DE69912019T2 - Überwachtes Selbstzündungsverbrennungsverfahren und zugehörige 4-Takt Brennkraftmaschine mit Transferleitung zwischen Zylinder und Ventil dafür - Google Patents

Überwachtes Selbstzündungsverbrennungsverfahren und zugehörige 4-Takt Brennkraftmaschine mit Transferleitung zwischen Zylinder und Ventil dafür Download PDF

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Description

  • Die Erfindung betrifft 4-Takt-Brennkraftmaschinen mit geregelter Selbstzündung.
  • Die geregelte oder kontrollierte Selbstzündung ist ein bekanntes Phänomen bei 2-Takt-Motoren. Dieser Typ von Verbrennung zeitigt Vorteile hinsichtlich des Ausstoßes von Verunreinigungen: man erhält insbesondere geringe Emissionen von Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden. Im übrigen ist eine beachtliche zyklische Regelmäßigkeit bei der Verbrennung mit Selbstzündung realisiert.
  • Die Selbstzündung ist ein Phänomen, die es ermöglicht, die Verbrennung dank der Restverbrennungsgase auszulösen, die in der Verbrennungskammer nach der Verbrennung verbleiben.
  • Realisiert wird die Selbstzündung, indem man die Menge der Restgase und ihr Gemisch mit den frischen Gasen (die noch nicht verbrannt sind) regelt oder kontrolliert. Die Restgase (verbrannte heiße Gase) lösen die Verbrennung der frischen Gase dank einer Kombination von Temperatur und dem Vorhandensein aktiver Spezies (Radikale) aus.
  • Bei den 2-Takt-Motoren ist das Vorhandensein von Restgasen der Verbrennung „inhärent". Wenn die Last des Motors nämlich abnimmt, dann vermindert sich die Menge an frischen Gasen, was zu einer Erhöhung der Menge an Restgasen führt (verbrannte Gase des oder der vorhergehenden Zyklen, die nicht aus dem Zylinder ausgetreten sind). Der 2-Takt-Motor arbeitet also mit einer inneren Rezirkulation (oder innerer EGR) der verbrannten Gase bei Teillast. Das Vorhandensein dieser inneren EGR jedoch ist nicht ausreichend, um bei Selbstzündung den gewünschten Betrieb zu erhalten. Die Arbeiten der Forscher zeigen, dass es notwendig ist, das Gemisch zwischen dieser internen EGR und den frischen Gasen zu kontrollieren und zu begrenzen.
  • Die Technologie des geregelten Selbstzündens, angewendet auf den 4-Takt-Motor, ist besonders interessant, da sie es ermöglicht, den Motor mit einem extrem verdünnten Gemisch arbeiten zu lassen, mit sehr geringer Fettheit und extrem geringen Emissionen von Stickoxiden.
  • Diese Technologie jedoch trifft auf eine technologische erhebliche Schwierigkeit, die in der Tatsache zu sehen ist, dass, um sie zu erhalten, ohne auf den internen EGR-Effekt des 2-Takt-Motors zu verzichten, es notwendig ist, entweder sehr stark das Kompressionsverhältnis des Motors (mit Problemen des Klopfens bei erhöhter Last) zu erhöhen oder sehr stark (etliche hundert Grad C) die frischen eingelassenen Gase vorzuwärmen oder die beiden Phänomene zu kombinieren.
  • Lösungen zur Verminderung der Forderungen, was den Druck und die Temperatur für die 4-Takt-Motoren angeht, können teilweise durch Zugabe geeigneter Additive in den Kraftstoff gefunden werden. Die französische Patentanmeldung FR 2 738 594 illustriert eine Lösung dieses Typs.
  • Für die 4-Takt-Motoren ist es bekannt, beispielsweise durch die internationale Patentanmeldung PCT WO 93/16276, eine variable Verschiebung der Verteilung mit einem Rückschlagsystem zum Einlass mit dem Ziel zu kombinieren, die Pumpverluste bei Teillast zu vermindern. Diese Lösung ermöglicht also einen Betrieb mit der Drosselklappe, die so weit offen wie möglich ist.
  • Die französische Patentanmeldung EN. 97/02 822, eingereicht im Namen der Anmelderin, beschreibt eine Selbstzündungsregelung in einem 4-Takt-Motor. Genauer sieht dieses Dokument bei Teillast vor, das Gemisch der frischen Gase mit den eingeschlossenen verbrannten Gasen in der Brennkammer zu minimieren, indem das Schließen des Auslasses so weit wie möglich verzögert wird. Es handelt sich also um ein „internes" Rezyklieren, wodurch es möglich wird, die Gase in der Brennkammer zu schichten.
  • Die französische Patentanmeldung EN. 97/11 279, eingereicht im Namen der Anmelderin, ist auch auf das Ziel gerichtet, bei Teillast das Gemisch der frischen Gase mit den verbrannten in der Brennkammer enthaltenen Gasen mit dem Ziel zu mini mieren, die Verbrennung bei Selbstzündung zu regeln und zu begünstigen. Dieser Stand der Technik schlägt jedoch vor, dass man die verbrannten Gase aus dem Auspuff bis zum Einlass über eine spezifische Leitung überführt oder transferiert, die kurz vor der Brennkammer in eine Luftspeiseleitung mündet. Die Charge aus Frischluft-Kraftstoff wird getrennt und verzögert bzw. spät über eine zweite Leitung zugeführt. Ein Einführen von Chargen nacheinander ist also vorgesehen.
  • Diese Lösung erzeugt jedoch eine zu starke Verdünnung der verbrannten rezyklierten Gase durch die Luft vor dem Eintritt in die Brennkammer, was Probleme darstellen kann.
  • Ebenfalls ist aus der DE-A-4 036 537 bekannt, unter Druck die Auslassgase in einem Sammler über eine spezifische Öffnung zu lagern, die im Motor vorgesehen ist und sie über eben diese Öffnung in die Brennkammer zum Komprimieren der hierin frischen Luft einzuführen.
  • Diese Anordnung bringt eine Kühlung der Auslassgase mit sich und ermöglicht es nicht, diese Gase zu verwenden, um die Selbstzündung der Frischluft zu begünstigen.
  • Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eine geregelte oder kontrollierte Selbstzündung in Mehrzylinder-4-Takt-Motoren zu realisieren, die sehr einfach, damit verlässlich und leicht umzusetzen sein soll und die die Schichtenbildung der verbrannten Gase in der Brennkammer maximal begünstigt. Darüber hinaus behalten die verbrannten Gase nach der Erfindung ihre Temperatur bei, was für die Selbstverbrennung günstig ist.
  • Somit ist ein Verbrennungsverfahren mit geregelter Selbstzündung eines 4-Takt-Motors Ziel der vorliegenden Erfindung, wobei letzterer mehrere Zylinder umfasst, die je wenigstens ein erstes Einlassmittel und wenigstens ein erstes Auslassmittel umfassen.
  • Erfindungsgemäß besteht das Verfahren während des Teilbetriebs darin,
    • a. über wenigstens eine spezifische Leitung jedes Zylinders und ein geeignetes Transfermittel Auslassgase von einem Zylinder in Auslassphase zu einem Zylinder in Einlassphase zu transferieren bzw. zu überführen,
    • b. und die spezifische Öffnung gleichzeitig wie das Öffnen des ersten Auslassmittels zu öffnen und diese Öffnung gleichzeitig mit dem Schließen des ersten Einlassmittels zu schließen.
  • Das Verfahren nach der Erfindung besteht im übrigen darin, die Verteilung des Auslassgasdurchsatzes zwischen dem ersten Auslassmittel und dem spezifischen Mittel zu regeln.
  • Im übrigen kann das Verfahren darin bestehen, thermisch die transferierten Auslassgase zu isolieren und/oder wieder zu erwärmen, und zwar in diesem geeigneten Transfermittel, um die Selbstzündung noch zu verbessern.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung verwendet man eine gemeinsame Leitung für den Transfer der Auslassgase.
  • Insbesondere verwendet man bei Voll- und Überlast die gemeinsame Leitung und wenigstens gewisse der spezifischen Öffnungen, um eine Charge einzuspeisen oder auch Auslassgase abzuziehen.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung verwendet man für den Transfer der Auslassgase Zylinder pro Zylinder eine Anordnung von die Zylinder zu je zwei verbindenden Leitungen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine 4-Takt-Brennkraftmaschine, die mit geregelter Selbstzündung arbeitet und mehrere Zylinder umfasst, die je wenigstens ein erstes Einlassmittel und wenigstens ein erstes Auslassmittel haben.
  • Erfindungsgemäß umfasst jeder Zylinder im übrigen wenigstens ein spezifisches Mittel, das zum Durchgang der Auslassgase von einem Zylinder in Auslassphase zu einem anderen Zylinder in Einlassphase bestimmt ist sowie ein zugeordnetes Transfermittel, während des Teillastbetriebes, und das spezifische Mittel ist gleichzeitig offen während der Öffnung des ersten Auslassmittels und ist gleichzeitig mit dem Schließen des ersten Einlassmittels geschlossen.
  • Ein Mittel der thermischen Isolation und/oder der Vorwärmung mittels des Transfers kann im übrigen so, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, vorgesehen sein.
  • Vorzugsweise umfasst der Motor im übrigen ein Verteilermittel für die Auslassgase zwischen dem ersten Auslassmittel und diesem spezifischen Mittel bei Teillast.
  • Das Mittel zur Verteilung der Auslassgase kann entweder ein erstes Ventil, das benachbart dem ersten Auslassmittel angeordnet ist oder ein zweites Ventilmittel, das nahe dem spezifischen Mittel für den Durchgang der Gase angeordnet ist oder die beiden Ventilanordnungen, umfassen.
  • Nach einer ersten Ausführungsform umfasst das Transfermittel eine gemeinsame Leitung, die in jede der spezifischen Öffnungen mündet.
  • Vorzugsweise weist die gemeinsame Leitung im übrigen eine Öffnung auf, in welche eine Leitung mündet, die mit einem Steuermittel für den Gasdurchsatz ausgestattet ist.
  • Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst das Transfermittel eine Gruppierung von Leitungen, welche die Zylinder zu je zwei verbinden.
  • Andere Merkmale, Details, Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich beim Lesen der folgenden Beschreibung, in der illustrativ und nicht als Begrenzung Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen wird, in denen:
  • 1 ein schematischer Schnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung ist;
  • 2 ist eine graphische Darstellung, die das Gesetz des Ventilhubs über einen Zyklus gibt; und
  • 3 ist ein schematischer Schnitt einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
  • 1 illustriert den Fall eines Motors mit vier Zylindern 1. Anwendbar ist die Erfindung tatsächlich auf sämtliche Motoren, die wenigstens zwei Zylinder umfassen.
  • Jeder Zylinder 1 umfasst wenigstens ein erstes Mittel 2 zum Einlass einer Charge. Unter einem ersten Mittel 2 zum Einlass einer Charge ist hier ein Einlassmittel zu verstehen, dem ein Ventil bzw. eine Ventilklappe zugeordnet ist.
  • Jeder Zylinder umfasst im übrigen ein erstes Auslassmittel 3, das in klassischer Weise aus einer Auslassöffnung und einem zugeordneten Ventil aufgebaut ist.
  • Im übrigen umfasst jeder Zylinder 1 eine spezifische Öffnung 4, in welcher eine Transferleitung für die Auslassgase mündet. Ein Ventil arbeitet mit der spezifischen Öffnung 4 zusammen.
  • In jedem Zylinder ist ein erstes Ventilanordnungsmittel 6 benachbart dem ersten Auslassmittel 3 angeordnet; während ein zweites Ventilanordnungsmittel 7 nahe der spezifischen Öffnung 4 angeordnet ist. Eine geeignete Steuerung, koordiniert mit dem Öffnen jedes Ventilanordnungsmittels 6, 7 ermöglicht es, den Durchsatz der Gase zwischen dem klassischen Auspuff 3 und der spezifischen Öffnung 4 zu steuern und zu verteilen.
  • Es ist möglich, im Rahmen der Erfindung nur eine der beiden Ventilanordnungen vorzusehen.
  • Jeder Zylinder umfasst somit wenigstens eine spezifische Öffnung 4, die mit einem Ventil zusammen wirkt. Sie kann mehrere hiervon umfassen. Das gleiche gilt für die Einlass- und Auslassmittel.
  • Da die Öffnungen 4 über das Transfermittel verbunden sind, können die Auslassgase oder ein anderes Fluid während eines Transfers von einem Zylinder zu einem anderen Zylinder hierin übergehen.
  • Genauer werden bei Teillast Auslassgase von einem Zylinder in Auslassphase zu einem Zylinder in Ansaugphase transferiert.
  • Die nachstehende Tafel illustriert die so über einen Zyklus realisierten Transfers für einen 4-Zylinder-Motor.
  • Figure 00070001
  • Anders ausgedrückt, ausgehend von einer spezifischen Öffnung 4 eines gegebenen Zylinders ist ein Transferstutzen, der sich verdoppelt, anzubringen: einer ist gegen die Öffnung 4 eines Zylinders in verzögerter Phase gerichtet und ermöglicht den Transfer vom gegebenen Zylinder zu dem Zylinder mit Phasenverzögerung; der zweite Stutzen führt auf den Zylinder mit Voreilung und ermöglicht den Transfer der Auslassgase vom in Voreilung befindlichen Zylinder zum gegebenen Zylinder.
  • Betrachtet man Zylinder, die je über mehrere spezifische Öffnungen verfügen, dann führt in wenigstens eine der spezifischen Öffnungen ein Stutzen oder eine Leitung, die mit einem Zylinder in Phasenverzögerung verknüpft ist und in wenigstens einen anderen oder andere spezifische Öffnungen ein Stutzen, der mit einem Zylinder in Phasenvoreilung verbunden ist.
  • Das Gesetz des Anhebens der Ventile in einem gegebenen Zylinder kann das der 2 sein. Das Auslassventil 3 folgt der Kurve E; das Einlassventil 2 folgt der Kurve A, während das spezifische Ventil der Kurve E' folgt, das heißt, dass es sich gleichzeitig wie das Auslassventil öffnet, sich jedoch erst schließt, wenn das Einlassventil schließt. Hierdurch wird es möglich, den Transfer nach der Erfindung von Zylinder zu Zylinder zu erhalten.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung, dargestellt durch die 1 oder 3, umfasst das Transfermittel eine gemeinsame Leitung 5, die in jede der spezifischen Öffnungen 4 mündet.
  • Es ist auch, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, vorzusehen, dass man als Transfermittel eine Anordnung von Leitungen verwendet, welche die Zylinder zu je zwei verbinden und die es beispielsweise für einen Motor mit vier Zylindern möglich macht, die Transfers gemäß der oben stehenden Tabelle durchzuführen.
  • In vorteilhafter Weise lassen sich die Überführungsleitungen) 5 thermisch mit Hilfe einer Keramik 8 beispielsweise isolieren. Sie kann durch spezifische Mittel 8' erwärmt werden. So verlieren die Gase, die in einer Transferleitung 5 wandern, keine Wärme, sie gewinnen sogar Wärme, wenn sie im Zylinder ankommen. Die Selbstentflammung wird so verbessert, da man weiß, dass die Temperatur der rezyklierten Gase ein wichtiger Parameter ist, der die Selbstzündung begünstigt.
  • 3 schematisiert eine andere Ausführungsform der Erfindung, die sich von der der 1 durch Hinzufügung einer Leitung 9 unterscheidet, die in der gemeinsamen Rohrleitung 5 mündet. Ein Ventilschaltmittel 10 ist bevorzugt in dem Rohrleitungssystem 9 nahe seiner Mündung in die gemeinsame Leitung 5 angeordnet.
  • Bei Teillast ist der Betrieb wie vorher erläutert. Bei Volllast kann das Profil des Ventilhubs 4 das des Einlassventils (Kurve A der 2) mit dem Mittel 10 in Öffnungsstellung sein: dies sichert einen optimalen Füllgrad der Zylinder.
  • Das Profil des Ventilhubs 4 kann auch bei Volllast ähnlich dem des Auslassventils (Kurve E der 2) sein, mit dem Mittel 10 offen, um ein optimales Leeren des Motors sicherzustellen. Anders gesagt, nach dieser Ausführungsform der Erfindung wird jedes Ventil 4 bei Volllast entweder als Einlass oder als Auslass verwendet. Diese Charakteristik verbessert somit die Verbrennung während dieser Betriebsphase. Selbstverständlich wird bei Teillast das Mittel 10 derart geschlossen, dass man sich wieder bei einem Betrieb, wie mit Bezug auf 1 beschrieben, befindet.
  • Zweckmäßig sei erwähnt, dass das Mittel 10 völlig fakultativ zusätzlich zur Ausführungsform der 1 sein kann, da es im wesentlichen den Betrieb bei Volllast verbessert.

Claims (14)

  1. Verbrennungsverfahren eines 4-Takt-Motors durch geregelte Selbstzündung mit mehreren Zylindern (1 ), von denen ein jeder wenigstens ein erstes Einlassmittel (2) und wenigstens ein erstes Auslassmittel (3) hat, dadurch gekennzeichnet, dass es während des Teillastbetriebs darin besteht, a. über wenigstens eine spezifische Öffnung (4) jedes Zylinders und eine geeignete Transferleitung (5) Auslassgase von einem Zylinder in Auslassphase gegen einen anderen Zylinder in Einlassphase zu überführen, b. das Öffnen der spezifischen Öffnung (4) gleichzeitig wie das Öffnen des ersten Auslassmittels (3) vorzunehmen und diese Öffnung gleichzeitig mit dem Schließen des ersten Einlassmittels (2) zu schließen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es im übrigen darin besteht, die Verteilung des Durchsatzes der Auslassgase zwischen dem ersten Auslassmittel (3) und dem spezifischen Mittel (4) zu regeln.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, thermisch die in dieses geeignete Transfermittel transferierten Auslassgase zu isolieren und/oder wieder zu erwärmen.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man eine gemeinsame Leitung (5) für den Transfer der Auslassgase verwendet.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Voll- und Überlast man die gemeinsame Leitung (5) und wenigstens gewisse der spezifischen Öffnungen (4) verwendet, um eine Charge einzulassen oder um zu veranlassen, dass Auslassgase abgezogen werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man für den Transfer der Auslassgase von Zylinder zu Zylinder eine Anordnung von Leitungen verwendet, welche die Zylinder zu je zwei verbinden.
  7. 4-Takt-Brennkraftmaschine, die mit geregelter Selbstzündung arbeitet und mehrere Zylinder (1) umfasst, von denen ein jeder wenigstens ein erstes Einlassmittel (2) und wenigstens ein erstes Auslassmittel (3) hat, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (1) im übrigen wenigstens ein spezifisches Mittel (4) umfasst, das zum Durchgang der Auslassgase von einem Zylinder in Auslassphase zu einem anderen Zylinder in Einlassphase bestimmt ist sowie ein Mittel (5) zum zugeordneten Transfer während des Teillastbetriebes umfasst und dass das spezifische Mittel (4) gleichzeitig mit der Öffnung des ersten Auslassmittels (3) offen ist und gleichzeitig mit dem Schließen des ersten Einlassmittels (2) geschlossen ist.
  8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie im übrigen ein Mittel zur thermischen Isolierung (8) und/oder zur Erwärmung (8') dieses Transfermittels umfasst.
  9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie im übrigen ein Mittel (6, 7) zur Verteilung der Auslassgase zwischen dem ersten Auslassmittel (3) und dem spezifischen Mittel (4) bei Teillast umfasst.
  10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilermittel für die Gase ein erstes Ventilmittel (6) umfasst, das benachbart dem ersten Auslassmittel (3) angeordnet ist.
  11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Verteilermittel für die Gase ein zweites Ventilmittel (7) umfasst, das benachbart dem spezifischen Mittel für den Durchsatz der Gase (4) angeordnet ist.
  12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Transfermittel eine gemeinsame Leitung (5) umfasst, die in jede der spezifischen Öffnungen (4) mündet.
  13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese gemeinsame Leitung (5) im übrigen eine Öffnung umfasst, in welche eine Leitung (9) mündet, die mit einem Mittel (10) zur Steuerung des Durchsatzes der Gase ausgestattet ist.
  14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Transfermittel eine Anordnung von Leitungen umfasst, welche die Zylinder paarweise verbindet.
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