EP2570628A2 - Mengengeregelte Brennkraftmaschine - Google Patents

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EP2570628A2
EP2570628A2 EP12182176A EP12182176A EP2570628A2 EP 2570628 A2 EP2570628 A2 EP 2570628A2 EP 12182176 A EP12182176 A EP 12182176A EP 12182176 A EP12182176 A EP 12182176A EP 2570628 A2 EP2570628 A2 EP 2570628A2
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EP
European Patent Office
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combustion engine
internal combustion
intake air
rotary piston
machine
Prior art date
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Withdrawn
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EP12182176A
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English (en)
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EP2570628A3 (de
Inventor
Ulrich Dr.Gutzer
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Publication of EP2570628A2 publication Critical patent/EP2570628A2/de
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    • F02B33/00—Engines characterised by provision of pumps for charging or scavenging
    • F02B33/44—Passages conducting the charge from the pump to the engine inlet, e.g. reservoirs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02M35/00—Combustion-air cleaners, air intakes, intake silencers, or induction systems specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines
    • F02M35/10—Air intakes; Induction systems
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    • F02M35/10065—Valves arranged in the plenum chamber
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    • F02M35/10242—Devices or means connected to or integrated into air intakes; Air intakes combined with other engine or vehicle parts
    • F02M35/10275—Means to avoid a change in direction of incoming fluid, e.g. all intake ducts diverging from plenum chamber at acute angles; Check valves; Flame arrestors for backfire prevention

Definitions

  • the invention relates to a quantity-controlled internal combustion engine with the features of the preamble of patent claim 1.
  • a device for charging an internal combustion engine is known, in particular a four-stroke gasoline engine whose inlet side is supplied from an upstream, with the outlet side of the engine operatively connected to the pressure booster (supercharger system) lying above the atmospheric pressure boost pressure.
  • This device for charging is characterized in that the loader is a modified rotary piston machine (Trochoidenmaschine), the input side as a compression machine and at the same output side, each related to the internal combustion engine, works as an expansion machine, the rotary piston machine for their compression range and for their expansion range on each separate Has inlet and outlet openings and wherein the rotary piston machine is rotatably connected to the internal combustion engine.
  • the rotary piston machine is arranged on the front side of the internal combustion engine, resulting in disadvantageously relatively long ways for the intake air or for the exhaust gas.
  • German patent application DE 101 16 264 A1 a method for operating an internal combustion engine, with a arranged in the intake tract mechanical compressor, which is drivable via a coupling device via the crankshaft.
  • combustion air is delivered to an engine intake.
  • a device for the variable adjustment of the compression ratio in the combustion chamber is provided, via which a higher compression ratio can be set in the partial load range of the internal combustion engine and a lower compression ratio in the full load range.
  • the air mass flow to be delivered by the compressor is variably adjustable, being operated in the partial load range below a reference load value of the compressor for adjusting a negative pressure in the air inlet throttle or expander operation.
  • German patent application DE 10 2009 028 086 A1 a rotary piston machine and a charging device known. It is a rotary piston machine with a housing having a chamber in which at least one rotary piston is eccentrically rotatably mounted, which divides the chamber into a first sub-chamber and a second sub-chamber. It is provided that the outer contour of the rotary piston - seen in cross section - is a double-lobed hypotrochoid. Furthermore, such a charging device, in particular for the operation of an internal combustion engine or a fuel cell assembly is described.
  • This charging device is realized with two rotary piston machines.
  • the first rotary piston machine is used in the illustrated example as a compressor and the second rotary piston machine as an expander.
  • the DE 10 2009 028 086 A1 thus discloses a rotary piston machine with which a fluid is compressible or expandable.
  • Object of the present invention is to show a total geometry for a generic internal combustion engine, which works efficiently and compact builds.
  • the intake air amount can be regulated in an advantageous manner, so that the internal combustion engine via a very wide speed and / or load band is operable.
  • the intake air can thus be advantageously expanded (diluted for low load) or compressed (compressed for high load, charge case).
  • this configuration serves as a check valve in the case of charging.
  • the outer radius of the trochoid machine can be significantly reduced, whereby the space is reduced again.
  • Fig. 1 schematically shows a variable-volume internal combustion engine 1 according to the invention, in the present case, a four-stroke reciprocating internal combustion engine.
  • the internal combustion engine 1 has at least two cylinders 2 arranged in a row, whose longitudinal axes 2 'span a plane perpendicular to the plane of the drawing of an internal combustion engine longitudinal axis.
  • the engine longitudinal axis also corresponds to the extension direction of a crankshaft, not shown.
  • the internal combustion engine 1 may also have only one or more cylinders 2 arranged in series.
  • a fuel introduction, not shown, can take place in an intake system 3 and / or directly into the cylinder 2, wherein in the intake system 3 as a load control member a Trochoidenmaschine 4 is arranged with a rotary piston 5.
  • the load is the load on an internal combustion engine between zero load (for example, idle) over the partial load to full load and also the shift operation.
  • the desired load (load control, load control) is set in the conventional gasoline engine by the mixture mass (quantity control or fuel / air mass flow rate control).
  • the mixture mass in turn is specified by a control element.
  • the control member is usually a throttle flap, in the present case according to the invention, the trochoidal machine 4 in conjunction with a rotary valve 11th
  • the rotary piston 5 describes a planetary motion and rotates at half the speed of rotation about its rotary piston axis 5 ', which in turn rotates with shaft speed and rotationally fixed, for example, with a crankshaft, not shown, of the internal combustion engine or a separate electric machine is coupled. By this rotation, an intake air is compressed or expanded, wherein the amount of air via the rotary valve 11 is adjustable.
  • An air flow direction is indicated by thick arrows, in FIG Fig. 1 ie after an axial inflow (perpendicular to the plane of the drawing) radially into the Trochoidenmaschine 4.
  • An ignition device for the internal combustion engine 1 is numbered 14.
  • a remindströmsperrelement 12 is arranged in the flow direction of the intake after Ansaugluftabriosö réelle 9 in the intake system 3, which may be a flap in the simplest case or controlled or regulated flap mechanisms.
  • this remindströmsperrelement 12 also serves as a check valve.
  • the intake air in the flow direction in front of the Ansaug Kunststoffzu Kunststoffö réelle 8 can also be heated by an exhaust gas of the internal combustion engine 1 in a heat exchanger.
  • the trochoid machine 4 extends in the axial direction across the width of at least one cylinder 2.
  • the outer diameter of the trochoid machine can be significantly reduced, which benefits the design, or the package again.
  • Fig. 2 schematically shows an inflow A for the intake air over time (or the angle of rotation of the rotary valve 11) in the Trochoidenmaschine 4.
  • the line is shown in solid lines and a large load and / or speed, the line is shown in dashed lines.
  • a load control according to the invention for the quantity-controlled internal combustion engine 1 is proposed, in which the troubleshooting machine 4, a rotary piston machine, is used as the expander or compressor of the intake air, the throttle-free inlet (essentially over the length of the opening period, see Figure 2) is regulated.
  • the Trochoidenmaschine 4 is mechanically coupled to the internal combustion engine 1 or a drive train to those of the z in the partial load. B. from 1 bar to 0.3 bar expanded fresh gases work done decrease.
  • the intake air supply opening 8 can also be charged with the internal combustion engine 1 (assuming energy intake from the drive train) with a correspondingly wide inlet cross section become.
  • Fig. 1 an exemplary, possible arrangement is shown:
  • the matching envelope is also a trochoid in this simple case, namely a subsection of a suitably elongated epitrochoid.
  • the degree of slimming is a freely selectable parameter, corresponding to the shortening or lengthening of the trochoid.
  • the current position is represented by a solid line, the three further rotated possible positions are shown in dashed lines.
  • a black arrow indicates the direction of rotation of the rotary piston 5.
  • the inlet control is carried out from radially via a rotating rotary valve, with adjustable cover slide (double arrow), being flowed in the axial direction in the cylindrical or conical rotating rotary valve to be considered.
  • a quiescent, coolable seal 10 can be easily attached.
  • the proposed geometry is characterized by particularly high air flow in terms of space (only one runner, no inner and outer rotor and housing) and small harmful piston surfaces in cross-section in comparison to higher trochoid.
  • the radial inflow of the intake air fits perfectly to the space of a series internal combustion engine, as in the overall length (across the plane) scalable.
  • Trochoid machines 4 can be shown with suitable geometry in hot gas material (ceramic o. ⁇ ) with gap seals at the peripheral sealing point and thus allow the use of exhaust heat.

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Abstract

Mengengeregelte Brennkraftmaschine (1), insbesondere eine Viertakt-Hubkolbenbrennkraftmaschine, mit zumindest einem Zylinder (2), dessen Längsachse (2') mit einer Brennkraftmaschinenlängsachse eine Ebene aufspannt, mit einer Brenrtstoffeinbringung in ein Ansaugsystem (3) und/oder in die Zylinder (2), wobei in dem Ansaugsystem (3) als Lastregelorgan eine Trochoidenmaschine (4) mit einem Rotationskolben (5) angeordnet ist, die drehfest mit einer Welle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist und mit der eine Ansaugluft komprimier- oder expandierbar ist und zumindest einem Gaswechseleinlass- (6) und einem Gaswechselauslassventil (7) je Zylinder (2) für einen Ladungswechsel, wobei der Rotationskolben (5) im Querschnitteine zweibogige Hypotrochoide ist, wobei eine Rotationskolbenachse (5') parallel zur Ebene und weitgehend senkrecht zu der Längsachse (2') augerichtet ist und eine Zufuhr und eine Abfuhr der Ansaugluft in die Trochoidenmaschine (4) weitgehend radial erfolgt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der mengengeregelten Brennkraftmaschine wird ein äußerst kompakter Gesamtaufbau erzielt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine mengengeregelte Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 30 00 145 A1 , von der diese Erfindung ausgeht, ist eine Vorrichtung zur Aufladung einer Brennkraftmaschine bekannt, insbesondere eines Viertakt-Ottomotors, dessen Einlassseite von einem vorgeschalteten, mit der Auslassseite der Brennkraftmaschine in Wirkverbindung stehenden Druckerhöher (Ladersystem) ein über dem Atmosphärendruck liegender Ladedruck zugeführt ist. Diese Vorrichtung zur Aufladung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Lader eine modifizierte Rotationskolbenmaschine (Trochoidenmaschine) ist, die eingangsseitig als Kompressionsmaschine und gleichzeitig ausgangsseitig, jeweils auf die Brennkraftmaschine bezogen, als Expansionsmaschine arbeitet, wobei die Rotationskolbenmaschine für ihren Kompressionsbereich und für ihren Expansionsbereich über jeweils getrennte Einlass- und Auslassöffnungen verfügt und wobei die Rotationskolbenmaschine mit der Brennkraftmaschine drehfest verbunden ist.
  • Die Rotationskolbenmaschine ist stirnseitig an die Brennkraftmaschine angeordnet, wodurch sich in nachteiliger Weise relativ lange Wege für die Ansaugluft bzw. für das Abgas ergeben.
  • Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 16 264 A1 ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine bekannt, mit einem im Ansaugtrakt angeordneten mechanischen Kompressor, der über eine Koppeleinrichtung über die Kurbelwelle antreibbar ist. Bei diesem Verfahren wird Verbrennungsluft in einen Motoreinlass gefördert. Weiterhin ist eine Einrichtung zur variablen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses im Brennraum vorgesehen, über die im Teillastbereich der Brennkraftmaschine ein höheres Verdichtungsverhältnis und im Volllastbereich ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis einstellbar ist. Darüber hinaus ist der vom Kompressor zu fördernde Luftmassenstrom variabel einstellbar, wobei im Teillastbereich unterhalb eines Referenzlastwertes der Kompressor zur Einstellung eines Unterdrucks im Lufteinlass im Drossel- bzw. Expanderbetrieb betrieben wird.
  • In der DE 101 16 264 A1 wird jedoch nicht offenbart oder diskutiert, wie ein derartiger Kompressor, der im Drossel- bzw. Expanderbetrieb betreibbar ist, an die Brennkraftmaschine angeordnet werden könnte.
  • Weiter sind aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2009 028 086 A1 eine Rotationskolbenmaschine sowie eine Aufladeeinrichtung bekannt. Es handelt sich um eine Rotationskolbenmaschine mit einem Gehäuse, das eine Kammer aufweist, in weicher mindestens ein Rotationskolben exzentrisch drehbar gelagert ist, der die Kammer in eine erste Teilkammer und eine zweite Teilkammer aufteilt. Dabei ist vorgesehen, dass die Außenkontur des Rotationskolbens - im Querschnitt gesehen - eine zweibogige Hypotrochoide ist. Weiterhin ist eine derartige Aufladeeinrichtung, insbesondere für den Betrieb einer Brennkraftmaschine oder einer Brennstoffizellenanordnung beschrieben.
  • Diese Aufladeeinrichtung ist mit zwei Rotationskolbenmaschinen realisiert. Die erste Rotationskolbenmaschine wird in dem dargestellten Beispiel als Verdichter und die zweite Rotationskolbenmaschine als Expander verwendet. Die DE 10 2009 028 086 A1 offenbart somit eine Rotationskolbenmaschine mit der ein Fluid komprimier- oder expandierbar ist.
  • Aus der deutschen, noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen DE 10 2011 006 388.9 ist ein Verfahren zum Betrieb einer mengengeregelten Brennkraftmaschine bekannt, mit einem Ansaugtrakt und einem Abgasstrang, wobei in dem Ansaugtrakt in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft vor einem Einlassventil der Brennkraftmaschine eine Expansionsmaschine angeordnet ist, deren Abtriebswelle mit einer Abtriebswelle der Brennkraftmaschine oder mit einer Antriebswelle einer elektrischen Maschine koppelbar ist, wobei ein an den Abgasstrang anordenbarer Wärmetauscher vorgesehen ist, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Verbrennungsluft, bevor sie durch die Expansionsmaschine strömt, in dem Wärmetauscher von dem Abgas der Brennkraftmaschine aufgeheizt wird.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine eine Gesamtgeometrie aufzuzeigen, die effizient arbeitet und kompakt baut.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung bzw. Gesamtanordnung wird das beste Verhältnis von Ansaugluftförderung zu Bauraum erzielt.
  • Mit der Anordnung einer Dichtung an der Kuspe gemäß Patentanspruch 2 wird in vorteilhafter Weise eine ruhende, sehr einfach zu kühlende Dichtung möglich. Aufgrund der relativ geringen auftretenden Druckdifferenzen (≤ 3 bar) in der Trochoidenmaschine kann die Dichtung problemlos und dauerhaft dicht ausgelegt werden.
  • Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 kann in vorteilhafter Weise die Ansaugluftmenge reguliert werden, so dass die Brennkraftmaschine über ein sehr breites Drehzahl- und/oder Lastband betreibbar ist. Die Ansaugluft kann somit in vorteilhafter Weise expandiert (verdünnt für niedrige Last) oder komprimiert (verdichtet für hohe Last, Aufladefall) werden.
  • Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 wird gewährleistet, dass beispielsweise aufgrund von Pulsationen im Ansaugsystem keine Ladeluft in die Trochoidenmaschine zurückgefördert wird. Weiter dient diese Ausgestaltung als Rückschlagklappe im Aufladefall.
  • Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 sind Wirkungsgradverbesserungen erzielbar, wie sie in der deutschen, noch nicht offengelegten Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen DE 10 2011 006 388.9 beschrieben sind.
  • Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 6 lässt sich der Außenradius der Trochoidenmaschine deutlich verringern, wodurch der Bauraum nochmals verringert wird.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in zwei Figuren näher erläutert.
    • Fig. 1
    zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mengengeregelte Brennkraftmaschine.
    Fig. 2
    zeigt schematisch einen Einströmquerschnitt A für eine Ansaugluft an einer Trochoidenmaschine über die Zeit für eine kleine und eine große Last der mengengeregelten Brennkraftmaschine.
  • Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mengengeregelte Brennkraftmaschine 1, im vorliegenden Fall eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine.
  • Die Brennkraftmaschine 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel zumindest zwei in einer Reihe angeordnete Zylinder 2 auf, deren Längsachsen 2' eine Ebene senkrecht zur Zeichnungsebene, einer Brennkraftmaschinenlängsachse aufspannen. Die Brennkraftmaschinenlängsachse entspricht auch der Erstreckungsrichtung einer nicht dargestellten Kurbelwelle. Selbstverständlich kann die Brennkraftmaschine 1 auch nur einen einzigen oder mehrere in Reihe angeordnete Zylinder 2 aufweisen. Eine nicht dargestellte Brennstoffeinbringung kann in einem Ansaugsystem 3 und/oder direkt in die Zylinder 2 erfolgen, wobei in dem Ansaugsystem 3 als Lastregelorgan eine Trochoidenmaschine 4 mit einem Rotationskolben 5 angeordnet ist. Unter der Last versteht man die Belastung einer Brennkraftmaschine zwischen Nulllast (z.B. Leerlauf) über die Teillast bis zur Volllast und auch den Schiebebetrieb.
  • Die gewünschte Last (Lastregelung, Laststeuerung) wird beim konventionellen Ottomotor durch die Gemischmasse eingestellt (Quantitätsregelung oder Mengenregelung der Kraftstoff/Luftmasse). Die Gemischmasse wiederum wird durch ein Steuerorgan vorgegeben. Das Steuerorgan ist in der Regel eine Drosselklappe, im vorliegenden Fall erfindungsgemäß die Trochoidenmaschine 4 in Verbindung mit einem Drehschieber 11.
  • Der Rotationskolben 5 beschreibt eine Planetenbewegung und dreht mit halber Welfendrehzahl um seine Rotationskolbenachse 5', die wiederum mit Wellendrehzahl dreht und drehfest, beispielsweise mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine oder einer separaten elektrischen Maschine gekoppelt ist. Durch diese Drehung wird eine Ansaugluft komprimiert oder expandiert, wobei die Luftmenge über den Drehschieber 11 einstellbar ist. Eine Luftströmungsrichtung ist durch dicke Pfeile angedeutet, in Fig. 1 also nach einer axialen Zuströmung (senkrecht zur Zeichnungsebene) radial in die Trochoidenmaschine 4. Weiter weist die Brennkraftmaschine 1 für einen Ladungswechsel ein Gaswechseleinlassventil 6 und ein Gaswechselauslassventil 7 sowie je Zylinder 2 einen Kolben 13 auf. In anderen Ausführungsbeispielen können auch mehrere Gaswechseleinlass- bzw. Gaswechselwechselauslassventile 6, 7 pro Zylinder 2 vorgesehen sein. Eine Zündeinrichtung für die Brennkraftmaschine 1 ist mit 14 beziffert.
  • Der Rotationskolben 5 der Trochoidenmaschine 4 ist im Querschnitt eine zweibogige Hypotrochoide (= Ellipse), wobei eine Rotationskolbenachse 5' weitgehend parallel zu der von den Zylinderlängsachsen 2' aufgespannten Ebene ausgerichtet ist und eine Zufuhr und eine Abfuhr der Ansaugluft in die und aus der Trochoidenmaschine 4 weitgehend radial erfolgt.
  • Für eine einfache, kostengünstige, kühlbare und dauerhaft dichte Abdichtung der Trochoidenmaschine 4 ist in der Trochoidenmaschine 4 zwischen einer Ansaugluftzuführöffnung 8 und einer Ansaugluftabführöffnung 9 eine zur Rotationskolbenachse 5' parallel angeordnete Dichtung 10 an einer Kuspe der Hüllkurve, einem Teilabschnitt einer verlängerten Epitrochoide, vorgesehen.
  • Wie bereits erwähnt ist in Strömungsrichtung der Ansaugluft vor der Ansaugluftzuführöffnung 8 der Drehschieber 11 zur Ansaugluftmengensteuerung angeordnet.
  • Damit beispielsweise durch Druckpulsationen im Ansaugsystem 3 ein Rückströmen der Ansaugluft in die Trochoidenmaschine 4 verhindert ist, ist in Strömungsrichtung der Ansaugluft nach der Ansaugluftabführöffnung 9 in dem Ansaugsystem 3 ein Rückströmsperrelement 12 angeordnet, bei dem es sich im einfachsten Fall um eine Klappe handeln kann oder auch um gesteuerte oder geregelte Klappenmechanismen. Im Aufladefall, d. h. wenn die Ansaugluft komprimiert wird, dient dieses Rückströmsperrelement 12 auch als Rückschlagklappe.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in Fig. 1 nicht dargestellt ist, kann die Ansaugluft in Strömungsrichtung vor der Ansaugluftzuführöffnung 8 auch von einem Abgas der Brennkraftmaschine 1 in einem Wärmetauscher aufgeheizt werden. Durch diese Maßnahme können extrem hohe Wirkungsgrade für die Brennkraftmaschine erzielt werden.
  • Bevorzugt erstreckt sich die Trochoidenmaschine 4 in axialer Richtung über die Breite von zumindest einem Zylinder 2. Hierdurch kann der Außendurchmesser der Trochoidenmaschine deutlich verringert werden, was der Bauform, bzw. dem Package nochmals zugutekommt.
  • Fig. 2 zeigt schematisch einen Einströmquerschnitt A für die Ansaugluft über die Zeit (bzw. dem Drehwinkel des Drehschiebers 11) in die Trochoidenmaschine 4. Für kleine Luftmengen ist die Linie durchgezogen dargestellt und eine große Last und/oder Drehzahl ist die Linie gestrichelt dargestellt.
  • Mit anderen Worten:
    Es wird somit eine erfindungsgemäße Laststeuerung für die mengengeregelte Brennkraftmaschine 1 vorgeschlagen, bei der als Expander oder Kompressor der Ansaugluft die Trochoidenmaschine 4, eine Rotationskolbenmaschine, verwendet wird, deren Einlass drosselfrei (im Wesentlichen über die Länge der Öffnungsdauer, siehe Bild 2) geregelt wird. Die Trochoidenmaschine 4 ist mechanisch mit der Brennkraftmaschine 1 oder einem Antriebsstrang gekoppelt, um die von den in der Teillast z. B. von 1 bar auf 0,3 bar expandierten Frischgasen geleistete Arbeit abzunehmen.
  • An der Ansaugluftabführöffnung 9 genügt eine passive Steuerung (wie beispielsweise dargestellt, das Rückströmsperrelement 12, im einfachsten Fall eine Klappe) um ein Rückströmen der ausgeschobenen Frischgase in die Trochoidenmaschine 4 zu verhindern. Dies ist vor allem im Aufladebetrieb (Kompressorbetrieb) wichtig. In diesem Fall verhindert das Rückströmsperrelement 12 ein Rückströmen der komprimierten Ansaugluft in die Trochoidenmaschine 4. Gegebenenfalls kann hier ebenfalls eine aktive Querschnittssteuerung der Ansaugluftabführöffnung 9, ähnlich der Ansaugluftzuführöffnung 8 mit dem Drehschieber 11, erfolgen. Verfügt die Trochoidenmaschine 4 über einen geeigneten Durchsatz (der Volumendurchsatz der Trochoidenmaschine 4 ist größer als das Volumen der Brennkraftmaschine 1 je Zeiteinheit), kann bei entsprechend weit geöffnetem Einlassquerschnitt, der Ansaugluftzuführöffnung 8 auch eine Aufladung der Brennkraftmaschine 1 (unter Energieaufnahme aus dem Antriebsstrang) erreicht werden.
  • In Fig. 1 ist eine beispielhafte, mögliche Anordnung dargestellt:
    Der Rotationskolben 5 der Trochoidenmaschine 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine zweibogige, verkürzte Hypotrochoide (= Ellipse), der mit halber Wellendrehzahl, die Welle ist gestrichelt dargestellt, um ihre Rotationskolbenachse 5' rotiert, welche mit Wellendrehzahl um den Wellendrehpunkt 4' rotiert. Die passende Hüllkurve ist in diesem einfachen Fall ebenfalls eine Trochoide, nämlich ein Teilabschnitt einer geeignet verlängerten Epitrochoide. Der Schlankheitsgrad ist dabei ein frei wählbarer Parameter, entsprechend der Verkürzung bzw. Verlängerung der Trochoiden. Es sind vier Stellungen eingezeichnet, um die Bewegung zu verdeutlichen. Die aktuelle Lage ist mittels eines durchgezogenen Striches dargestellt, die drei weiter gedrehten möglichen Lagen sind gestrichelt dargestellt. Ein schwarzer Pfeil deutet hierbei die Drehrichtung des Rotationskolbens 5 an.
  • Die Einlasssteuerung erfolgt von radial über einen rotierenden Drehschieber, mit verstellbarem Abdeckschieber (Doppelpfeil), wobei in axialer Richtung in den zylindrisch oder konisch zu denkenden rotierenden Drehschieber eingeströmt wird.
  • An der Kuspe der Hüllkurve kann in einfacher Weise eine ruhende, kühlbare Dichtung 10 angebracht werden.
  • Die vorgeschlagene Geometrie zeichnet sich durch besonders hohen Luftdurchsatz bezüglich Bauraum aus (nur ein Läufer, kein Innen- und Außenläufer und Gehäuse) und geringe schädliche Kolbenflächen im Querschnitt im Vergleich zu höheren Trochoiden. Die radiale Zuströmung der Ansaugluft passt hervorragend zum Bauraum einer Reihen-Brennkraftmaschine, da in der Baulänge (quer zur Zeichnungsebene) skalierbar.
  • Neben Bauraumvorteilen werden auch Verbrauchsvorteile durch Vorschalten der beschriebenen Anordnung an übliche Hubkolben-Brennkraftmaschinen 1 erschlossen. Trochoidenmaschinen 4 können bei geeigneter Geometrie auch in Heißgasmaterial (Keramik o. ä) mit Spaltabdichtungen an der umlaufenden Dichtstelle dargestellt werden und ermöglichen so die Nutzung der Abgaswärme.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1.
    Brennkraftmaschine
    2.
    Zylinder
    2'
    Längsachse
    3.
    Ansaugsystem
    4.
    Trochoidenmaschine
    4'
    Wellendrehpunkt
    5.
    Rotationskolben
    5'
    Rotationskolbenachse
    6.
    Gaswechseleinlassventil
    7.
    Gaswechselauslassventil
    8.
    Ansaugluftzufuhröffnung
    9.
    Ansaugluftabfuhröffnung
    10.
    Dichtung
    11.
    Drehschieber
    12.
    Rückströmsperrelement
    13.
    Kolben
    14.
    Zündvorrichtung
    15.
    Abgastrakt

Claims (6)

  1. Mengengeregelte Brennkraftmaschine (1), insbesondere eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine, mit zumindest einem Zylinder (2), dessen Längsachse (2') mit einer Brennkraftmaschinenlängsachse eine Ebene aufspannt, mit einer Brennstoffeinbringung in ein Ansaugsystem (3) und/oder in den Zylinder (2), wobei in dem Ansaugsystem (3) als Lastregelorgan eine Trochoidenmaschine (4) mit einem Rotationskolben (5) angeordnet ist, die drehfest mit einer Welle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist und mit der eine Ansaugluft komprimier- oder expandierbar ist und mit zumindest einem Gaswechseleinlass- (6) und Gaswechselauslassventil (7) je Zylinder (2) für einen Ladungswechsel, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskolben (5) im Querschnitt eine zweibogige Hypotrochoide ist, wobei eine Rotationskolbenachse (5') parallel zu der Ebene und weitgehend senkrecht zur Längsachse (2') ausgerichtet ist und eine Zufuhr und eine Abfuhr der Ansaugluft in die Trochoidenmaschine (4) weitgehend radial erfolgt.
  2. Mengengeregelte Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass für den Rotationskolben (5) in der Trochoidenmaschine (4) zwischen einer Ansaugluftzufuhröffnung (8) und einer Ansaugluftabfuhröffnung (9) eine zur Rotationskolbenachse parallel angeordnete Dichtung (10) vorgesehen ist.
  3. Mengengeregelte Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung der Ansaugluft vor der Ansaugluftzufuhröffnung (8) ein Drehschieber (11) zur Ansaugluftmengensteuerung angeordnet ist.
  4. Mengengeregelte Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung der Ansaugluft nach der Ansaugluftabfuhröffnung (9) in dem Ansaugsystem (3) ein Rückströmsperrefernent (12) angeordnet ist.
  5. Mengengeregelte Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugluft in Strömungsrichtung vor der Ansaugluftzufuhröffnung (8) von einem Abgas der Brennkraftmaschine (1) in einem Wärmetauscher aufheizbar ist.
  6. Mengengeregelte Brennkraftmaschine nach einem der zuvor genannten Patentansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass sich die Trochoidenmaschine (4) in axialer Richtung über die Breite von zumindest zwei Zylindern (2) erstreckt.
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