DE3819646A1 - Brennkraftmaschine mit einer arbeitsmaschine als leistungsstellglied - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Bei den üblichen, mit einer Drosselklappe als Leistungsstellglied ausgerüsteten Brenn­ kraftmaschinen, insbesondere bei Zweitakt-Motoren, ergeben sich daraus resultierende Schwierigkeiten beim Ladungswechsel, daß das Druckniveau am Ein- und Auslaßventil bzw. Ein- und Auslaßschlitz von der jeweiligen Last der Maschine abhängig ist, die, insbesondere bei zum Antrieb von Kraftfahrzeugen verwendeten Brennkraftmaschinen, in einem großen Bereich schwankt. Daher ist es nur möglich, für hohe Drehzahlen und hohen Mitteldruck im Brennraum eine optimale Abstimmung zu finden. Im Teillastgebiet sinkt infolge des Strömungswiderstands der Drosselklappe das Druckniveau am Einlaß zum Brennraum ab, so daß es zu großen Restgasanteilen kommen kann. Dies ist insbe­ sondere im Leerlauf der Fall, also bei Mitteldruck Null und kleiner Drehzahl; dann liegt am Auslaß des Brennraums etwa Atmosphärendruck an, dagegen am Einlaß infolge der fast geschlossenen Drosselklappe Unterdruck. Die Folge ist ein hoher Restgassan­ teil im Brennraum nach dem nächsten Füllungsvorgang und demgemäß ein Mangel an zündfähigem Gemisch, was, wie bekannt, zu unregelmäßigen Stottererscheinungen im Leerlauf, im Schubbetrieb und im Teillastgebiet führen kann.

Die DE-PS 31 24 668 und die DE-OS 32 05 722, F 02 D 9/08, beschreiben fremdgezün­ dete Brennkraftmaschinen, bei denen zwecks Vermeidung der beschriebenen Nachteile der üblicherweise als Leistungsstellglied verwendeten Drosselklappe diese durch eine Arbeitsmaschine beispielsweise in Gestalt einer Expansionsmaschine oder einer mit einem Schaufelrad ausgerüsteten Turbine ersetzt ist. Die Arbeitsmaschine steht dabei beispielsweise über einen Riemenantrieb mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in Drehverbindung, wobei Mittel vorgesehen sind, die es gestatten, durch Betätigung des Gaspedals der Maschine die Übersetzung des Riemens durch Änderung der Umschlin­ gungswinkel von Riemenscheiben zu verändern.

Diese die Merkmalskombination des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufweisenden bekannten fremdgezündeten Brennkraftmaschinen vermeiden also die beschriebenen Nachteile üblicher Drosselklappen und verbessern den Wirkungsgrad der Brennkraftma­ schine, da sie in einem niedrigen Lastbereich der Saugrohrströmung zwar Energie ent­ ziehen, diese aber in die Kurbelwelle übertragen, während sie in einem hohen Lastbe­ reich zwar von der Kurbelwelle Energie zugeführt erhalten, aber als Lader die Füllung der Arbeitsräume der Brennkraftmaschine erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 hinsichtlich der Spülung, das heißt, hinsichtlich des Aus­ tauschs von Abgas und Frischgas in den Brennräumen, weiter zu verbessern, wobei be­ sonderes Augenmerk auf die Minimierung der Verluste gelegt wird.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkma­ len des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Unter­ ansprüche.

Während der beschriebene Stand der Technik eine Optimierung der Druckverhältnisse im Bereich des Einlasses zu den einzelnen Brennräumen der Maschine bewirkt, befaßt sich die Erfindung zusätzlich mit der Optimierung der Druckverhältnisse am Auslaß unter Verwendung einer weiteren Arbeitsmaschine, die ebenfalls in Drehverbindung mit einer Welle der Brennkraftmaschine, insbesondere der Kurbelwelle, steht. Im Vollastbe­ trieb der Brennkraftmaschine liegt die Drehzahl der - in der Saugrohranordnung ange­ ordneten - Arbeitsmaschine relativ hoch, so daß diese als Lader wirkt und eine Über­ ladung der Brennkraftmaschine erreicht wird. Die - in der Abgasleitungsanordnung vor­ gesehene - weitere Arbeitsmaschine nutzt während der Öffnungszeit des Auslaßventils bzw. des Auslaßschlitzes dieses hohe Druckniveau aus und gibt Energie an die Kurbel­ welle der Brennkraftmaschine ab. Im Leerlaufbetrieb ist umgekehrt die Drehzahl der Arbeitsmaschine relativ niedrig, dagegen diejenige der weiteren Arbeitsmaschine rela­ tiv hoch, so daß im jeweiligen Brennraum ein Unterdruck entsteht; in diesem Betriebs­ zustand gibt die Arbeitsmaschine Leistung an die Kurbelwelle ab, während die weitere Arbeitsmaschine angetrieben werden muß. Demgemäß liegt bei der Erfindung also ein Wechselspiel zwischen den Arbeitsmaschinen bezüglich Aufnahme und Abgabe von kinetischer Energie an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine vor.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläu­ tert. Es sei darauf hingewiesen, daß dort gezeigte Zusatzeinrichtungen in der Saug­ rohr- und der Abgasleitungsanordnung je nach Einsatzfall einzeln oder in ihrer Gesamt­ heit auch in Fortfall kommen können, ohne daß der Bereich der Erfindung verlassen wird.

In der Figur ist eine allgemein mit 1 bezeichnete Zweitakt-Brennkraftmaschine ange­ nommen, deren bei 2 angedeuteter Hubkolben in üblicher Weise über eine Pleuelstange 3 mit einer Kurbelwelle 4 in Antriebsverbindung steht. Der Kolben 2 ist in seiner un­ teren Totpunktlage dargestellt, wie auch die untere Lage des das große Pleuelauge durchsetzenden Kurbelzapfens 4′ zeigt. Es handelt sich um eine Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung 5 in den Brennraum 6, der in üblicher Weise durch einen Zylinder und den in diesem gleitenden Kolben 2 gebildet ist.

Bei 7 ist die Saugrohranordnung, bei 8 die Abgasleitungsanordnung der Brennkraftma­ schine angedeutet, die einen beliebigen bekannten und daher hier im einzelnen nicht zu beschreibenden Aufbau haben können. Sie münden bei 9 (Einlaß) bzw. bei 10 (Aus­ laß) in den Brennraum 6 ein.

Betrachtet man zunächst die Saugrohranordnung 7, so erkennt man bei 11 die als Tur­ bomaschine oder Verdränger ausgebildete, als Leistungsstellglied der Maschine 1 die­ nende Arbeitsmaschine, deren Welle 12 über den Keilriemen 13 in Drehverbindung mit der auf der Kurbelwelle 4 drehfesten Riemenscheibe 14 steht. Die Übersetzung des Riementriebs 13, 14 ist, wie durch die Wirkungslinie 15 angedeutet, durch Betätigen des Gaspedals 16 über den Gaspedal-Stellungssensor 17 ebenfall bekannter Bauart ver­ änderbar. Wie bereits bei der Erläuterung des Standes der Technik angegeben, ist es bekannt, die Übersetzung durch Änderung des Umschlingungswinkels des Keilriemens vorzunehmen, beispielsweise durch Änderung der Durchmesser der vom Keilriemen im Bereich seiner Umlenkungen umschlossenen Riemenscheiben. Auch diese Einzelheiten sind dem Fachmann bekannt, so daß die gegebenen Hinweise genügen. Die Änderung der Übersetzung erfolgt in der Weise, daß in einem hohen Last- oder Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine 1 die Arbeitsmaschine 11 mit hoher Drehzahl und damit als Lader arbeitet, dagegen im Leerlaufbetrieb die Arbeitsmaschine 11 kinetische Energie über den Riemenantrieb 13, 14 an die Kurbelwelle 4 abgibt.

Zur Verbesserung der Füllung liegt in Strömungsrichtung des Frischgases hinter der Arbeitsmaschine 11 der Ladeluftkühler 18.

Erfindungsgemäß ist auch im Zuge der Abgasleitungsanordnung 8 eine derartige Ar­ beitsmaschine 19 vorgesehen, deren Welle 20 ebenfalls über einen Keilriemen 21, der die Riemenscheibe 22 auf der Kurbelwelle 4 umschlingt, in Drehverbindung mit dieser Welle steht. Die Übersetzung auch dieses Riementriebs 21, 22 ist in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung des Gaspedals 16 veränderbar, und zwar im Sinne, daß während des Ladebetriebs der Arbeitsmaschine 11 die weitere Arbeitsmaschine 19 über den Riementrieb 21, 22 aus dem hohen Druckniveau der Abgase gewonnene ki­ netische Energie an die Kurbelwelle 4 abgibt, dagegen im Leerlaufbetrieb unter Lei­ stungsaufnahme mit hoher Drehzahl arbeitet.

Auch dieser weiteren Arbeitsmaschine 19 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Kühlvorrichtung 23 üblichen Aufbaus vorgeschaltet. Sie ist insbesondere dann an­ gebracht, wenn es sich bei der Arbeitsmaschine 19 um einen vor hohen Temperaturen zu schützenden Verdränger handelt. Es ist aber auch möglich, und zwar insbesondere dann, wenn die weitere Arbeitsmaschine 19 als Turbomaschine ausgeführt ist, hier ei­ nen Nachbrenner 24 mit Kraftstoffeinspritzung 25 und Zusatzluftzufuhr 26 von der Arbeitsmaschine 11 her vorzuschalten. Dadurch kann die Leistungsabgabe der wei­ teren Arbeitsmaschine 19 beispielsweise beim Beschleunigen eines mit der Brennkraft­ maschine ausgerüsteten Kraftfahrzeugs erhöht werden.

Schließlich sind bei 27 und 28 die drehfest verbundenen (Wirkungslinie 29) Turbinen eines Abgas-Turboladers angedeutet. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Maschine behindert also den einsatz üblicher wirkungsgraderhöhender Mittel nicht.

Verständlicherweise sind im Einzelfall auch andere Maßnahmen möglich; beispielsweise kann der Schutz der weiteren Arbeitsmaschine 19 vor hohen Temperaturen auch durch einen diese umgehenden, beim Auftreten derartiger Temperaturwerte freigegebenen Bypass erfolgen.

Mit der Erfindung ist also eine Brennkraftmaschine geschaffen, bei der die bei einer Drosselklappensteuerung üblichen Verluste durch Einsatz einer Arbeitsmaschine als Laststeuerglied in der Saugrohranordnung vermieden und durch Einsatz einer weiteren Arbeitsmaschine in der Abgasleitungsanordnung die Energieverluste der Maschine bei Leistungseinstellung und Ladungswechsel minimiert werden.

Claims (7)

1. Brennkraftmaschine, insbesondere schlitzgesteuerte Zweitaktmaschine, mit einer Saugrohranordnung und einer Abgasleitungsanordnung zum zeitlich gesteuerten La­ dungswechsel in dem zumindest einen Brennraum der Maschine sowie mit einer als Leistungsstellglied dienenden, in ihrer Drehzahl stufenlos steuerbaren, als Verdrän­ ger- oder Strömungsmaschine ausgebildeten, im Zuge der Saugrohranordnung ange­ ordneten Arbeitsmaschine, die derart in Drehverbindung mit einer Welle der Maschi­ ne steht, daß sie in einem niedrigen Lastbereich derselben der Saugrohrströmung Energie entzieht und in die Welle überträgt, dagegen in einem hohen Lastbereich von der Welle angetrieben als Lader arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge der Abgasleitungsanordnung (8) eine als Verdränger- oder Strömungsmaschine ausge­ bildete weitere Arbeitsmaschine (19) vorgesehen ist, die derart in Drehverbindung (21, 22) mit einer Welle (4) der Maschine (1) steht, daß sie in dem hohen Lastbereich der Strömung in der Abgasleitungsanordnung (8) Energie entzieht und in die Welle (4) überträgt, dagegen im niedrigen Lastbereich von der Welle (4) angetrieben wird und zeitweise Unterdruck im Brennraum (6) hervorruft.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehverbin­ dungen durch in Abhängigkeit von der Betätigung eines Laststellhebels (Gaspedals 16) der Maschine (1) in der Übersetzung stufenlos verstellbare Riementriebe (13, 14, 21, 22) gebildet sind.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenn­ raum (6) mit einer direkten Kraftstoffeinspritzung (5) ausgerüstet ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Ladeluftkühlung (18) in der Saugrohranordnung (7) in Strömungsrichtung hinter der Arbeitsmaschine (11).

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Abgaskühlung (23) in der Abgasleitungsanordnung (8) in Strömungsrichtung vor der weiteren Arbeitsmaschine (19).

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasleitungsanordnung (8) in Strömungsrichtung vor der weiteren Ar­ beitsmaschine (19) ein Nachbrenner (24) mit zusätzlicher Kraftstoffeinspritzung (25) vorgesehen ist, dem eine von der Arbeitsmaschine (11) gespeiste Zusatzluft­ leitung (26) zugeordnet ist.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung hinter der Arbeitsmaschine (11) bzw. vor der weiteren Arbeitsmaschine (19) Turbinen (27, 28) eines Abgasturboladers angeordnet sind.