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Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben
einer Brennkraftmaschine.
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Hintergrund der Erfindung
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Es
ist bekannt, eine Nebenkammer vorzusehen, welche während des
Verdichtungs- oder Arbeitstaktes des Motorzyklus mit einem Motorzylinder verbunden
oder von ihm getrennt wird, um so den Verdichtungs- bzw. den Arbeitsvorgang
zu beeinflussen.
EP 0095252 schlägt den Einsatz
einer Nebenkammer vor, um einen einstellbaren Anteil der Zylindercharge
während
des Verdichtungshubes einzufangen, um so das effektive Verdichtungsverhältnis des
Motors zu variieren. Die laufende Patentanmeldung
PCT/GB2004/001018 schlägt den Einsatz
einer Nebenkammer als Pufferkammer in einem Fahrzeug mit Luft-Hybrid-Motor
vor, um Druckgas in zwei Schritten über die Nebenkammer einem Druckgasspeicher
zuzuführen,
wenn der Motor als Gaskompressor arbeitet, so dass die Fahrzeugverzögerung unterstützt wird,
und das Druckgas in zwei Schritten von dem Druckgasspeicher über die
Nebenkammer auszudehnen, wenn der Motor als Druckgasausdehnungsmotor
betrieben wird, so dass die Fahrzeugbeschleunigung unterstützt wird.
Eine andere laufende Patentanmeldung
GB0405828.5 schlägt den Einsatz einer
Nebenkammer vor, um die Verdichtungstemperatur der Zylindercharge
zu variieren, um so eine CAI/HCCI-Verbrennung zu erzielen, und den
Selbstzündzeitpunkt
zu beeinflussen.
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Zur
praktischen Umsetzung der oben vorgeschlagenen Konzepte war es bisher
nötig,
eine gesonderte Nebenkammer sowie ein gesondertes Steuerventil vorzusehen,
das den Anschluß an
den Motorzylinder zum passenden Zeitpunkt herstellt, um so den internen
Gastransfer zu verändern.
Ein solches System bedeutet jedoch zusätzliche Kosten und zusätzlichen
Aufwand und ist schwer in dem begrenzten Raum eines Brennraumes
im Motor unterzubringen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung zufolge wird ein Verfahren zum Betreiben
einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinder und einem hin- und hergehenden Kolben
gestellt, mit ersten und zweiten Einlassöffnungen zum Ansaugen von Gas
von einer Umgebungsluftquelle in den Motorzylinder, mit ersten und zweiten
Einlassventilen, die jeweils zwischen einer jeweiligen Einlassöffnung und
dem Motorzylinder angeordnet sind, mit einem Rückschlagventil, welches in
der zweiten der Einlassöffnungen
in einem Abstand vom zweiten Einlassventil angeordnet ist und so
ausgerichtet ist, dass es Gas nur zum Motorzylinder hin fließen lässt, und
mit einem verstellbaren Ventilbetätigungssystem zur Steuerung
der Öffnung und
Schließung
wenigstens des zweiten Einlassventils, welches Verfahren dadurch
gekennzeichnet ist, dass in wenigstens einer Betriebsart des Motors
das zweite Einlassventil geöffnet
und geschlossen wird, wenn der Zylinder vollkommen von der Umgebungsluft
abgeschlossen ist, um so einen Gastransfer zwischen dem Zylinder
und einer Nebenkammer zu ermöglichen,
die vorübergehend
von einem Teil der zweiten Einlassöffnung gebildet wird, der zwischen dem
zweiten Einlassventil und dem Rückschlagventil liegt,
wobei das zweite Einlassventil zu einem Zeitpunkt geöffnet wird,
wenn der Druck in der Nebenkammer größer als der Umgebungsluftdruck
ist, so dass kein Gas über
das Rückschlagventil
abströmen kann.
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Es
sind bereits Motoren bekannt, in welchen ein Rückschlagventil stromoberhalb
eines Einlassventils angeordnet ist, um die Atmung des Motors zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung baut auf der Erkenntnis auf, dass der
vorübergehend
zwischen dem Einlassventil und dem Rückschlagventil gebildete geschlossene
Raum dieselbe Funktion wie die Nebenkammern erfüllen kann, die in den zuvor
erwähn ten
Referenzen nach dem bisherigen Stand der Technik für den internen
Gastransfer erforderlich waren.
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Es
ist dabei anzumerken, dass, wenn die Einlassventile so eingestellt
sind, dass sie die Umgebungsluft ganz normal während des Ansaugtaktes des
Motorzyklus öffnen
und verschließen,
das Rückschlagventil
in der zweiten Einlassöffnung
einem Unterdruck vom Motorzylinder ausgesetzt wird und sich automatisch öffnet, um
den Durchfluss von Umgebungsluft in Richtung zum Motorzylinder zu
erlauben. Wenn dagegen ein interner Gastransfer erforderlich ist,
und die Öffnungs- und Schließzeitpunkte
so verstellt werden, dass die zweite Einlassöffnung kurzzeitig an einem örtlichen
Druck angelegt wird, der höher liegt
als der umgebungsluftseitige Einlassdruck, hört die zweite Einlassöffnung auf,
als Umgebungsluft-Einströmöffnung zu
arbeiten, aber der Motor kann dann noch weiterhin mit Luft arbeiten,
die durch die erste Einlassöffnung
geliefert wird, so dass keine nennenswerte Beeinträchtigung
des Motorlaufes entsteht, außer
einer möglichen
Minderung des Volumenwirkungsgrades des Motors.
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In
der vorliegenden Erfindung ist dadurch, dass der Endabschnitt der
zweiten Einlassöffnung vorübergehend
in eine Nebenkammer umgewandelt wird, kein zusätzlicher Raum im Brennraum
erforderlich, um diese Einrichtung unterzubringen, und es lassen
sich dadurch Einsparungen erzielen, dass das Verbindungsventil und
das zugehörige
Ventilbetätigungssystem
für die
Steuerung einer separaten Nebenkammer nicht dupliziert werden müssen, indem hier
das bereits bestehende Einlassventil und sein Ventilbetätigungssystem
genutzt werden.
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Das
Rückschlagventil
ist vorzugsweise ein Lamellenventil, das in der ersten Ansaugöffnung eingebaut
ist, um die vorübergehend
gebildete Nebenkammer abzuteilen.
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In
einer Anwendungsform der Erfindung kann der Motor so ausgelegt werden,
dass er als Motor mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis arbeitet, indem
den Verfahrensschritten gefolgt wird, die vorübergehend gebildete Nebenkammer
kurz mit dem Motorzylinder zu verbinden, indem die Öffnungs-
und Schließzeitpunkte des
zweiten Einlassventils auf eine Periode nach dem Beginn des Verdichtungstaktes
des Motorzyklus verschoben werden, so dass ein verstellbarer Bruchteil
der verdichteten Charge in der Nebenkammer eingefangen wird, so
dass das effektive Verdichtungsverhältnis des Motors verändert wird.
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Die
Vorsehung der oben genannten Nebenkammer ermöglicht es, den in der
EP 0095252 beschriebenen
Vorschlag für
einen Motor mit veränderlichem
Verdichtungsverhältnis
zur Anwendung zu bringen. Des Weiteren kann das Verfahren durch
die Veränderung
des effektiven Verdichtungsverhältnisses
im Einklang mit dem Vorschlag gemäß
GB0405828.5 für die Verstellung der Verdichtungstemperatur
der Zylindercharge eingesetzt werden, um so eine CAI/HCCI-Verbrennung
zu erreichen, und die Einstellung des Selbstzündpunktes zu beeinflussen.
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In
einer anderen Anwendung kann der Motor so ausgelegt werden, dass
er als Luftkompressor arbeitet, um Leistung beim Verzögern des
Fahrzeuges in einem zündungslosen
Zyklus ohne Kraftstoffzufuhr zu absorbieren, indem die Verfahrensschritte
befolgt werden, die besagte vorübergehend
gebildete Nebenkammer kurz mit dem Motorzylinder zu verbinden, indem
die Öffnungs-
und Schließzeitpunkte
des zweiten Einlassventils auf eine Periode vor dem Ende des Verdichtungstaktes
des Motorzyklus verschoben werden, so dass ein Teil der Druckluft
in der Nebenkammer eingefangen wird, wonach die dann dicht abgeschlossene
Nebenkammer kurz mit einem externen Drucklufttank verbunden wird,
und zwar mittels eines gesteuerten Auf-/Zu- bzw. Zweipunktventils,
das zwischen besagter Nebenkammer und besagtem Drucklufttank angeordnet
ist, wodurch ein Teil der Druckluft in den Drucklufttank transferiert wird.
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Die
Vorsehung der oben genannten weiteren Verbindung der dann abgeschlossenen
Nebenkammer mit einem externen Drucklufttank über das Zweipunktventil ermöglicht es,
den in der
PCT/GB2004/001018 beschriebenen
Vorschlag für einen
Luft-Hybridmotor zu Anwendung zu bringen, der während der Fahrzeugverzögerung als
Kompressor arbeitet, um Leistung von den hin- und hergehenden Kolben
zu absorbieren. In diesem Falle fängt das erfindungsgemäße Verfahren
einen Teil der Druckluft später
im Verdichtungstakt des Motorzyklus in der vorübergehend gebildeten Nebenkammer
ein, und die so eingefangene Druckluft wird dann anschließend während der
Restperiode des Motorzyklus in einen externen Drucklufttank entlassen,
so dass ein Teil der Druckluftenergie in diesem Drucklufttank gespeichert wird.
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Die
gespeicherte Druckluft kann dann später in dem Hybridmotor auf
mehrere Arten und Weisen wiederverwendet werden, z.B. zum Anlassen
und Neustarten des Motors im Stopp-Start-Betrieb, zur Erhöhung der
Motorleistung durch einen schnellen Stoß von Druckluft bei der Beschleunigung,
um die durch den Turbolader bedingte Ansprechzeit zu verkürzen, zur
Einspritzung von Sekundärluft
in die Motorabgasanlage zwecks schneller Erreichung der Betriebstemperatur
des Katalysators und Regenerierung der Partikelfalle, und zum Antrieb
des Motors unter bestimmten Fahrbedingungen mit konstanter Geschwindigkeit.
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Insbesondere
kann das erfindungsgemäße Verfahren
in noch einer weiteren Ausführungsform
in einem kombinierten "Start-und-Zünd-Zyklus" zum Durchdrehen
und Zünden
des Motors im Stopp-Start-Betrieb eingesetzt werden, bei dem die im
externen Drucklufttank gespeicherte Druckluft verwendet wird. In
diesem Falle werden die Öffnungs- und
Schließzeitpunkte
der ersten und zweiten Einlassventile derart verstellt, dass der
Motorzylinder von der Umgebungsluftquelle abgetrennt wird, indem das
erste Einlassventil überhaupt
nicht geöffnet
wird (mittels eines verstellbaren Ventilbetätigungssystems, welches das
Ventil abschaltet), während
das zweite Einlassventil während
des Einlasstaktes des Motorzyklus normal geöffnet und geschlossen wird, wobei
die zweite Einlassöffnung
auch mit der externen Druckluftquelle verbunden wird, indem das
Zweipunktventil geöffnet
wird. Während
des oben genannten Durchdreh-und-Zündbetriebes bleibt das Rückschlagventil
in der zweiten Einlassöffnung
wegen des Luftdruckes vom externen Drucklufttank geschlossen, und
Druckluft tritt während
des Einlasstaktes in den Zylinder ein und treibt dabei gleichzeitig
den Kolben mit hohem Druck an, so dass eine Antriebskraft zum Durchdrehen
des Motors erzeugt wird. Dieselbe Luft wird dann in dem unmittelbar
folgenden Verdichtungstakt verdichtet und mit Kraftstoff gezündet, so
dass weitere Verbrennungskraft geliefert wird. Dadurch wird der
Motor mit zwei Drehmomentimpulsen im selben Zyklus sehr schnell
beschleunigt.
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Durch
Anschließen
einer ganzen Zylinderreihe an einen gemeinsamen externen Drucklufttank gemäß dem oben
beschriebenen Verfahren wird der Start-und-Zünd-Zyklus
automatisch mit der Zündfolge
der Zylinder synchronisiert, wobei die Kurbelwelle durchgedreht
und der Motor innerhalb einer oder zweier Kurbelwellenumdrehungen
sofort neu gestartet wird. Ist der Motor dann angesprungen, wird
die Druckluft vom externen Drucklufttank abgeschaltet und der Motor
geht sanft und natürlich über auf
den normalen Zündbetrieb,
wobei das Rückschlagventil in
der zweiten Einlassöffnung
nun automatisch öffnet, um
Umgebungsluft in den darauffolgenden Zyklen durch die Einlassöffnung ansaugen
zu können,
woraufhin das erste Einlassventil wieder aktiviert wird. Dadurch
ist der Start-und-Zünd-Zyklus
gemäß dem internen
Gastransferverfahren nach der vorliegenden Erfindung ein sehr wirkungsvoller
Prozess für
den Stopp-Start-Betrieb eines Luft-Hybrid-Motors.
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Der
oben genannte Start-und-Zünd-Zyklus kann
auch während
der Fahrt eingesetzt werden, zur Beschleunigung und zum schnellen
Anfahren eines Fahrzeuges, um den Motor mit einer sehr hohen Ladeleistung
von mehreren bar Luftdruck aufzuladen, wenn auch nur für einen
kurzen Zeitraum, so dass ein sehr hohes Drehmoment erzeugt wird,
das über
das normalerweise von einem Turbolader zu erwartende momentane Lademoment
hinausgeht, so dass die Ansprechverzögerung und die Abgasrußprobleme vermieden
werden, die durch das Nachhinken eines Turboladers hervorgerufen
werden.
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Selbstverständlich kann
der Motor jederzeit auch umgeschaltet werden, so dass er mit zwei durchgängig geöffneten
Einlassöffnungen
arbeitet, um seinen maximalen Volumenwirkungsgrad zu erreichen,
indem die Öffnungs-
und Schließsteuerzeiten
beider erster und zweiter Einlassventile auf die Umgebungsluftansaugperiode
des Motorzyklus verschoben werden.
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In
den vorstehend beschriebenen Anwendungen der vorliegenden Erfindung
wird ein verstellbares Ventilbetätigungssystem
verwendet, um die Öffnungs-
und Schließzeitpunkte
der ersten und zweiten Einlassventile zu verstellen. Es kann dies
ein vollflexibles verstellbares Ventilbetätigungssystem der nockenlosen
Bau art sein, bei welchem elektrohydraulische oder elektromagnetische
Stellantriebe verwendet werden, derartige Systeme sind jedoch derzeit
noch im Prototypenentwicklungsstadium und sind aufwendig und teuer.
Es ist daher ein Vorteil der Erfindung, dass sie auch unter Einsatz
viel einfacherer und bewährter
nockengetriebener Systeme zur Anwendung gebracht werden kann, wie
z.B. mit verstellbaren Nockenwellensteuerzeiten (VCT), verstellbarem
Ventilhub und -Betätigungsdauer
(VVLD), Nockenprofilumschaltung (CPS) und Ventilabschaltung (de-act),
die sich alle rasch zur Standardausstattung von in Großserien
produzierten Motoren entwickeln.
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Kurz
zur Erläuterung
sei gesagt, dass VCT durch eine phasenverstellbare, die Nockenwelle
antreibende Mitnehmerscheibe erzielt wird, wofür Beispiele in zahlreichen
Motoren von z.B. Ford®, General Motors® und
Toyota® zu
finden sind, VVLD wird über
Kipphebel mit verstellbarer Geometrie erzielt, wobei Beispiele hierfür in Motoren
von BMW® zu
finden sind, CPS wird durch die selektive Einkuppelung eines Nockenfolgegliedes
mit jeweils einem von zwei verfügbaren
festen Nockenprofilen auf einer gemeinsamen Nockenwelle realisiert,
wofür Beispiele
in Honda®-Motoren
zu finden sind, und Ventilabschaltung wird durch einen Verriegelungsmechanismus mit
Totgang erreicht, wie er von der Eaton Corp. für Motoren mit verstellbarem
Hubraum entwickelt worden ist.
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Durch
die Wahl des wirtschaftlichsten Systems zur verstellbaren Ventilsteuerung
je nach dem Bedarf der verschiedenen Motoranwendungsfälle bei Einsatz
des internen Gastransferverfahrens der vorliegenden Erfindung kann
ein in hohem Maße
wirksames und zuverlässiges
Paket für
jeden Anwendungsfall hergestellt werden. Ein Motor mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis z.B.,
bei welchem eine erfindungsgemäß vorübergehend
erzeugte Nebenkammer zum Einsatz kommt, kann in einem VVLD-System
mit kleinem Ventilhub und kurzer Ventilbetätigungszeit in Kombination
mit einer VCT-Steuerung, welche auf das zweite Einlassventil wirkt,
gesteuert werden. In einem anderen Beispiel kann ein billiger Luft-Hybrid-Motor mit vorübergehend
erzeugter Nebenkammer mittels auf das zweite Einlassventil wirkender
VCT oder CPS zwischen einem Zündbetrieb und
einem Kompressorbetrieb umgeschaltet werden, und kann auch mittels
auf das erste Einlassventil wirkender Ventilabschaltung im Stopp-Start-Betrieb
auf den Start-und-Zünd-Betrieb geschaltet
werden. Darüber
hinaus kann in diesem Motor auch ein anderes VCT- oder CPS-System
mit einbezogen werden, das auf das erste Einlassventil wirkt, um
die Hochgeschwindigkeitsleistung zu erhöhen, wie es üblicherweise
für diesen
Einsatzzweck gehandhabt wird.
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In
den oben beschriebenen Beispielen werden in der Herstellung bewährte VCT-,
VVLD-, CPS- oder Ventilabschaltsysteme verwendet, um die zusätzlichen
Funktionen verstellbaren Verdichtungsverhältnisses, HCCI/CAI-Verbrennungsregelung
und Luft-Hybridbetrieb zu realisieren. Das macht das interne Gastransferverfahren
der vorliegenden Erfindung extrem praktisch mit relativ geringem
Entwicklungsaufwand bei gleichzeitiger Realisierung eines sehr hohen
Potentials.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig
näher erläutert werden;
dabei zeigen:
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1:
eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit ersten und
zweiten Einlassöffnungen
und mit einem Rückschlagventil
in der zweiten Einlassöffnung,
das in dem internen Gastransferverfahren der vorliegenden Erfindung
zum Einsatz gebracht wird,
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2a, 2b, 2c, 2d:
Einlassventil-Steuerdiagramme für
mehrere Arten und Weisen, das interne Gastransferverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Einsatz von in der Produktion bewährten verstellbaren
Ventilsteuersystemen zur Anwendung zu bringen, um die besagten zusätzlichen
Funktionen für
den Motor zu erzielen.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
im einzelnen
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1 zeigt
eine Brennkraftmaschine mit einer ersten und zweiten Einlassöffnung 24, 22,
die in Verbindung mit einer Auslassöffnung 26 in jedem
Zylinder arbeiten, wobei jede Öffnung
durch ein zugehöriges
Tellerventil 14, 12, 16 gesteuert wird,
das zeitlich wiederum so gesteuert wird, dass es sich während des
Einlass- bzw. Auslasstaktes des Motorzyklus öffnet und schließt, so dass
es den Gaswechsel bzw. die Atmung des Motors steuert. Zusätzlich dazu
ist in der zweiten Einlassöffnung 22 ein
Lamellen-Rückschlagventil 32 vorgesehen
und so angeordnet, dass das Ventil 32 automatisch in Strömungsrichtung
weg vom Motorzylinder 10 schließt, wenn die Öffnung 22 und
das Rückschlagventil 32 einem örtlichen
Druck ausgesetzt sind, der größer als
der Eingangsdruck der Umgebungsluft ist. Der Motor weist auch ein
Kraftstoffsystem und ein Zündsystem auf,
die jedoch nicht dargestellt sind.
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In
dem oben genannten Motor ist ein (nicht dargestelltes) verstellbares
Ventilbetätigungssystem für die Einlassventile 12, 14 vorgesehen.
Dies kann ein vollflexibles und verstellbares System sein, wie bei
einem elektronisch gesteuerten nockenlosen Ventilbetätigungssystem,
welches elektrohydraulische oder elektromagnetische Stellantriebe
zum Einsatz bringt. Es ist jedoch nicht nötig, einen solchen hohen Aufwand
zu treiben, und die vorliegende Erfindung kann unter Einsatz viel
einfacherer, in Großserie
herstellbarer, nockenwellengetriebener, verstellbarer Ventilsteuersysteme
zur Anwendung gebracht werden, wie z.B. VCT, VVLD, CPS und Ventilabschaltung.
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Das
zweite Einlassventil 12 ist normalerweise so gesteuert,
dass es sich während
des Umgebungsluft-Einlasstaktes des Motorzyklus öffnet und schließt, in welchem
das Rückschlagventil 32 vom Motorzylinder 10 her
einem Unterdruck ausgesetzt ist und sich automatisch öffnet, so
dass ein Durchströmen
von Luft in Strömungsrichtung
zum Motorzylinder 10 ermöglicht wird. Wenn ein interner
Gastransfer benötigt
wird, während
der Zylinder 10 von der Umgebungsluftversorgung abgeschnitten
ist, kann das zweite Einlassventil 12 in seinen Steuerzeiten
so verschoben werden, dass es sich im Verdichtungshub des Motorzyklus öffnet und schließt, so dass
die zweite Einlassöffnung 22 und
das Rückschlagventil 32 einem örtlichen
Druck ausgesetzt werden, der höher
als der Zuleitungsdruck der Umgebungsluft liegt, so dass sich das
Rückschlagventil 32 automatisch
schließt
und den Endabschnitt der zweiten Einlassöffnung 22 isoliert,
so dass vorübergehend
eine Nebenkammer 30 gebildet wird, und dass der interne
Gastransfer zwischen der Nebenkammer 30 und dem Motorzylinder 10 stattfinden
kann.
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Das
Lamellen-Rückschlagventil 32 ist
so ausgelegt, dass es schnell reagiert und eine gute Abdichtung
gegen hohen Druck innerhalb der Nebenkammer 30 bietet.
Ebenso ist es dazu ausgelegt, dass es einen großen Volumenstrom durchlässt, wenn
in der Einlassöffnung 22 ein
Unterdruck herrscht.
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In 1 ist
der Motor zu einem Zeitpunkt dargestellt, wenn der Motorzyklus den
Verdichtungstakt durchläuft,
während
sich das Einlassventil 14 und das Auslassventil 16 in
der Schließstellung
befinden. Das Einlassventil 12 der Einlassöffnung 22 dagegen
ist zu diesem Zeitpunkt in der offenen Stellung dargestellt, wo
es die vorübergehend
gebildete Nebenkammer 30 mit dem Motorzylinder 10 verbindet und
einen internen Gastransfer zwischen der Nebenkammer 30 und
dem Motorzylinder 10 erlaubt.
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Es
sei dabei angemerkt, dass in diesem Falle die zweite Einlassöffnung 22 aufhört, als
Umgebungslufteinlasskanal während
des Einlasstaktes des Motorzyklus zu dienen, der Motor aber weiterhin mit
der ersten Einlassöffnung 24 und
dem zugehörigen
Einlassventil 14 arbeitet, die weiter voll funktionstüchtig als
Umgebungsluftdurchgang funktionieren, so dass keine Beeinträchtigung
des Motorlaufes entsteht, außer
einer eventuellen Minderung des Volumenwirkungsgrades des Motors.
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Das
interne Gastransferverfahren der vorliegenden Erfindung kann dazu
eingesetzt werden, den Leistungswandlungsprozeß des Motors auf eine Reihe
von Weisen zu beeinflussen, wie sie im folgenden mit Bezug auf mehrere,
in den 2b, 2c, 2d dargestellte
Beispiele beschrieben werden sollen.
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In
einem ersten Beispiel gemäß dem in
der
EP 0095252 beschriebenen
Vorschlag kann der Motor als Motor mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis betrieben
werden, indem die Verfahrensschritte der kurzzeitigen Verbindung
der vorübergehend
gebildeten Nebenkammer
30 mit dem Motorzylinder
10 befolgt
werden, indem die Öffnungs-
und Schließzeitpunkte
des zweiten Einlassventils
12 auf eine Periode nach dem
Beginn des Verdichtungstaktes des Motors verschoben werden, so dass
ein veränderlicher Anteil
der verdichteten Charge in die Nebenkammer
30 abgeleitet
werden kann, um so das effektive Verdichtungsverhältnis des
Motors zu verändern.
Um dies zu erreichen, kann ein in der Herstellung bewährtes VVLD-Ventilsteuersystem
in Kombination mit einer auf das zweite Einlassventil
12 wirkenden VCT
(Steuerzeitverschiebung) eingesetzt werden, wie in
2b dargestellt
ist.
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Der
oben beschriebene Motor mit verstellbarem Verdichtungsverhältnis kann
dann gemäß dem in
der
GB 0405828.5 beschriebenen
Vorschlag eingesetzt werden, um die Verdichtungstemperatur der Zylindercharge
zu variieren, um so eine CAI/HCCI-Verbrennung zu erzielen und den
Selbstzündzeitpunkt
zu beeinflussen.
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In
einem zweiten Beispiel kann der Motor dazu gebracht werden, als
Kompressor zu arbeiten, um Leistung während einer Verzögerung in
einem reibungsfreien Zyklus ohne Zuführung von Kraftstoff zu absorbieren,
indem die Schritte des kurzzeitigen Anschlusses der vorübergehend
gebildeten Nebenkammer 30 an dem Motorzylinder 10 ausgeführt werden,
indem die Öffnungs-
und Schließzeitpunkte
des zweiten Einlassventils 12 auf eine Periode vor dem Ende
des Verdichtungstaktes des Motorzyklus verschoben werden, so dass
ein Teil der verdichteten Luft in der vorübergehend gebildeten Nebenkammer 30 eingefangen
wird, woraufhin die dann dicht abgeschlossene vorübergehend
gebildete Nebenkammer 30 über ein synchron gesteuertes,
zwischen der Nebenkammer 30 und einem externen Druckluftspeichertank 36 angeordnetes
Auf-/Zu- bzw. Zweipunktventil 34 kurz mit dem Drucklufttank 36 verbunden wird,
so dass ein Teil der Druckluft in den Lufttank 36 transferiert
wird. Um dies zu erreichen, kann ein in der Herstellung bewährtes VCT-
oder CPS-Ventilsteuersystem eingesetzt werden, das dann auf das zweite
Einlassventil 12 wirkt, wie in 2c dargestellt
ist.
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Die
Vorsehung der oben genannten Verbindung zwischen der dann dicht
abgeschlossenen Nebenkammer
30 und einem externen Drucklufttank
36 über das
Zweipunktventil
34 ermöglicht
es, den in der
PCT/GB2004/001018 beschriebenen
Vorschlag für einen
Luft-Hybridmotor zur Anwendung zu bringen, der während der Verzögerung als
ein Luftkompressor arbeitet, um Leistung aus den hin- und hergehenden Kolben
zu absorbieren. In diesem Falle bewirkt das interne Gastransferverfahren
der vorliegenden Erfindung, dass ein Teil der Druckluft spät im Verdichtungstakt
des Motorzyklus in der vorübergehend
gebildeten Nebenkammer
30 eingefangen wird, und die so
gefangene Luft anschließend
während
des restlichen Motorzyklus in einen externen Drucklufttank
36 entlassen
wird, so dass ein Teil der Druckluft in dem Drucklufttank
36 gespeichert
wird.
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Die
gespeicherte Druckluft kann dann später auf unterschiedliche Art
und Weise in dem Luft-Hybridmotor wiederverwendet werden, z.B. zum
Durchdrehen und Neustarten des Motors im Stopp-Start-Betrieb, zur
Aufladung des Motors mit einem schnellen Stoß Druckluft während der
Beschleunigung, um die von einem Turbolader bedingte Ansprechzeit
zu verkürzen,
zum Einspritzen von Sekundärluft
in das Motorabgassystem, um den Katalysator schneller auf seine
Betriebstemperatur zu bringen und einen Partikelfilter zu regenerieren,
und zum Antreiben des Motors unter bestimmten Fahrbedingungen mit
konstanter Geschwindigkeit.
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Insbesondere
kann in einem dritten Beispiel das interne Gaswechselverfahren der
vorliegenden Erfindung in einem kombinierten "Start-und-Zünd-Zyklus" eingesetzt werden, um den Motor bei Stopp-Start-Betrieb
durchzudrehen und zu zünden, indem
die in dem externen Drucklufttank 36 gespeicherte Druckluft
verwendet wird. In diesem Falle werden die Öffnungs- und Schließzeitpunkte
der ersten und zweiten Einlassventile derart verstellt, dass der Motorzylinder
von der Umgebungsluftquelle abgetrennt wird, indem das erste Einlassventil 14 überhaupt
nicht geöffnet
wird (Ventilabschaltung), während
das zweite Einlassventil 12 während des Ansaugtaktes des
Motorzyklus normal geöffnet
und geschlossen wird, während
die zweite Einlassöffnung durch Öffnen des
synchron gesteuerten Zweipunktventils 34 auch an dem externen
Drucklufttank 36 angeschlossen wird. In dem oben erwähn ten Start-und-Zünd-Zyklus
bleibt das Rückschlagventil 32 in
der zweiten Einlassöffnung 22 wegen
des Luftdruckes vom externen Lufttank 36 geschlossen, und Druckluft
tritt während
des Ansaugtaktes in den Zylinder 10 ein und triebt dabei
gleichzeitig den Kolben 20 mit hohem Druck nach unten,
so dass Antriebskraft zum Durchdrehen des Motors geliefert wird.
Dieselbe Luft wird dann im unmittelbar darauffolgenden Verdichtungstakt
verdichtet und mit Kraftstoff gezündet, so dass weitere Verbrennungskraft
geliefert wird. Dadurch wird der Motor sehr schnell mit zwei Drehmomentimpulsen
im selben Zyklus beschleunigt. Um dies zu erreichen, kann ein in
der Herstellung bewährtes,
auf das erste Einlassventil 14 wirkendes Ventilabschaltsystem
eingesetzt werden, wie es in 2d dargestellt
ist.
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Durch
Anschließen
einer ganzen Zylinderreihe an den externen Drucklufttank 36 gemäß der vorliegenden
Erfindung wird der Start-und-Zünd-Zyklus automatisch
mit der Zündfolge
der Zylinder synchronisiert, so dass die Kurbelwelle durchgedreht
und der Motor innerhalb von nur einer oder zwei Kurbelwellenumdrehungen
sofort neugestartet wird. Ist der Motor angesprungen, wird die Druckluft
vom externen Drucklufttank 36 abgeschaltet, und der Motor
geht sanft und natürlich
auf den normalen Zündbetrieb über, bei
dem das Rückschlagventil 32 in
der zweiten Einlassöffnung 22 jetzt
automatisch öffnet,
um Umgebungsluft in den folgenden Zyklen durch die Öffnung 22 ansaugen
zu können,
woraufhin das erste Einlassventil 14 wieder aktiviert wird.
Auf diese Weise ist der Start-und-Zünd-Zyklus nach dem internen Gastransferverfahren
der vorliegenden Erfindung ein sehr effizienter Prozess für den Stopp-Start-Betrieb eines
Luft-Hybridmotors.
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Der
obengenannte Start-und-Zünd-Zyklus kann
auch während
der Fahrt eingesetzt werden, z.B. zur Beschleunigung und zum schnellen
Anfahren eines Fahrzeuges, zum Aufladen des Motors mit sehr hohem
Ladedruck von auf mehrere bar komprimierter Druckluft, wenn auch
nur für
einen kurzen Zeitraum, so dass sehr hohes Drehmoment geliefert wird,
das über
das momentane Drehmoment hinausgeht, das normalerweise von der Aufladung
durch einen Turbolader zu erwarten ist, wodurch die Ansprechverzögerung und
die Abgasrußprobleme
vermieden werden, die sonst durch das "Nachhinken" des Turboladers bedingt werden.
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Selbstverständlich kann
der Motor jederzeit auf einen Betrieb umgeschaltet werden, bei dem
beide Einlassöffnungen 24, 22 auf
Durchgang geschaltet sind, um den maximalen Volumenwirkungsgrad im
Zündbetrieb
zu erzielen, indem die Öffnungs-
und Schließzeiten
sowohl des ersten als auch des zweiten Einlassventils 14, 12 auf
die Periode des Umgebungsluft-Ansaugtaktes des Motorzyklus verschoben werden,
wie in 2a dargestellt ist.
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In
den obengenannten Beispielen werden in der Herstellung bewährte VCT-,
VVLD-, CPS- oder Abschaltsysteme zum Einsatz gebracht, um die zusätzlichen
Funktionen eines verstellbaren Verdichtungsverhältnisses, einer HCCI/CAI-Verbrennungssteuerung
und eines Luft-Hybridbetriebes zu erzielen. Dadurch ist das interne
Gaswechselverfahren der vorliegenden Erfindung extrem praktisch,
wobei es nur einen relativ geringen Entwicklungsaufwand erfordert,
um dennoch sein hohes Potential zu erreichen.
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Wenn
andererseits höher
entwickelte elektromagnetische oder elektrohydraulische Ventiltriebe verfügbar werden,
kann das Verfahren auch noch weiter ausgefeilt zum Einsatz gebracht
werden. Das zweite Einlassventil 12 z.B. kann zweimal in
jedem Zyklus geöffnet
und geschlossen werden, nämlich einmal
während
des Umgebungsluft-Ansaugtaktes, und dann noch einmal, nachdem der
Zylinder 10 von der Umgebungsluftzufuhr abgetrennt worden
ist, so dass die Ventilfunktionen der 2a und 2b miteinander
kombiniert werden, um den vollen Volumenwirkungsgrad und ein verstellbares
Verdichtungsverhältnis
zu erreichen und so, dass die Ventilfunktionen der 2a und 2c miteinander
kombiniert werden, um sowohl den vollen Volumenwirkungsgrad als auch
den Kompressorbetrieb zu realisieren.