheren Mitteldruck- bzw. Drehmomentverlauf bei hohem Gesamtniveau. Durch den sich hierbei ergebenden, elastischeren Gesamtcharakter eines Motors besteht Aussicht für bestimmte Antrieteaufgaben, Getriebe mit weniger Übersetzungsstufen vorzusehen oder gar ganz ohne Wechselgetriebe auszukommen.

Ferner bietet das Druck- bzw. Gasüberströmverfahren vom Funktionsprinzip her die Möglichkeit, die elektrische JFremdzün-

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dung teilweise oder ganz zu ersetzen. Dazu ist es erforderlich, daß der Überströmvorgang von einem Zylinder zum anderen so erfolgt, daß beispielsweise ein gezündeter Zylinder "bei entsprechendem Druckniveau und Verbrennungsstand seiner Expansionsphase gesteuerte Verbindung zu einem neben ihm befindlichen, nacheilenden und zu dier Zeit komprimierenden Zylinder in dem Augenblick erhält, wie dies zur Zündung des nacheilenden Zylinders mittels Flammenüberschlag - Luntenzündung - erforderlich ist. Bei kleineren Zylinderzahlen und Reihenbauweise derselben genügt eine in Intervalle erfolgende Initialzündung des ersten, normal verdichteten Zylinders der Reihe, während sich von diesem aus die Zündung nach dem Luntenzündprinzip bis zum letzten Zylinder der Reihe fortpflanzt. Bei größeren Zylinderzahlen und geschlossenem Zusammenwirken der Zylinder, also dem bereits weiter vorne genannten Konzept mit ausschließlich hochverdichteten Zylindern, genügt eine einmalige Initialzündung in einen beliebigen Zylinder eines solchen Motors. Das Luntenzündprinzip hält sich dann fort- bzw. umlaufend selbst aufrecht.

Das Luntenprinzip kann mit einem Überströmkanal zwischen zwei Zylindern durch entsprechende Steuerung des Trennventils realisiert werden, wolsei der Kanal zweiflutig beaufschlagt wird. Zunächst erfolgt Flammüberschlag zur Zündung des nacheilenden Zylinders und anschließend, beim Zünddruckanstieg, Drucküberströmung vom nacheilenden Zylinder in den voreilenden. Es können hierzu auch zwei Verbindungskanale zwischen zwei direkt nebeneinander liegenden Zylindern vorgesehen werden, nämlich ein Zündkanal und ein Überströmkanal. Grundsätzlich müssten Überström- bzw. Zündkanäle wärmeverlustfrei und drosselverlustfrei ausgelegt sein. Die Luntenzündung ist die denkbar stärkste und. wirkungsvollste Zündquelle überhaupt. Aufgrund dieser [Datsache bietet sie die Möglichkeit, zündunwillige Kraftstoffe und stark abgemagerte Kraftstoff-Luftgemische sicher zu entzünden. Dies bedeutet aber Kraftstoffiersparnis, Abgasverbesserung und die Verwendung

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tLKw. Verbrennung minderwertiger Kraftstoffe. Es können theoretisch alle gasförmigen und flüssigen Kraftstoffe, ja sogar feste bzw. staubförmige Kraftstoffe bei entsprechender Motorkonstruktion verturannt werden.

Eine sehr interessante Perspektive ist auch die Einführung und Verwendung eines Einheitskraftstoffes, dessen Schaffung und Normung nach optimalen Gesichtspunkten der Tauglichkeit, Verfügbarkeit, der weltpolitischen Verhältnisse und des Preises ausgerichtet sein könnte. - Einheitskraftstoffverarbeitender Motor! - Einheitsmotor!

Das beschriebene Verfahren, das der Erfindung zugrunde liegt, ermöglicht auch die konsequente Anwendung der Zylinderaufladung, insbesondere der Abgas-Turboaufladung.

Claims

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Erfindung,

.. Heinz K. Hutzenlaub, Dipl.-Ing. (PH). 7406 Mössingen - 2, Waldstraße 23

Verfahren zur Steuerung des Zylinderdrucks und fremdenergiefreien Zündung bei Brennkraft-Kolbenmaschinen, insbesondere bei Otto-, Diesel- und Vielstoffmotoren

Patentansprüche

My Verfahren zur Beeinflussung des Zylinderdruckanstiegs, der Reduzierung des Zylinder-Spitzendrucks und zum Bewirken einer sich selbst erhaltenden bzw. sich selbst fortsetzenden, fremdenergiefreien Zündung bei Erennkraft-Kolbenmaschinen, vorzugsweise bei Otto-, Diesel- und Vielstoffmotoren, dadurch gekenniz eichnet , daß mindestens die beiden Zylinder eines Zweizylindermotors, aber grundsätzlich beliebig viele Zylinder eines mit beliebiger Zylinderzahl versehenen Motors durch jeweils einen oder mehrere Überströmkanäle mit Trennventilen zwischen neIbneinander liegenden Zylindern miteinander verbunden sind und hierdurch gesteuert Druck bzw. (Jas von einem Zylinder zum anderen direkt übergeleitet werden kanm.
2. Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die Druck- bzw. Gasentnahme aus einem Zylinder eines Motors während des Verdichtungstaktes oder während oder nach der Zündung in beliebig festgelegtem Stadium, geschieht und die Überleitung in einen anderen Zylinder desselben Motors erfolgt, der sich in ebenfalls beliebig festgelegtem Stadium des Expansionstaktes befindet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, und 2., dadurch gekennzeichnet, daß die Druck- bzw. Gasüberleitung von einem einzelnen, be-

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liebig ausgeführten Zylinder eines Motors durch geeignete Steuerung und Verkoppelung der Überströmvorgänge in eine beliebige Anzahl beliebig angeordneter oder wahlweise auch unterschiedlich großer, sowie in mehr oder weniger fortgeschrittener Expansionsphase befindliche Zylinder dieses-Motors erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1. und 2., dadurch gekennzeichnet, daß die Druck- bzw. ffasüberleitung in einen odier mehrere Zylinder erfolgt, welche ausschließlich der Überdruckexpansion dienen, also selbst nicht gefeuert sind, und cLem jeweils korrespondierenden, gefeuerten Zylinder um einen gewissen, konstruktiv? "beliebig festlegteren Wirk-KurTtelwinkel mit phasenverschobenem Expansionstakt vorauseilen.
5. Verfahren nach Anspruch 1. und 2., dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmverbindung zwischen einem gezündeten, expandierenden Zylinder eines Motors so festgelegt und gesteuert ist, daß ein, neisen ihm angeordneter bzw. ihm zugeordneter Zylinder desselben Motors, der sich an entsprechend vorbestimmter Stelle seines Verdichtungstaktes oder im bzw. nach dem oberen Umkehrpunkt seines Kolbens "befindet, in Umkehrung des Anspruchs 2. nach dem Prinzip dier Luntenzündung gezündet werden kann: und der Überströmkanal somit als Zündkanal wirkt.
6. Verfahren nach Anspruch 1. -3· und 5., dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahren nach Anspruch 2., 3. oder 5. gemeinsam zur Anwendung kommen, wobei die zeitlich versetzt ablaufenden, unterschiedlichen Funktionen der jeweiligen Überströmvorgänge mittels sinnvoller Steuerung des Trennventils in einem einzelnen, zweiflutig beaufschlagten Überströmkanal stattfinden oder für jede Strömungsrichtung ein getrennter Überströmkanal, d.h. ein Zünd- und ein Überströmkanal mit jeweils eigenem Trennwentil und entsprechender Steuerung vorgesehen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1., 5. und 6., dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner, beliebig ausgeführter Zylin-

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der eines Motors durch geeignete Steuerung und Verdoppelung der Überströmvorgänge von einer beliebigen Anzahl, vorzugsweise ringförmig um ihn angeordneter und wahlweise unterschiedlicher Zylinder gezündet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1. -7., dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmkanal nach optimalen Gesichtspunkten der Thermodynamik, der Wärmelehre und der Herstellungskosten jeweils beliebig und insofern auch als vollintegrierter Teil des Kompressions- bzw. Brennraums ausgeführt sein können.
9· Verfahren nach Anspruch 1. - 7-, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungs- und Schließelemente der Überströmkanäle "beliebig gewählt werden können, wie beispielsweise Tellerventile, Kolbenventile, Drehsehieltner, Flachschieber.
10. Verfahren nach Anspruch 1. - 7. und 9·, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigung der Öffnungs und Schließelemente der Überströmkanal !Beliebig erfolgen kann, wie beispielsweise direkt oder indirekt durch Zylinderdruck gesteuert, mittels Nockenwelle, elektrisch baw. elektromechanisch und auch mit variablen Steuerzeiten.
11. Verfahren nach.Anspruch 1. -8., dadurch gekennzeichnet, daß keine besonderen Öffnungs- und Schließelemente in bzw. an den Überströmkanälen angeordnet sind, sondern die Kanäle von den jeweiligen Zylindern so wegführen bzw. in diese so einmünden, daß bei entsprechender Ausführung der Kolben in den Zylindern die Kolben die Überström-Steuerfunktion ausüben.
12. Verfahren nach Anspruch 1. - 11., dadurch gekennzeichnet, daß bei gemäß dieser Erfindung konstruierten Motoren korrespondierende Zylinder nach optimalem Zündabstand bzw, wirk-Kurbelwinkelabstand ausgelegt sind, der sich in der Praxis etwa zwischen 20 Grad und 120 Grad bewegen wird und theoretisch von 0-180 Grad eingegrenzt ist.

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13- Verfahren nach Anspruch 1.-3. und 5. - 12., dadurch gekennzeichnet, daß sich im Gegensatz zu herkömmlichen Motoren infolge des Zündabstands nach Anspruch 12. eine fortlaufende Zündfolge in numerischer Folge der erfindungsgemäß aneinandergereihten, fortlaufend, konrespondierenden Zylinder ergibt, welche sich je nach Zylinderanzahl eines Motors in Intervallen wiederholt, ateer auch gleichmäßig sein kann..
14. Verfahren nach Anspruch 1. - 3· und 5. - 13·, dadurch gekennzeichnet, daß erfindungsgemäß konstruierte Motoren je nach Anzahl der Zylinder und deren Anordnung, insgesamt miteinander korrespondierend, einen normal verdichteten Zylinder und einen oder mehrere hochwerdichtete Zylinder aufweisen, wobei der letzte Zylinder einer "beliebigen Gruppe zum ersten keine ÜUerströmverbindung hat.
15· Verfahren nach Anspruch 1. - 3· und 5. - 13-, dadurch gekennzeichnet, daß erfindungsgemäß konstruierte Motoren bei bestimmten Zylinderanzahlen und bestimmten Zylinderanordnungen ausschließlich mit hochv.erdichteten Zylindern versehen sein können und eine gleichmäßige Zündfolge besteht. Letzteres ist der Fall·., wenn sich bei Viertaktmotoren eine gerade Zylinderanzahl als Quotient aus der Division von 720 Grad geteilt durch einen gerundeten Zündabstandswinkel ergibt.

Die Zylinderanordnung ist dabei so, daß alle Zylinder zueinander, also auch der letzte Zylinder einer Gruppe zum ersten eine Überströmverbindung haben.
16. Verfahren nach Anspruch 14·, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und normal verdichtete Zylinder einer 'beliebigen Zylindergruppe in konstruktiv bedingten Kurbelwinkelabständen regelmäßig fremdgezündet wird und sich von ihm aus die Zündung der übrigen Zylinder über die gesteuert geöffnet und verschlossenen Überström- bzw. Zündkanäle nach dem Luntenzündprinzip fortpflanzt.
17· Verfahren nach Anspruch 15·, dadurch gekennzeichnet, daß

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in einen "fceliebigen Zylinder des erfindungsgemäß konstruierten Motors eine einmalige Initialzündung gegeben wird, die nach dem Luntenzündprinzip durch alle Zylinder umlaufend aufrechterhalten bleibt.
18. Verfahren nach Anspruch 4«, dadurch gekennzeichnet, daß alle gefeuerten Zylinder unabhängig von ihrer Anzahl und Anordnung hochverdichtet, in ihrem Zündabstand beliebig, also auch in konventioneller Zündfolge zündend, und lediglich jeweils einem oder mehreren vorauseilenden Überdruckexpansionszylinder zugeordnet sind.
19· Verfahren in Abweichung von Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß ein indirektes Überströmverfahren zur Anwendung kommt, nach welchem die Druck- bzw. Gasableitung in einen Zwischenspeicher erfolgt, von wo aus expandierende Zylinder durch geeignete Mittel beliebig gesteuert beaufschlagt werden.
20. Verfahren nach Anspruch 4. und 19·, dadurch gekennzeichnet, daß ein Motor, aus dessen Zylinder Druck bzw. Gas abgeleitet wird, und ein Motor, dessen Zylinder mit dlem vom anderen Motor entnommenen Druck bzw. Gas beaufschlagt werden, vorhanden sind, also getrennte Einheiten bestehen.