DE3908288A1 - Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine und einrichtung zur ausfuehrung des verfahrens - Google Patents
Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine und einrichtung zur ausfuehrung des verfahrensInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer
Brennkraftmaschine, insbesondere Viertaktbrennkraftmaschine,
wobei jedem Zylinder in einem vorbestimmten Drehwinkelbereich
der Kurbelwelle Gas entnommen wird, dieses Gas in einen Zwi
schenspeicher gebracht und sodann in einem anderen Drehwinkel
bereich dem Zylinder wieder zugeführt wird. Weiters bezieht
sich die Erfindung auf eine Einrichtung zur Ausübung dieses
Verfahrens.
Bei bekannten Verfahren der genannten Art wird dem Zylinder in
einer Phase hohen Druckes Gas entnommen und in einen Zwischen
behälter übergeleitet. Dieses Gas wird entweder zur Einbrin
gung des Kraftstoffes in den Brennraum (Gemischeinblasung)
oder, bei direkter Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum,
zur Verbesserung der Verbrennung verwendet, indem das Gas dem
Einspritzstrahl nachgeblasen wird. Das Speichervolumen ist in
beiden Fällen im Vergleich zum Hubvolumen im Hinblick auf die
Aufgabe, die es zu erfüllen hat, verhältnismäßig klein.
Die angestrebte Realisierung hoher Aufladung und hoher Ver
dichtung ist in vielen Fällen eine positive Maßnahme zur Ver
besserung der Verbrennung bei Viertaktmotoren, insbesondere
bei Dieselmotoren. Verbessert werden dabei, wie bekannt, ins
besondere die Leistung, der Wirkungsgrad und das Verbrennungs
geräusch des Motors. Die Grenzen dieser hohen Aufladung sind
bekannterweise gegeben durch die festigkeitsbedingten Zylin
derdruckmaxima und die negative Auswirkung auf die Gemischbil
dung, unter anderem dadurch, daß ein optimales hohes Zylinder
druckniveau während des Arbeitstaktes zu wenig lange aufrecht
erhalten wird. Dies gilt auch für die obengenannten bekannten
Verfahren.
Zur Verbesserung der Verbrennung bei Dieselmotoren, ins
besondere zur Reduktion des Partikelausstoßes, ist die Zufuhr
von Sauerstoff in welcher Form immer (rein, Frischluft,
Luft-Verbrennungsgas-Gemisch) in der Expansionsphase des Mo
tors eine bekannte zielführende Maßnahme.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zu hohe Zylin
derdrücke zu vermeiden und dafür ein höheres Druckniveau im
Zylinder während des Arbeitstaktes so lange als möglich auf
recht zu erhalten und gleichzeitig durch Nachverbrennung in
der Expansionsphase den Ausstoß von Schadstoffen, insbesondere
Ruß, entscheidend zu vermindern.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß
das Gas dem Zylinder während des Verdichtungs- bzw.
Verbrennungstaktes entnommen und während der Expansionsphase
wieder zugeführt wird. Dabei wird verhältnismäßig hoch ver
dichtetes Gas, welches noch ausreichend Sauerstoff enthält,
für die Nachverbrennung in der Expansionsphase verwendet, in
dem es in einem Zwischenspeicher von der Verdichtungs- bzw.
Verbrennungsphase bis zur Expansionsphase gespeichert wird.
Eine bevorzugte Einrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens be
steht darin, daß der Zwischenspeicher mit einem Überströmkanal
zum Zylinder von einem am Zylinderkopf der Brennkraftmaschine
sitzenden Gehäuse gebildet ist und zur Steuerung des Über
strömkanals zwei Ventile im Gehäuse vorgesehen sind, von denen
das im Durchmesser größere Hauptventil federbelastet ist, sei
nen Sitz im lnneren des Gehäuses hat und in Richtung zum Zwi
schenspeicher öffnet, und das im Sitzdurchmesser kleinere Aus
gleichsventil auf der Stirnfläche des Hauptventils seine Sitz
fläche hat und in Richtung zum Zylinder öffnet. Die Einrich
tung besteht also aus einer am Zylinderkopf angebrachten Ein
heit, welche leicht gewartet werden kann. Eine geeignete Aus
legung von Überströmquerschnitt, Volumen des Zwischenspeichers
und Öffnungsdrücken bestimmt den Einfluß auf den Zylinder
druckverlauf, welcher je nach Motorbetriebszustand in unter
schiedlicher Form vorliegt.
ln weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der im Gehäuse
axial gleitbare Schaft des Hauptventiles axiale Ausnehmungen
aufweisen, die über eine axiale Bohrung im Schaft des Haupt
ventiles miteinander verbunden sind und den Zwischenspeicher
bilden. Auf diese Weise ergibt sich eine einfache und kompakte
Bauform bei kürzest möglichen Strömungswegen.
Für den Fall, daß ein Ansprechen des Ausgleichsventil schon
bei geringem Überdruck im Zwischenspeicher gegenüber dem Zy
linderraum erwünscht ist, kann, nach einem weiteren Merkmal
der Erfindung, das Ausgleichsventil ein Kugelventil sein, wo
bei sich die beiden Sitze der Kugel an der Stirnfläche des
Schaftes des Hauptventils und am Eintritt in den Überströmka
nal zum Zylinder befinden. Dabei müssen zur Gewährleistung des
Überströmens vom Zwischenspeicher in den Zylinder neben dem
Sitz der Kugel am Eintritt in den Überströmkanal Durchtritts
querschnitte frei bleiben.
Wenn das Überströmen aus dem Zwischenspeicher in den Zylinder
bei einem größeren, allenfalls einstellbaren, Druck erwünscht
ist, kann erfindungsgemäß das Ausgleichsventil ebenfalls fe
derbelastet sein und dessen Schaft den im Schaft des Hauptven
tils angeordneten Teil des Überströmkanals mit Spiel axial
durchsetzen, wobei sich dessen Sitzfläche auf der Stirnfläche
des Schaftes des Hauptventiles befindet und das in Richtung
zum Zylinder öffnet.
Vorteilhaft ist es, wenn, nach einem weiteren Merkmal der Er
findung, der Schaft des Hauptventils auf der seiner Sitzfläche
abgewendeten Seite eine von den axialen Ausnehmungen freie
Zone aufweist, mit der er im Gehäuse geführt ist und z.B. in
Verbindung mit einem Kolbenring, abdichtet.
Vorteilhafterweise kann weiters der Schaft des Hauptventils
anschließend an die von den axialen Ausnehmungen freie Zone
einen Flansch aufweisen, der zur Abstützung der zueinander ko
axial angeordneten das Hauptventil und das Ausgleichsventil
belastenden Druckfedern dient. Von besonderem Vorteil ist da
bei, daß die Federn aus dem Bereich mit den hohen Temperaturen
herausgerückt und gut zugänglich sind.
Es kann dabei vorteilhaft die das Hauptventil belastende
Druckfeder, z.B. eine Tellerfeder, an einem Deckel des Gehäu
ses, z.B. einem auf das Gehäuse aufschraubbaren Deckel, und
die das Ausgleichsventil belastende Druckfeder an einem am
Schaft des Ausgleichsventils befestigten Federteller abge
stützt sein.
Bei einer anderen Ausführung gemäß der Erfindung ist der Dec
kel von einem im Gehäuse gleitbar und dichtend geführten Kol
ben gebildet und seine axiale Stellung durch ein Steuerorgan,
z.B. einer Nocke, bestimmt. Durch diese externe Ansteuerung
ist eine gezielte Abspeicherung von verdichteter Luft in der
Kompressionsphase und eine vom Zeitpunkt her optimale Zufuhr
der Luft in der Expansionsphase der Brennkraftmaschine ermög
licht.
Die Erfindung wird anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 die Anordnung einer erfindungsgemäßen Einrich
tung in Ansicht,
Fig. 2 die Einrichtung in vergrößertem Maßstab im Mit
telschnitt nach der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 2,
Fig. 4 ein Detail einer zweiten Ausführungsform in der
Darstellung gemäß Fig. 2,
Fig. 5 eine Ansicht nach Pfeil V in Fig. 4,
Fig 6 die Darstellung des Zylinderdruckverlaufes mit
und ohne die erfindungsgemäße Einrichtung,
Fig. 7 eine dritte Ausführungsform nach der Erfindung
im Axialschnitt und
Fig. 8 dazu die Darstellung des Zylinderdruckverlaufes
mit und ohne die erfindungsgemäße Einrichtung
nach Fig. 7.
Die in Fig. 1 dargestellte Viertaktbrennkraftmaschine ist zur
Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgerüstet. Es ist
der Zylinder mit 1, der Kolben mit 2 und der Zylinderkopf
mit 3 bezeichnet. Der Ladungswechsel des Zylinderraumes 4 er
folgt über den durch das Einlaßventil 5 gesteuerten Einlaß
kanal 6 bzw. über den Auslaßkanal 7, welcher durch das Auslaß
ventil 8 gesteuert wird. Die in den Zylinderkopf 3 einge
schraubte Einrichtung zur Ausübung des erfindungsgemäßen Ver
fahrens ist generell mit 9 bezeichnet. Der lnnenraum dieser
Einrichtung ist in noch näher zu beschreibender Weise als Zwi
schenbehälter ausgebildet, der über den Überströmkanal 10 mit
dem Brennraum 4 in gesteuerter Verbindung steht.
Die erfindungsgemäße Einrichtung 9 ist in Fig. 2 und 3 in ver
größertem Maßstab dargestellt. Sie besteht aus einem Ge
häuse 11, welches in den Zylinderkopf 3 mit Hilfe des Gewin
deansatzes 12 einschraubbar ist. Das Gehäuse 11 weist einen
Deckel 13 auf, der auf dieses unter Zwischenlage der Dich
tung 14 aufgeschraubt ist. Im Gehäuse 11 befindet sich das
Hauptventil 15 sowie koaxial dazu das Ausgleichsventil 16. Das
Hauptventil 15 weist einen zylindrischen Schaft 18 auf, der
über den größten Teil seiner Länge mit axialen Ausnehmungen 19
versehen ist, die miteinander über den zentralen Überströmka
nal 20 in Verbindung stehen und das Volumen des Zwischenspei
chers 21 bilden. An seinem unteren Ende weist der zylindrische
Schaft 18 eine etwa kegelförmige Sitzfläche 22 auf, die mit
einer entsprechenden Gegenfläche am Gewindeansatz 12 des Ge
häuses 11 zusammenarbeitet. Der obere von axialen Ausnehmun
gen 19 freie Teil des zylindrischen Schaftes 18 ist mit 18′
bezeichnet und dient zur Führung des zylindrischen Schaftes 18
in der Bohrung 17. Zur Abdichtung ist an dieser Stelle ein
Kolbenring 23 angeordnet.
Die von axialen Ausnehmungen 19 freie Zone 18′ des zylin
drischen Schaftes 18 weist anschließend einen Flansch 24 auf,
der zur Abstützung der zueinander koaxial angeordneten das
Hauptventil 15 und das Ausgleichsventil 16 belastenden Druck
federn 25 bzw. 26 auf, von welchen die erstere als Tellerfeder
ausgebildet ist. Diese Druckfeder 25 stützt sich an der oberen
Seite am Deckel 13 ab. Der zylindrische Schaft 27 des Aus
gleichsventils 16 durchsetzt den Überströmkanal 20 in seiner
Längsrichtung und weist an seinem dem Überströmkanal 10 zuge
kehrten Ende einen Kopf 28 auf, der anschließend an den
Schaft 27 eine kegelige Sitzfläche 30 aufweist, welche mit ei
ner entsprechenden Gegenfläche am unteren Teil des zylindri
schen Schaftes 18 des Hauptventils 15 zusammenarbeitet. Der
zylindrische Schaft 27 weist ferner in seinem oberen Teil
einen Federteller 29 auf, gegen welchen sich die Druckfeder 26
abstützt, die andererseits in eine zentrale Ausnehmung 31 im
Flansch 24 eingesetzt ist.
Eine Ausführungsvariante der Einrichtung ist in den Fig. 4 und
5 dargestellt. Dabei ist das Ausgleichsventil durch die vor
zugsweise aus feuerfestem Keramikmaterial bestehende Kugel 32
gebildet, die mit der kegeligen Sitzfläche 30 am unteren Teil
des zylindrischen Schaftes 18 zusammenarbeitet. In der ge
zeichneten Stellung liegt die Kugel 32 an der Mündungsstelle
des Überströmkanals 10 auf, wobei jedoch der Übertritt von Gas
aus dem Zwischenspeicher 21 in den Zylinderraum 4 durch Nu
ten 33 im Überströmkanal 10 gewährleistet ist.
Die Wirkungsweise der Einrichtung nach Fig. 2 und 3 ist fol
gende: Die Ventilanordnung mit integriertem Zwischenspei
cher 21 zweigt aus dem Zylinderraum 4 über den als Drosselboh
rung wirkenden Überströmkanal 10 verdichtete Luft plus Teil
verbranntes während des Verdichtungs- bzw. Verbrennungstaktes
ab, wobei das Hauptventil 15 gegen die Druckfeder 25 angehoben
wird. ln der Expansionsphase wird das gespeicherte Gas wieder
in den Zylinderraum 10 geleitet, wobei das Ausgleichsventil 16
durch den Überdruck im Zwischenspeicher 21 gegenüber dem Druck
im Zylinderraum 4 angehoben wird. Eine geeignete Auslegung von
Überströmquerschnitt, Speichervolumen und Öffnungsdrücken,
welche durch die Druckfedern 25 und 26 bestimmt werden, erge
ben den Einfluß auf den Zylinderdruckverlauf, welcher je nach
Motorbetriebszustand verschieden ist.
In Fig. 6 ist der Zylinderdruckverlauf mit und ohne die erfin
dungsgemäße Einrichtung vergleichsweise dargestellt. Die voll
gezogene Linie 34 stellt den Druckverlauf im Zylinder für eine
konventionelle Brennkraftmaschine dar, wogegen die strichliert
gezeichnete Linie 35 den Druckverlauf darstellt, wie er sich
bei dieser Brennkraftmaschine bei Einsatz der er
findungsgemäßen Einrichtung einstellt. Ziel war dabei, den
vorgegebenen Zylinderdruck Pmax soll angenähert zu erreichen,
jedenfalls nicht wesentlich zu überschreiten.
Die Ausführung nach Fig. 7 unterscheidet sich von jener nach
den Fig. 2 und 3 hauptsächlich dadurch, daß das Gehäuse 36
einen zylindrischen Ansatz am Zylinderkopf 3 darstellt und der
Deckel von einem Kolben 37 gebildet ist, der an der zylindri
schen Innenfläche 38 gleiten kann. Der Speicherraum 21 ist
durch mindestens einen Kolbenring 39 nach außen abgedichtet.
Es ist eine externe Steuereinheit vorgesehen, welche hier als
Nocke 40 dargestellt ist, die auf den Kolben 37 kraftschlüssig
einwirkt.
Diese Ausbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung bezweckt,
ausschließlich den positiven Effekt der Nachverbrennung durch
Zufuhr von möglichst reiner verdichteter Luft in der Expansi
onsphase der Verbrennung auszunützen. Die externe Steuerein
heit (Nocke 40) blockiert zum geeigneten Zeitpunkt, also knapp
vor Ende der Verdichtung und vor Beginn der Verbrennung über
den Kolben 37 das Hauptventil 15. Mit einer durch die Feder 26
bestimmten zeitlichen Verzögerung erfolgt wiederum bei Vorlie
gen eines entsprechenden Druckgefälles in der Expansionsphase,
der Druckausgleich zwischen Speicherraum 21 und Zylinderraum 4
über das Ausgleichsventil 16.
In Fig. 8 sind über °KW die Druckverläufe im Zylinder P zyl
vergleichsweise bei einer konventionellen Brennkraftmaschine
(voll ausgezogene Linie 41) und derselben Brennkraftmaschine
ausgerüstet mit der erfindungsgemäßen Einrichtung, (gestri
chelt ausgezogene Linie 42). In dem mit 43 bezeichneten Be
reich erfolgt das Abspeichern und in dem mit 44 bezeichneten
Bereich wird das Gas aus dem Zwischenspeicher dem Zylinderraum
wieder zugeführt. Die gestrichelte Linie zeigt die gewünschte
Zylinderdruckveränderung, welche durch geeignete Abstimmung
der Nocke 40 und der Ventile bzw. deren Belastungsfedern er
reicht werden kann.
Claims (9)
1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbeson
dere Viertaktbrennkraftmaschine, wobei jedem Zylinder in
einem vorbestimmten Drehwinkelbereich der Kurbelwelle Gas
entnommen wird, dieses Gas in einen Zwischenspeicher ge
bracht und sodann in einem anderen Drehwinkelbereich dem
Zylinder wieder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gas dem Zylinder während des Verdichtungs- bzw.
Verbrennungstaktes entnommen und während der Expansions
phase wieder zugeführt wird.
2. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenspeicher (21) mit
einem Überströmkanal (10) zum Zylinder (1) von einem am
Zylinderkopf (3) der Brennkraftmaschine sitzenden Ge
häuse (11, 36) gebildet ist und zur Steuerung des Über
strömkanals (10) zwei Ventile (15, 16) im Gehäuse (11, 36)
vorgesehen sind, von denen das im Durchmesser größere
Hauptventil (15) federbelastet ist, seinen Sitz (22) im
Inneren des Gehäuses hat und in Richtung zum Zwischen
speicher (21) öffnet, und das im Sitzdurchmesser kleinere
Ausgleichsventil (16) auf der Stirnfläche des Hauptven
tils (15) seine Sitzfläche (30) hat und in Richtung zum
Zylinder (1) öffnet.
3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß der im Gehäuse (11, 36) axial gleitbare
Schaft (18) des Hauptventiles (15) axiale Ausnehmun
gen (19) aufweist, die über eine axiale Bohrung (20) im
Schaft (18) des Hauptventiles (15) miteinander verbunden
sind und den Zwischenspeicher (21) bilden.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich
net, daß das Ausgleichsventil (16) ein Kugelventil ist,
wobei sich die beiden Sitze der Kugel (32) an der Stirn
fläche des Schaftes (18) des Hauptventiles (15) und am
Eintritt in den Überströmkanal (10) zum Zylinder befinden.
5. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich
net, daß das Ausgleichsventil (16) ebenfalls federbelastet
ist und dessen Schaft (27) den im Schaft (18) des
Hauptventiles (15) angeordneten Teil des Überströmkana
les (20) mit Spiel axial durchsetzt, dessen Sitzflä
che (30) sich auf der Stirnfläche des Schaftes (18) des
Hauptventiles (15) befindet und das in Richtung zum Zy
linder (1) öffnet.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Schaft (18) des Hauptventiles (15)
auf der seiner Sitzfläche (22) angewendeten Seite eine von
den axialen Ausnehmungen (19) freie Zone (18′) aufweist,
mit der er im Gehäuse (11) geführt ist und z.B. in Verbin
dung mit einem Kolbenring (23), abdichtet.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Schaft (18) des Hauptventiles (15)
anschließend an die von den axialen Ausnehmungen (19)
freie Zone (18′) einen Flansch (24) aufweist, der zur Ab
stützung der zueinander koaxial angeordneten das Haupt
ventil (15) und das Ausgleichsventil (16) belastenden
Druckfedern (25, 26) dient.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die das Hauptventil (15) belastende Druckfeder (25), z.B.
eine Tellerfeder, an einem Deckel des Gehäuses (11), z.B.
einem auf das Gehäuse (11) aufschraubbaren Deckel (13),
und die das Ausgleichsventil (16) belastende Druck
feder (26) an einem am Schaft (27) des Ausgleichsven
tils (16) befestigten Federteller (29) abgestützt sind.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
der Deckel von einem im Gehäuse (36) gleitbar und dichtend
geführten Kolben (37) gebildet ist und seine axiale Stel
lung durch ein Steuerorgan, z.B. einer Nocke (40), be
stimmt wird.
Applications Claiming Priority (1)
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8141 | Disposal/no request for examination |