WO1995028557A1 - Verfahren zur erhöhung des drehmoments eines verbrennungsmotors und verbrennungsmotor - Google Patents

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WO1995028557A1
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Walter Peschka
Gottfried Schneider
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Definitions

  • the present invention relates to a method for increasing the torque of an internal combustion engine burning a fuel by means of a gaseous oxidizing agent with at least one cylinder and a suction system, in which the mass flow of the gaseous oxidizing agent into the cylinder or cylinders is increased.
  • the invention relates to an internal combustion engine with at least one cylinder, which has a combustion chamber for combusting a fuel by means of a gaseous oxidizing agent, and with an intake system.
  • the intake pipes of the individual cylinders through which the air flows into the combustion chamber of the respective cylinder during the intake stroke, either open freely into the atmosphere or are combined on a common sensor.
  • the suction process travels a vacuum wave from the inlet opening of the cylinder into the suction pipe. This vacuum wave is reflected as a pressure wave at the open pipe end.
  • the pipe length In order to increase the air mass flow into the cylinder, the pipe length must be adjusted so that the pressure wave arrives at the cylinder somewhat before the inlet valve closes.
  • cylinders are connected to resonance containers via short suction pipes, which in turn are connected to the atmosphere or a sensor.
  • the air mass in the resonance container and in the intake manifolds forms an oscillatory system in which resonant vibrations are stimulated by the periodically opening inlet cross sections of the cylinders. With appropriate tuning, these resonant vibrations result in an increase in pressure at the intake ports of the cylinders during their intake phases.
  • a charging mixture of a charging fuel and the oxidizing agent is provided in the suction system and is ignited cyclically in the suction system at such times that the rapid combustion of the charging mixture causes the expansion a pressure increase occurs at the inlet opening of at least one cylinder during its inlet phase.
  • This concept of an active charging method according to the invention offers considerable advantages over the known passive charging methods.
  • the torque of the internal combustion engine can be increased considerably more, since, with suitable metering of the charging mixture, larger unsteady pressure increases occur at the inlet openings of the cylinders.
  • the strength of the charge is not solely due to the design, but can be adapted to the needs during operation.
  • the reaction products of the combustion of the charge mixture entering the combustion chambers of the cylinders contribute to the suppression of uncontrolled early ignition.
  • the ignition timing of the charging mixture is controlled as a function of the load state of the internal combustion engine. As a result, an optimum increase in the torque can be achieved in the entire speed range of the internal combustion engine.
  • the charging mixture is ignited at several locations in the intake system. The travel of pressure waves from the location of the combustion of a charging mixture to the cylinder inlet openings at which a pressure increase is to be brought about can thus be reduced, which reduces the inertia of the charging process.
  • the charging mixture is ignited at several locations of the suction system, it is more favorable, depending on the geometry of the suction system and the arrangement of the ignition locations, that the ignition of the charging mixture takes place simultaneously or in succession at the different locations.
  • the charging mixture is ignited at the various locations of the intake system depending on the cylinder ignition sequence.
  • the pressure increase that can be achieved at the inlet opening of a cylinder for a given consumption of charging fuel can be increased if the previously described method of active charging is combined with the method of charging the vibrating tube.
  • the ignition timing of the charging mixture, the intake phase of the cylinder and the length of the intake manifold (vibrating tube) are to be coordinated so that the pressure wave resulting from the combustion of the charging mixture together with the pressure wave from the opening of the intake valve reflected at the intake manifold end at the intake opening of the Cylinder arrives.
  • An alternative way to increase the effectiveness of the method according to the invention is to combine the active charging method with the method of resonance charging.
  • the charging mixture is made at the point of ignition. This prevents the charging mixture from being transported from its point of origin to the point of ignition, which would endanger possible early ignition and would increase the inertia of the charging process with regard to changing operating conditions due to the required transport time.
  • the charging mixture is advantageously produced by injecting the charging fuel into the oxidizing agent. In this way, the charging mixture can be dosed very precisely.
  • the charging fuel is injected in the form of a plurality of successive pulses in such a way that such a concentration stratification of the charging fuel occurs in the charging mixture, in which the charging fuel accumulates in the area of the ignition point. is. The minimum amount of charging fuel required to reach the ignition limit is thereby reduced.
  • the charging mixture has an excess of the oxidizing agent, preferably an equivalence ratio of 0.1 to about 0.2.
  • an equivalence ratio of 0.1 to about 0.2.
  • the charging fuel matches the fuel of the internal combustion engine. This eliminates the need for additional storage and refueling devices for the charging fuel.
  • Hydrogen is advantageously used as the charging fuel, since hydrogen has particularly low ignition limits, that is to say can be used in very lean charging mixtures, and burns off very quickly, which favors the build-up of a pressure wave during combustion.
  • the charge fuel is burned particularly quickly, which favors the formation of a pressure wave. It is therefore favorable to use pure oxygen as an oxidizing agent.
  • Air is advantageously used as the oxidizing agent. Air is available free of charge and does not have to be carried in a separate storage.
  • suction system is disconnected from the oxidant supply during the burning off of the charging fuel. This measure prevents the pressure compensation between the suction system and the supply of oxidizing agent and promotes the occurrence of pressure waves in the suction system.
  • the separation of the suction system from the oxidant supply by one or more rotary slide valves has the advantage that the inlet phases of these valves can be easily synchronized with the inlet phases of the inlet valves of the cylinders.
  • the separation of the suction system from the oxidant supply by one or more passive shut-off valves, which only let the oxidant flow into the suction system from the oxidant supply, has the advantage that these passive shut-off valves do not have to be controlled separately.
  • the separation of the suction system from the supply of oxidizing agent by one or more active shut-off valves is particularly favorable, since when using active shut-off valves additional degrees of freedom, namely the duration of the intake phase and the relative timing of the intake phases with respect to the intake phases of the intake valves of the cylinders , can be changed during operation with a view to optimizing the torque curve.
  • active shut-off valves e.g. solenoid valves
  • the suction system is rinsed with the oxidizing agent.
  • the suction system is rinsed by means of an upstream charging fan and suitable slide or valve arrangements. This prevents reaction products of the combustion of the charging mixture from escaping via the oxidant supply.
  • the object of the invention is also achieved by an internal combustion engine with at least one cylinder which has a combustion chamber for combusting a fuel by means of a gaseous oxidizing agent, and with an intake system, the internal combustion engine being characterized in that the Suction system has an injector for a charging fuel and an ignition device.
  • the injector is used to generate a mixture of the charging fuel and the oxidizing agent and the ignition device is used to ignite the charging mixture at such times that the expansion during the rapid combustion of the charging mixture at the inlet opening of at least one cylinder causes a pressure increase during its inlet phase.
  • the internal combustion engine advantageously has either intake manifolds designed as vibrating tubes for additional vibrating tube charging or a resonance tube for additional resonance charging.
  • the suction system has at least one special loading chamber, in each of which at least one injector for the charging fuel and at least one ignition device are arranged.
  • a suitable can favor the creation of pressure waves which spread in the direction of the inlet openings of the cylinders or the excitation of resonant pressure vibrations in the gas mixture in the suction system as a result of the expansion during the rapid combustion of the charging mixture become.
  • the suction system has both a resonance tube and at least one loading chamber, it proves to be favorable for the excitation of resonant vibrations in the resonance tube if the volume of a loading chamber is small compared to the volume of the resonance tube, preferably the volume of a loading chamber Is 5 to 10% of the volume of the resonance tube.
  • FIG. 1 shows a schematic, partially sectioned illustration of an internal combustion engine according to the invention with additional resonance charging and an additional charging fan;
  • FIG. 2 shows a detail from a schematic, sectional illustration of an internal combustion engine according to the invention with additional oscillating tube charging;
  • FIG. 3 shows a detail of a schematic, sectional view of an internal combustion engine according to the invention without additional passive charging.
  • the exemplary embodiment of an internal combustion engine 10 shown in FIG. 1 has six cylinders 12. Each of the cylinders 12 contains a reciprocating piston 14. The pistons 14 are connected in the usual way via a connecting rod 16 to a common crankshaft 18.
  • each piston 14 facing away from the crankshaft 18, together with the inner end wall 22 of the associated cylinder 12 opposite the end wall 20 of the piston 14 and the inner wall 24 of the cylinder jacket lying between them, surrounds a cylindrical combustion chamber 26.
  • each cylinder 12 has an outlet opening 28 which can be opened or closed by an outlet valve 30.
  • An outlet pipe 32 connects the outlet opening 28 of each cylinder 12 to a common exhaust gas discharge 34, which leads to an exhaust system (not shown).
  • each cylinder 12 has an inlet opening 36 which can be opened or closed by an inlet valve 38.
  • the inlet opening 36 of each cylinder 12 is connected to a common resonance pipe 42 via a suction pipe 40.
  • the suction pipes 40 are arranged parallel to one another and open into the resonance pipe 42 transversely to its longitudinal axis.
  • the resonance tube 42 is closed at both ends.
  • a helical cooling coil 43 is arranged on the jacket of the resonance tube 42, through which a coolant flows and is connected to the resonance tube 42 in a heat-conducting manner.
  • the resonance tube 42 has a circular butterfly valve 44.
  • the butterfly valve 44 is pivotable about an axis 46, which is arranged perpendicular to the longitudinal axis of the resonance tube 42 and is mounted in the jacket of the resonance tube 42.
  • shut-off valve 28 In its closed position, the shut-off valve 28, together with an annular stop 48, which projects into the interior of the resonance tube 42, blocks the entire cross section of the resonance tube 42 and thereby divides the resonance tube 42 in the axial direction into two equal halves.
  • a loading chamber 50 opens into each of these halves of the resonance tube 42 on the side of the jacket of the resonance tube 42 opposite the suction tubes 40.
  • Each loading chamber 50 is funnel-shaped and has a truncated cone-shaped funnel head 52 and a cylindrical funnel neck 54.
  • the funnel head 52 is open to the resonance tube 42, and the common axis of symmetry of the funnel head 52 and the funnel neck 54 runs perpendicular to the longitudinal axis of the resonance tube 42.
  • Each loading chamber 50 has a hydrogen injector 56, which is arranged in the wall of the funnel neck 54, and a spark plug 58, which is arranged in the wall of the funnel head 52.
  • the suction pipes 40, the resonance pipe 42 and the loading chambers 50 form a suction system designated as a whole as 72.
  • a rotary slide valve 60 is arranged at the end of the funnel neck 54 of each loading chamber 50 facing away from the resonance tube 42.
  • Each of the rotary slide valves 60 has a hollow cylindrical valve housing 62, the axis of which is perpendicular to the axis of symmetry of the funnel neck 54.
  • a common, cylindrical rotary valve 64 is gas-tight and rotatably mounted in both valve housings 62.
  • the rotary slide 64 forms the valve body of the two rotary slide valves 60 and each has a radial, continuous rotary slide opening 66 in the area of the rotary slide valves 60.
  • the two rotary slide openings 66 can, depending on the desired firing order of the charging mixtures, be aligned parallel or skew to one another.
  • each rotary slide valve 60 In the open position of each rotary slide valve 60, the rotary slide opening 66 connects the opening of the funnel neck 54 with an opposite opening of a charge air supply 68.
  • the two charge air supplies 68 unite at the discharge opening of a charging fan 69, at the inlet opening of which an air inlet 70 is arranged.
  • the rotary slide valves 60 are periodically opened and closed by rotating the rotary slide 64 about its longitudinal axis, the axes of the rotary slide openings 66 including changing angles with the axes of symmetry of the funnel necks 54.
  • the charging mixture in the charging chambers 50 is ignited with the aid of the spark plugs 58 and burns off.
  • the water vapor generated during the combustion of the lean hydrogen-air mixture helps to suppress uncontrolled early ignition in the combustion chamber 26 of the cylinder 12.
  • the gas mixture located in the resonance tube 42 is cooled by means of the cooling coil 43. This prevents the oxidizing agent flowing into the cylinder 12 from heating up too much as a result of the combustion of the charging mixture, which would degrade the efficiency of the internal combustion engine 10.
  • the optimum ignition times for the ignition of the lean hydrogen-air mixture in the loading chambers 50 depend on the geometry of the intake system 72 and on the speed of the internal combustion engine 10.
  • the ignition can take place in the different loading chambers 50 simultaneously or in succession.
  • the optimal ignition times can either be determined theoretically on the basis of an analysis of the vibration behavior of the air in the system consisting of the loading chambers 50, the resonance pipe 42 and the intake pipes 40, or else experimentally.
  • the system capable of oscillation is divided by closing the shut-off flap 44, which results in higher natural frequencies and thus a vibration behavior of the system capable of oscillation that is suitable for higher speeds.
  • FIG. 2 The arrangement belonging to one of the cylinders 12 is shown in FIG. 2 of a second embodiment of an internal combustion engine according to the invention.
  • the others Arrangement belonging to cylinders 12 is identical to the arrangement shown.
  • Corresponding elements are designated by the same reference numerals in FIGS. 1 and 2.
  • the second embodiment shown in FIG. 2 differs from the first embodiment shown in FIG. 1 in that the resonance tube 42 is missing and a separate loading chamber 50 is provided for each cylinder 12.
  • each of the rotary slide valves 60 of FIG. 1 has been replaced by a passive check valve 78.
  • the embodiment of FIG. 2 can also be provided with rotary slide valves 60 instead of passive check valves 78 or the embodiment of FIG. 1 with passive check valves 78 instead of rotary slide valves 60.
  • each suction pipe 40 opens directly into a loading chamber 50 assigned to it.
  • the loading chamber 50 is funnel-shaped and comprises a truncated cone-shaped funnel head 52 and a cylindrical funnel neck 54.
  • a hydrogen injector 56 In the wall of the funnel neck 54 there is a hydrogen injector 56 and in the wall of the funnel head 52 a spark plug 58 is arranged.
  • a rotary slide valve 60 is located at the end of the funnel neck 54 facing away from the funnel head 52.
  • each of the check valves 78 is opened when the pressure in the charging chamber 50 is lower than the pressure in the charge air supply 68.
  • the hydrogen-air mixture in the loading chamber 50 is ignited with the aid of the spark plug 58 and burns off.
  • the combustion creates a pressure wave which spreads in the direction of the intake manifold 40.
  • the point in time at which the hydrogen-air mixture is ignited in one of the loading chambers 50 is selected so that the pressure wave which arises reaches the open end 76 of the associated intake manifold 40 just when a vacuum wave which previously occurred when the Inlet valve 38 of the associated cylinder 12 arose and migrated into the intake manifold 40, is reflected at the open end 76 of the intake manifold 40 as a pressure wave. Then the reflected pressure wave and the pressure wave generated by the combustion run together through the intake manifold 40 and the inlet opening 36 into the combustion chamber 26 of the cylinder 12 and thereby increase the air flow in the relevant cylinder 12 during its intake phase quite considerably. To do this, the Suction tube 40 be designed as a vibrating tube, ie its length must be dimensioned such that the pressure waves arrive at the inlet opening 36 before the inlet valve 38 closes.
  • the water vapor generated during the combustion of the lean hydrogen-air mixture contributes to the suppression of uncontrolled early ignition in the combustion chamber 26 of the cylinder 12.
  • the hydrogen-air mixtures in the different loading chambers 50 must be ignited one after the other in accordance with the cylinder ignition sequence.
  • FIG. 3 belongs to each cylinder 12.
  • Corresponding elements are denoted by the same reference numerals in FIGS. 1, 2 and 3.
  • the third embodiment shown in FIG. 3 differs from the second embodiment shown in FIG. 2 in that the loading chambers 50 are missing and the suction pipes 40 are connected directly to the associated rotary slide valve 60.
  • a hydrogen injector 56 and a spark plug 58 are arranged in the wall of each intake manifold 40, near the end of the intake manifold 40 on the rotary valve side.
  • each of the check valves 78 of FIG. 2 has been replaced with a solenoid valve 80.
  • the embodiment of FIG. 3 with check valves 78 or rotary slide valves 60 instead of solenoid valves 80, the embodiment of FIG. 2 with solenoid valves 80 instead of check valves 78 and the embodiment of FIG. 1 with solenoid valves 80 instead of rotary slide valves 60 are provided.
  • each of the solenoid valves 80 is opened and closed cyclically.
  • the hydrogen-air mixture in the intake manifold 40 is ignited with the aid of the spark plug 58 and burns off.
  • the combustion generates a pressure wave which spreads to the inlet opening 36 of the associated cylinder 12.
  • the point in time at which the hydrogen-air mixture is ignited in the intake manifold 40 is selected so that the pressure wave passes through the inlet opening 36 into the combustion chamber 26 of the cylinder 12 while the corresponding inlet valve 38 is open.
  • the air flow in the relevant cylinder 12 is increased considerably during its intake phase.
  • the water vapor produced during the combustion of the lean hydrogen-air mixture helps to suppress uncontrolled early ignition in the combustion chamber 26 of the cylinder 12.
  • the hydrogen-air mixtures in the various intake pipes 40 must be ignited one after the other in accordance with the cylinder ignition sequence.

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Abstract

Um ein Verfahren zur Erhöhung des Drehmoments eines einen Brennstoff mittels eines Oxidationsmittels verbrennenden Verbrennungsmotors (10) mit mindestens einem Zylinder (12) und einer Sauganlage (42), bei dem der Massenstrom des gasförmigen Oxydationsmittels in den oder die Zylinder (12) erhöht wird, sowie einen Verbrennungsmotor (10) derart zu verbessern, daß das Drehmoment des Verbrennungsmotors (10) bei beliebiger Drehzahl stärker als mit bekannten passiven Aufladungsverfahren angehoben wird, wird vorgeschlagen, in der Sauganlage (42) ein Ladegemisch aus einem Ladebrennstoff und dem Oxidationsmittel bereitzustellen und zyklisch in der Sauganlage zu solchen Zeitpunkten zu zünden, daß durch die Expansion bei der schnellen Verbrennung des Ladegemisches an der Einlaßöffnung zumindest eines Zylinders während dessen Einlaßphase eine Druckerhöhung auftritt.

Description

Verfahren zur Erhöhung des Drehmoments eines Verbrennungsmotors und Verbrennungsmotor
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Er¬ höhung des Drehmoments eines einen Brennstoff mittels eines gasförmigen Oxidationsmittels verbrennenden Verbrennungs¬ motors mit mindestens einem Zylinder und einer Sauganlage, bei dem der Massenstrom des gasförmigen Oxidationsmittels in den oder die Zylinder erhöht wird.
Ferner betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, der einen Brennraum zur Verbren¬ nung eines Brennstoffes mittels eines gasförmigen Oxida¬ tionsmittels aufweist, und mit einer Sauganlage.
Bekannt sind sogenannte passive Aufladungsverfahren, bei denen durch die periodisch öffnenden Einlaßquerschnitte der Zylinder des Verbrennungsmotors in der Sauganlage Schwingun¬ gen erzeugt werden, die bei geeigneter Abstimmung eine Anhebung der Luftmassenströme in die einzelnen Zylinder bewirken können. Dabei wird zwischen den Verfahren der Schwingrohraufladung und der Resonanzaufladung unter¬ schieden.
Zur Anwendung des Verfahrens der Schwingrohraufladung münden die Saugrohre der einzelnen Zylinder, durch die die Luft während des Ansaugtaktes in den Brennraum des jeweiligen Zylinders strömt, entweder frei in die Atmosphäre oder sind an einem gemeinsamen Aufnehmer zusammengefaßt. Beim Saugvorgang wandert infolge der Trägheitswirkung der Gassäule eine Unterdruckwelle von der Einlaßöffnung des Zylinders in das Saugrohr hinein. Diese Unterdruckwelle wird am offenen Rohrende als Druckwelle reflektiert. Um den Luftmassenstrom in den Zylinder anzuheben, muß die Rohrlänge so abgestimmt sein, daß die Druckwelle etwas vor Einlaßventilschluß am Zylinder ankommt.
Derart abgestimmte Saugrohre werden als Schwingrohre bezeichnet. Bei der Schwingrohraufladung wird die Ladungs¬ druckwelle durch den vorherigen Saughub angefacht. Ein mehrmaliges Hin- und Herschwingen ist für den Ladungsvorgang unwesentlich, die gegenseitige Beeinflussung der Schwingrohre ist gering.
Zur Anwendung des Verfahrens der Resonanzaufladung werden mehrere Zylinder über kurze Saugrohre an Resonanzbehälter angeschlossen, die ihrerseits mit der Atmosphäre bzw. einem Aufnehmer in Verbindung stehen. Die Luftmasse im Resonanz¬ behälter und in den Saugrohren bildet ein schwingungsfähiges System, in dem durch die periodisch öffnenden Einlaßquer¬ schnitte der Zylinder resonante Schwingungen angefacht werden. Bei geeigneter Abstimmung führen diese resonanten Schwingungen zur Erhöhung des Drucks an den Einlaßöffnungen der Zylinder während deren Einlaßphasen.
Mit den passiven Aufladungsverfahren können jedoch lediglich instationäre Druckerhöhungen von höchstens 0,5 bar erreicht werden. Entsprechend gering ist die erzielbare Anhebung der Luftmassenströme in die einzelnen Zylinder und damit die Anhebung des Drehmomentes. Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Auf- ladungsverfahren anzugeben, mit dem größere instationäre Druckerhöhungen und infolgedessen eine stärkere Anhebung des Drehmoments erreicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art in der Sauganlage ein Ladegemisch aus einem Ladebrennstoff und dem Oxidationsmittel bereitgestellt und zyklisch in der Saug¬ anlage zu solchen Zeitpunkten gezündet wird, daß durch die Expansion bei der schnellen Verbrennung des Ladegemisches an der Einlaßöffnung zumindest eines Zylinders während dessen Einlaßphase eine Druckerhöhung auftritt.
Dieses erfindungsgemäße Konzept eines aktiven Aufladever¬ fahrens bietet gegenüber den bekannten passiven Auflade¬ verfahren erhebliche Vorteile. Das Drehmoment des Ver¬ brennungsmotors kann wesentlich stärker angehoben werden, da bei geeigneter Dosierung des Ladegemisches größere insta¬ tionäre Druckerhöhungen an den Einlaßöffnungen der Zylinder auftreten. Außerdem ist die Stärke der Aufladung nicht allein konstruktiv bedingt, sondern kann während des Betriebs dem Bedarf angepaßt werden. Darüber hinaus tragen die in die Brennräume der Zylinder gelangenden Reaktions¬ produkte der Verbrennung des Ladegemisches zur Unterdrückung unkontrollierter Frühzündung bei.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Steuerung des Zünd¬ zeitpunktes des Ladegemisches in Abhängigkeit vom Lastzu¬ stand des Verbrennungsmotors erfolgt. Dadurch kann im gesamten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors eine opti¬ male Anhebung des Drehmoments erreicht werden. Insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit mehreren Zylindern ist es vorteilhaft, wenn die Zündung des Ladegemisches an mehreren Orten der Sauganlage erfolgt. Die Laufwege von Druckwellen vom Ort der Verbrennung eines Ladegemisches bis zu den Zylinder-Einlaßöffnungen, an denen eine Druckerhöhung bewirkt werden soll, können so verringert werden, was die Trägheit des Aufladungsverfahrens verringert. Außerdem ist es bei mehreren Zündorten einfacher, die an den Einla߬ öffnungen verschiedener Zylinder auftretenden Drucker¬ höhungen einander anzugleichen.
Wird das Ladegemisch an mehreren Orten der Sauganlage gezündet, so ist es je nach Geometrie der Sauganlage und Anordnung der Zündorte günstiger, daß die Zündung des Lade¬ gemisches an den verschiedenen Orten gleichzeitig oder nach¬ einander erfolgt.
Zur Erzielung einer gleichmäßigen Aufladung aller Zylinder ist es besonders vorteilhaft, wenn das Ladegemisch an den verschiedenen Orten der Sauganlage in Abhängigkeit von der Zylinderzündfolge gezündet wird.
Die bei gegebenem Verbrauch von Ladebrennstoff an der Ein¬ laßöffnung eines Zylinders erzielbare Druckerhöhung kann gesteigert werden, wenn das bisher geschilderte Verfahren der aktiven Aufladung mit dem Verfahren der Schwingrohrauf¬ ladung kombiniert wird. Der Zündzeitpunkt des Ladegemisches, die Einlaßphase des Zylinders und die Länge des Saugrohres (Schwingrohres) sind dabei so aufeinander abzustimmen, daß die durch die Verbrennung des Ladegemisches entstehende Druckwelle gemeinsam mit der von der Öffnung des Einlaßventils herrührenden, am Saugrohrende reflektierten Druckwelle an der Einlaßöffnung des Zylinders ankommt. Eine alternative Möglichkeit zur Steigerung der Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, das aktive Aufladungsverfahren mit dem Verfahren der Resonanzaufladung zu kombinieren.
Dabei werden durch das Abbrennen des Ladegemisches in der Sauganlage resonante DruckSchwingungen angeregt, die dann zum Auftreten einer Druckerhöhung an der Einlaßöffnung zu¬ mindest eines Zylinders während dessen Einlaßphase führen.
Um die Wirkung der zusätzlichen Resonanzaufladung möglichst gut auszunutzen, ist es von Vorteil, die Sauganlage in Abhängigkeit vom Lastzustand des Verbrennungsmotors, vor¬ zugsweise durch eine oder mehrere Absperrklappen, zu unter¬ teilen. Durch eine Unterteilung des schwingungsfähigen Systems in mehrere kleinere schwingungsfähige Systeme mit höheren Eigenfrequenzen ist auch bei hohen Drehzahlen die Anregung resonanter Schwingungen möglich.
Es ist vorteilhaft, den Zündzeitpunkt bzw. die Zündzeit¬ punkte des Ladegemisches in Abhängigkeit von der Stellung der Absperrklappe bzw. der Absperrklappen zu steuern. Auf diese Weise können auch bei durch die Absperrklappen ver¬ änderter Geometrie der Sauganlage die erwünschten instatio¬ nären Druckerhöhungen an den Zylinder-Einlaßöffnungen erreicht werden.
Von Vorteil ist es, wenn das Ladegemisch am Ort der Zündung hergestellt wird. So wird ein Transport des Ladegemisches von seinem Entstehungsort zum Ort der Zündung vermieden, der eine Gefährdung durch mögliche Frühzündung mit sich bringen und wegen der erforderlichen Transportzeit die Trägheit des AufladungsVerfahrens im Hinblick auf sich ändernde Betriebsbedingungen vergrößern würde. Vorteilhafterweise wird das Ladegemisch durch Injektion des Ladebrennstoffes in das Oxidationsmittel hergestellt. Auf diese Weise ist das Ladegemisch sehr genau dosierbar.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Ladebrennstoff in Form mehrerer aufeinanderfolgender Pulse derart injiziert wird, daß eine solche Konzentra ionsschichtung des Lade¬ brennstoffes im Ladegemisch entsteht, bei der der Lade¬ brennstoff im Bereich des Zündortes angereichert. ist. Die zum Erreichen der Zündgrenze erforderliche Mindestmenge des Ladebrennstoffes wird dadurch reduziert.
Günstig ist es, wenn das Ladegemisch einen Überschuß des Oxidationsmittels, vorzugsweise ein Äquivalenzverhältnis von 0,1 bis etwa 0,2, aufweist. Ein solch mageres Ladegemisch brennt sehr rasch ab und hat bei nur geringer Tempera¬ turerhöhung einen hohen Druckanstieg in der Sauganlage zur Folge.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Ladebrennstoff mit dem Brennstoff des Verbrennungsmotors übereinstimmt. Damit ent¬ fällt die Notwendigkeit zusätzlicher Speicher- und Be- tankungseinrichtungen für den Ladebrennstoff.
Vorteilhafterweise wird Wasserstoff als Ladebrennstoff ver¬ wendet, da Wasserstoff besonders niedrige Zündgrenzen auf¬ weist, also in sehr mageren Ladegemischen verwendet werden kann, und sehr rasch abbrennt, was den Aufbau einer Druck¬ welle bei der Verbrennung begünstigt. In reinem Sauerstoff erfolgt die Verbrennung des Ladebrenn¬ stoffes besonders rasch, was die Ausbildung einer Druckwelle begünstigt. Günstig ist daher die Verwendung von reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel.
Alternativ dazu wird vorteilhafterweise Luft als Oxida¬ tionsmittel verwendet. Luft steht kostenlos zur Verfügung und muß nicht in einem gesonderten Speicher mitgeführt werden.
Besonders günstig ist es, einerseits Wasserstoff als Lade¬ brennstoff und andererseits Wasserstoff oder ein Gemisch aus Wasserstoff und einem weiteren Reduktionsmittel als Brenn¬ stoff zu verwenden. In diesem Fall können die für den Brenn¬ stoff ohnehin vorhandenen Betankungs-, Speicher- und Pump¬ vorrichtungen zumindest teilweise auch für den Ladebrenn¬ stoff benutzt werden.
Ferner ist es von Vorteil, wenn die Sauganlage während des Abbrennens des Ladebrennstoffes von der Oxidationsmittel¬ zufuhr getrennt ist. Durch diese Maßnahme wird der Druck¬ ausgleich zwischen der Sauganlage und der Oxidationsmittel¬ zufuhr verhindert und das Entstehen von Druckwellen in der Sauganlage begünstigt.
Die Abtrennung der Sauganlage von der Oxidationsmittelzufuhr durch ein oder mehrere Drehschieberventile hat den Vorteil, daß die Einlaßphasen dieser Ventile in einfacher Weise mit den Einlaßphasen der Einlaßventile der Zylinder synchronisiert werden können. Die Abtrennung der Sauganlage von der Oxidationsmittelzufuhr durch ein oder mehrere passive Sperrventile, die das Oxidationsmittel nur von der Oxidationsmittelzufuhr in die Sauganlage strömen lassen, hat den Vorzug, daß diese pas¬ siven Sperrventile nicht gesondert gesteuert werden müssen.
Die Abtrennung der Sauganlage von der Oxidationsmittelzufuhr durch ein oder mehrere aktive Sperrventile (z.B. Magnetventile) ist besonders günstig, da bei Verwendung aktiver Sperrventile zusätzliche Freiheitsgrade, nämlich die Dauer der Einlaßphase und die relative zeitliche Lage der Einlaßphasen in bezug auf die Einlaßphasen der Einlaßventile der Zylinder, während des Betriebs im Hinblick auf eine Optimierung des Drehmomentenverlaufs verändert werden können.
Vorteilhaft ist es, das in der Sauganlage enthaltene Gas¬ gemisch mit Hilfe eines Wärmetauschers zu kühlen. Mit dieser Maßnahme wird verhindert, daß die Temperatur des in die Zylinder strömenden Oxidationsmittels infolge der Verbren¬ nung des Ladebrennstoffes zu stark ansteigt, was eine Ver¬ schlechterung des Wirkungsgrads des Verbrennungsmotors zur Folge hätte.
Um die Anreicherung von Reaktionsprodukten der Verbrennung des Ladegemisches in der Sauganlage zu verhindern, ist es von Vorteil, wenn die Sauganlage mit dem Oxidationsmittel gespült wird.
Besonders günstig ist es, wenn die Sauganlage mittels vor¬ geschaltetem Ladegebläse und geeigneten Schieber- oder Ventilanordnungen gespült wird. Dadurch wird verhindert, daß Reaktionsprodukte der Verbrennung des Ladegemisches über die Oxidationsmittelzufuhr entweichen. In Ergänzung zu der bisher beschriebenen Erfindung wird die erfindungsgemäße Aufgabe auch durch einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, der einen Brennraum zur Ver¬ brennung eines Brennstoffes mittels eines gasförmigen Oxidationsmittels aufweist, und mit einer Sauganlage gelöst, wobei der Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet ist, daß die Sauganlage einen Injektor für einen Ladebrennstoff und eine Zündvorrichtung aufweist. Dabei dient der Injektor der Erzeugung eines Gemisches aus dem Ladebrennstoff und dem Oxidationsmittel und die Zündvorrichtung der Zündung des Ladegemisches zu solchen Zeitpunkten, daß durch die Expansion bei der schnellen Verbrennung des Ladegemisches an der Einlaßöffnung zumindest eines Zylinders während dessen Einlaßphase eine Druckerhöhung auftritt.
Vorteilhafterweise weist der Verbrennungsmotor darüber hinaus entweder als Schwingrohre ausgebildete Saugrohre zur zusätzlichen Schwingrohraufladung oder ein Resonanzrohr zur zusätzlichen Resonanzaufladung auf.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Sauganlage mindestens eine besondere Ladekammer aufweist, in der jeweils mindestens ein Injektor für den Ladebrennstoff und mindes¬ tens eine Zündvorrichtung angeordnet sind.
Durch geeignete (z.B. trichterförmige Gestaltung der Lade¬ kammer) kann das Entstehen von Druckwellen, die sich in Richtung auf die Einlaßöffnungen der Zylinder ausbreiten bzw. die Anregung resonanter Druckschwingungen in dem in der Sauganlage befindlichen Gasgemisch infolge der Expansion bei der schnellen Verbrennung des Ladegemisches begünstigt werden. Weist die Sauganlage sowohl ein Resonanzrohr als auch minde¬ stens eine Ladekammer auf, so erweist es sich für die An¬ regung von resonanten Schwingungen im Resonanzrohr als günstig, wenn das Volumen einer Ladekammer klein gegen das Volumen des Resonanzrohrs ist, vorzugsweise das Volumen einer Ladekammer 5 bis 10% des Volumens des Resonanzrohrs beträgt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 27, 28, 32 und 35 bis 44, deren Vorteile bereits vorstehend erläutert wurden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung dreier Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische, teilweise geschnittene Dar¬ stellung eines erfindungsgemäßen Verbrennungs¬ motors mit zusätzlicher Resonanzaufladung und zusätzlichem Ladegebläse;
Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer schematischen, geschnittenen Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit zusätzlicher Schwingrohraufladung;
Fig. 3 einen Ausschnitt aus einer schematischen, geschnittenen Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors ohne zusätzliche passive Aufladung. Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Ver¬ brennungsmotors 10 weist sechs Zylinder 12 auf. Jeder der Zylinder 12 enthält einen hin- und herbeweglichen Kolben 14. Die Kolben 14 sind in üblicher Weise über jeweils eine Pleuelstange 16 mit einer gemeinsamen Kurbelwelle 18 ver¬ bunden.
Die der Kurbelwelle 18 abgewandte Stirnwand 20 jedes Kolbens 14 umgibt zusammen mit der der Stirnwand 20 des Kolbens 14 gegenüberliegenden inneren Stirnwand 22 des zugehörigen Zylinders 12 und der zwischen diesen liegenden Innenwand 24 des Zylindermantels einen zylindrischen Brennraum 26.
Die innere Stirnwand 22 jedes Zylinders 12 weist eine Aus¬ laßöffnung 28 auf, die durch ein Auslaßventil 30 geöffnet oder geschlossen werden kann. Ein Auslaßrohr 32 verbindet die Auslaßöffnung 28 jedes Zylinders 12 mit einer gemein¬ samen Abgasabführung 34, die zu einer (nicht dargestellten) Auspuffanläge führt.
Ferner weist die innere Stirnwand 22 jedes Zylinders 12 eine Einlaßöffnung 36 auf, die durch ein Einlaßventil 38 geöffnet oder geschlossen werden kann. Die Einlaßöffnung 36 jedes Zylinders 12 ist über ein Saugrohr 40 mit einem gemeinsamen Resonanzrohr 42 verbunden. Die Saugrohre 40 sind parallel zueinander angeordnet und münden in das Resonanzrohr 42 quer zu dessen Längsachse.
Das Resonanzrohr 42 ist an beiden Enden geschlossen. Auf dem Mantel des Resonanzrohrs 42 ist eine wendeiförmige Kühl¬ schlange 43 angeordnet, die von einem Kühlmittel durchströmt wird und wärmeleitend mit dem Resonanzrohr 42 verbunden ist. Das Resonanzrohr 42 weist eine kreisförmige Absperrklappe 44 auf. Die Absperrklappe 44 ist um eine Achse 46 schwenkbar, die senkrecht zur Längsachse des Resonanzrohrs 42 angeordnet und im Mantel des Resonanzrohrs 42 gelagert ist.
In ihrer Schließstellung blockiert die Absperrklappe 28 gemeinsam mit einem ringförmigen Anschlag 48, der vom Mantel des Resonanzrohrs 42 in dessen Inneres hinein absteht, den gesamten Querschnitt des Resonanzrohrs 42 und unterteilt das Resonanzrohr 42 dadurch in axialer Richtung in zwei gleich große Hälften.
In jede dieser Hälften des Resonanzrohrs 42 mündet je eine Ladekammer 50 auf der den Saugrohren 40 gegenüberliegenden Seite des Mantels des Resonanzrohrs 42. Jede Ladekammer 50 ist trichterförmig ausgebildet und weist einen kegel¬ stumpfförmigen Trichterkopf 52 und einen zylindrischen Trichterhals 54 auf. Der Trichterkopf 52 ist zum Resonanz¬ rohr 42 hin offen, und die gemeinsame Symmetrieachse von Trichterkopf 52 und Trichterhals 54 verläuft senkrecht auf der Längsachse des Resonanzrohrs 42.
Jede Ladekammer 50 weist einen WasserstoffInjektor 56, der in der Wand des Trichterhalses 54 angeordnet ist, und eine Zündkerze 58, die in der Wand des Trichterkopfes 52 ange¬ ordnet ist, auf.
Die Saugrohre 40, das Resonanzrohr 42 und die Ladekammern 50 bilden eine als Ganzes mit 72 bezeichnete Sauganlage.
An dem dem Resonanzrohr 42 abgewandten Ende des Trichter¬ halses 54 jeder Ladekammer 50 ist je ein Drehschieberventil 60 angeordnet. Jedes der Drehschieberventile 60 weist ein hohlzylindrisches Ventilgehäuse 62 auf, dessen Achse auf der Symmetrieachse des Trichterhalses 54 senkrecht steht.
Ein gemeinsamer, zylindrischer Drehschieber 64 ist in beiden Ventilgehäusen 62 gasdicht und drehbar gelagert. Der Dreh¬ schieber 64 bildet den Ventilkörper der beiden Dreh¬ schieberventile 60 und weist im Bereich der Drehschieber¬ ventile 60 je eine radiale, durchgehende Drehschieberöffnung 66 auf. Die beiden Drehschieberöffnungen 66 können, je nach gewünschter Zündfolge der Ladegemische, parallel oder windschief zueinander ausgerichtet sein.
In der Offenstellung jedes Drehschieberventils 60 verbindet die Drehschieberöffnung 66 die Mündungsöffnung des Trichterhalses 54 mit einer gegenüberliegenden Mündungs¬ öffnung einer Ladeluftzuführung 68. Die beiden Ladeluftzu¬ führungen 68 vereinigen sich an der Ausstoßöffnung eines Ladegebläses 69, an dessen Eintrittsöffnung ein Lufteinlaß 70 angeordnet ist.
Während des Betriebs des Verbrennungsmotors 10 werden die Drehschieberventile 60 durch die Drehung des Drehschiebers 64 um dessen Längsachse, wobei die Achsen der Drehschieber¬ öffnungen 66 wechselnde Winkel mit den Symmetrieachsen der Trichterhälse 54 einschließen, periodisch geöffnet und geschlossen.
Während der Öffnungsphase eines Drehschieberventils 60 strömt Luft vom Lufteinlaß 70 durch das Ladegebläse 69 und die Ladeluftzuführung 68 in die zugehörige Ladeka mer 50 ein. Mit Hilfe des WasserstoffInjektors 56 wird Wasserstoff in diese Luft injiziert und so in der Ladekammer 50 ein sehr mageres Wasserstoff-Luft-Gemisch (Ladegemisch) mit einem ÄquivalenzVerhältnis von etwa 0,1 bis 0,2 bereit¬ gestellt.
Während der Schließphase des Drehschieberventils 60 wird das Ladegemisch in den Ladekammern 50 mit Hilfe der Zündkerzen 58 gezündet und brennt ab.
Durch den Druckanstieg während dieser Verbrennung werden in dem von der Luft in den Ladekammern 50, dem Resonanzrohr 42 und den Saugrohren 40 gebildeten schwingungsfähigen System Schwingungen angeregt, die zu Druckmaxima an den Einla߬ öffnungen 36 der Zylinder 12 führen. Durch geeignete Wahl der Zeitpunkte, zu denen die Ladegemische in den Ladekammern 50 gezündet werden, läßt sich erreichen, daß an der Einlaßöffnung 36 eines Zylinders 12 ein Druckmaximum gerade dann auftritt, wenn die Einlaßöffnung 36 durch das zuge¬ hörige Einlaßventil 38 geöffnet ist. Dadurch wird der Luft¬ strom in dem betreffenden Zylinder 12 während dessen Ein¬ laßphase ganz erheblich erhöht.
Außerdem trägt der bei der Verbrennung des mageren Wasser¬ stoff-Luft-Gemisches entstandene Wasserdampf zur Unter¬ drückung unkontrollierter Frühzündung im Brennraum 26 des Zylinders 12 bei.
Mittels der Kühlschlange 43 wird das im Resonanzrohr 42 befindliche Gasgemisch gekühlt. Dadurch wird verhindert, daß sich das in den Zylinder 12 strömende Oxidationsmittel infolge der Verbrennung des Ladegemisches zu stark erwärmt, was den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 10 ver¬ schlechtern würde. Die optimalen Zündzeitpunkte für die Zündung des mageren Wasserstoff-Luft-Gemisches in den Ladekammern 50 hängen von der Geometrie der Sauganlage 72 und von der Drehzahl des Verbrennungsmotors 10 ab.
Die Zündung kann in den verschiedenen Ladekammern 50 gleich¬ zeitig oder nacheinander erfolgen.
Die optimalen Zündzeitpunkte können entweder theoretisch aufgrund einer Analyse des Schwingungsverhaltens der Luft in dem aus den Ladekammern 50, dem Resonanzrohr 42 und den Saugrohren 40 bestehenden System oder aber experimentell bestimmt werden.
Bei hohen Motordrehzahlen wird das schwingungsfähige System durch Schließen der Absperrklappe 44 unterteilt, was höhere Eigenfrequenzen und damit ein für höhere Drehzahlen geeig¬ netes Schwingungsverhalten des schwingungsfähigen Systems zur Folge hat.
Wenn der mit der Zylinderventilsteuerung synchronisierte Drehschieber 64 die Drehschieberventile 60 wieder öffnet, wird durch die vom Lufteinlaß 70 durch das Ladegebläse 69 und die Ladeluftzuführungen 68 in die Ladekammern 50 ein¬ strömende Luft das sauerstoffhaltige Abgas der Ladever¬ brennungen aus den Ladekammern 50 in das Resonanzrohr 42 gespült, und der Ladezyklus beginnt von neuem mit der Injek¬ tion von Wasserstoff mittels der WasserstoffInjektoren 56.
Von einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors ist in Fig. 2 die zu einem der Zylinder 12 gehörende Anordnung dargestellt. Die zu den übrigen Zylindern 12 gehörende Anordnung ist mit der gezeigten Anordnung identisch. Einander entsprechende Elemente sind in den Fig. 1 und 2 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Die in Fig. 2 dargestellte, zweite Ausführungsform unter¬ scheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten ersten Aus¬ führungsform dadurch, daß das Resonanzrohr 42 fehlt und für jeden Zylinder 12 eine eigene Ladekammer 50 vorgesehen ist.
Außerdem wurde jedes der Drehschieberventile 60 aus Fig. 1 durch ein passives Rückschlagventil 78 ersetzt. Grundsätz¬ lich kann aber auch die Ausführungsform der Fig. 2 mit Drehschieberventilen 60 statt passiven Rückschlagventilen 78 bzw. die Ausführungsform der Fig. 1 mit passiven Rückschlag¬ ventilen 78 statt mit Drehschieberventilen 60 versehen werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel mündet jedes Saugrohr 40 direkt in eine ihm zugeordnete Ladekammer 50. Die Ladekammer 50 ist trichterförmig und umfaßt einen kegelstumpfförmigen Trichterkopf 52 und einen zylindrischen Trichterhals 54. In der Wand des Trichterhalses 54 ist ein WasserstoffInjektor 56 und in der Wand des Trichterkopfes 52 ist eine Zündkerze 58 angeordnet.
An dem dem Trichterkopf 52 abgewandten Ende des Trichter¬ halses 54 befindet sich ein Drehschieberventil 60.
Das dem Trichterhals 54 abgewandte Ende des Trichterkopfes 52 ist durch eine Trichterkappe 74 gasdicht geschlossen. Das Saugrohr 40 ist gasdicht durch eine Öffnung in der Trichter¬ kappe 74 geführt und ragt mit seinem offenen Ende 76 in das Innere der Ladekammer 50 hinein. Während des Betriebs des Verbrennungsmotors wird jedes der Rückschlagventile 78 dann geöffnet, wenn der Druck in der Ladekammer 50 niedriger ist als der Druck in der Ladeluft¬ zuführung 68.
Während der Öffnungsphase eines Rückschlagventils 78 strömt Luft durch die LuftZuführung 68 in die zugehörige Ladekammer 50 ein. Mit Hilfe des WasserstoffInjektors 56 wird Wasserstoff in diese Luft injiziert und so in der Ladekammer 50 ein sehr mageres Wasserstoff-Luft-Gemisch mit einem Äqui¬ valenzverhältnis von etwa 0,1 bis 0,2 bereitgestellt.
Während der Schließphase des Rückschlagventils 78 wird das Wasserstoff-Luft-Gemisch in der Ladekammer 50 mit Hilfe der Zündkerze 58 gezündet und brennt ab. Durch die Verbrennung entsteht eine Druckwelle, die sich in Richtung auf das Saugrohr 40 hin ausbreitet.
Der Zeitpunkt, zu dem das Wasserstoff-Luft-Gemisch in einer der Ladekammern 50 gezündet wird, wird so gewählt, daß die entstehende Druckwelle das offene Ende 76 des zugehörigen Saugrohrs 40 gerade dann erreicht, wenn eine Unterdruck¬ welle, die zuvor beim Öffnen des Einlaßventils 38 des zuge¬ hörigen Zylinders 12 entstanden und in das Saugrohr 40 hineingewandert ist, am offenen Ende 76 des Saugrohrs 40 als Druckwelle reflektiert wird. Dann laufen die reflektierte Druckwelle und die durch die Verbrennung erzeugte Druckwelle gemeinsam durch das Saugrohr 40 und die Einlaßöffnung 36 in den Brennraum 26 des Zylinders 12 und erhöhen dadurch den Luftstrom in den betreffenden Zylinder 12 während dessen Einlaßphase ganz erheblich. Dazu muß das Saugrohr 40 als Schwingrohr ausgebildet sein, d.h. seine Länge muß so bemessen sein, daß die Druckwellen noch vor Schließen des Einlaßventils 38 an der Einlaßöffnung 36 ankommen.
Der bei der Verbrennung des mageren Wasserstoff-Luft- Gemisches entstandene Wasserdampf trägt zur Unterdrückung unkontrollierter Frühzündung im Brennraum 26 des Zylinders 12 bei.
Bei dieser Ausführungsform müssen die Wasserstoff-Luft- Gemische in den verschiedenen Ladekammern 50 nacheinander gemäß der Zylinderzündfolge gezündet werden.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsge¬ mäßen Verbrennungsmotors gehört zu jedem Zylinder 12 die in Fig. 3 gezeigte Anordnung. Einander entsprechende Elemente sind in den Fig. 1, 2 und 3 mit denselben Bezugszeichen bezeichne .
Die in Fig. 3 dargestellte, dritte Ausführungsform unter¬ scheidet sich von der in Fig. 2 dargestellten, zweiten Aus¬ führungsform dadurch, daß die Ladekammern 50 fehlen und die Saugrohre 40 direkt an die zugehörigen Drehschieberventile 60 angeschlossen sind. In der Wand jedes Saugrohrs 40 sind, nahe dem drehschieberventilseitigen Ende des Saugrohrs 40, ein WasserstoffInjektor 56 und eine Zündkerze 58 angeordnet.
Außerdem wurde jedes der Rückschlagventile 78 aus Fig. 2 durch ein Magnetventil 80 ersetzt. Grundsätzlich kann aber auch die Ausführungsform der Fig. 3 mit Rückschlagventilen 78 oder Drehschieberventilen 60 statt Magnetventilen 80, die Ausführungsform der Fig. 2 mit Magnetventilen 80 statt Rückschlagventilen 78 und die Ausführungsform der Fig. 1 mit Magnetventilen 80 statt Drehschieberventilen 60 versehen werden.
Während des Betriebs des Verbrennungsmotors wird jedes der Magnetventile 80 zyklisch geöffnet und geschlossen.
Während der Öffnungsphase eines Magnetventils 80 strömt Luft durch die LadeluftZuführung 68 in das entsprechende Saugrohr 40 ein. Mit Hilfe des WasserstoffInjektors 56 wird Wasser¬ stoff in diese Luft injiziert und so nahe dem drehschieber¬ ventilseitigen Ende des Saugrohrs 40 ein sehr mageres Wasserstoff-Luft-Gemisch mit einem Äquivalenzverhältnis von etwa 0,1 bis 0,2 bereitgestellt.
Während der Schließphase des Magnetventils 80 wird das Wasserstoff-Luft-Gemisch im Saugrohr 40 mit Hilfe der Zünd¬ kerze 58 gezündet und brennt ab. Durch die Verbrennung wird eine Druckwelle erzeugt, die sich zur Einlaßöffnung 36 des zugehörigen Zylinders 12 hin ausbreitet. Der Zeitpunkt, zu dem das Wasserstoff-Luft-Gemisch im Saugrohr 40 gezündet wird, wird so gewählt, daß die Druckwelle durch die Einlaßöffnung 36 in den Brennraum 26 des Zylinders 12 gelangt, während das entsprechende Einlaßventil 38 geöffnet ist. Dadurch wird der Luftstrom in den betreffenden Zylinder 12 während dessen Einlaßphase ganz erheblich erhöht.
Außerdem trägt der bei der Verbrennung des mageren Wasser¬ stoff-Luft-Gemisches entstandende Wasserdampf zur Unter¬ drückung unkontrollierter Frühzündung im Brennraum 26 des Zylinders 12 bei. Bei dieser Ausführungsform müssen die Wasserstoff-Luft- Gemische in den verschiedenen Saugrohren 40 nacheinander gemäß der Zylinderzündfolge gezündet werden.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Erhöhung des Drehmoments eines einen Brennstoff mittels eines gasförmigen Oxidationsmittels verbrennenden Verbrennungsmotors mit mindestens einem Zylinder und einer Sauganlage, bei dem der Massenstrom des gasförmigen Oxidationsmittels in den oder die Zylinder erhöht wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in der Sauganlage ein Ladegemisch aus einem Lade¬ brennstoff und dem Oxidationsmittel bereitgestellt und zyklisch in der Sauganlage zu solchen Zeitpunkten gezündet wird, daß durch die Expansion bei der schnellen Verbrennung des Ladegemisches an der Ein¬ laßöffnung zumindest eines Zylinders während dessen Einlaßphase eine Druckerhöhung auftritt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung des Zündzeitpunktes des Ladegemisches in Abhängigkeit vom Lastzustand des Verbrennungsmotors erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Zündung des Ladegemisches an mehreren Orten der Sauganlage erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladegemisch an mehreren Orten der Sauganlage in Abhängigkeit von der Zylinderzündfolge gezündet wird.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Einlaßöffnung des Zylinders auftretende Druckerhöhung durch zusätz¬ liche Verwendung einer Schwingrohraufladung verstärkt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Abbrennen des Ladege¬ misches in der Sauganlage resonante Druckschwingungen angeregt werden, die zum Auftreten der Druckerhöhung an der Einlaßöffnung zumindest eines Zylinders während dessen Einlaßphase führen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauganlage in Abhängigkeit vom Lastzustand des Verbrennungsmotors, vorzugsweise durch eine oder mehrere Absperrklappen, unterteilt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung des Zündzeitpunkts bzw. der Zünd¬ zeitpunkte des Ladegemischs in Abhängigkeit von der Stellung der Absperrklappe bzw. der Absperrklappen erfolgt.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladegemisch am Ort der Zündung hergestellt wird.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladegemisch durch Injektion des Ladebrennstoffes in das Oxidationsmittel hergestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladebrennstoff in Form mehrerer aufeinander¬ folgender Pulse derart injiziert wird, daß eine solche Konzentrationsschichtung des Ladebrennstoffes im Lade¬ gemisch entsteht, bei der der Ladebrennstoff im Bereich des Zündortes angereichert ist.
12. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladegemisch einen Überschuß des Oxidationsmittels, vorzugsweise ein Äquivalenzverhältnis von 0,1 bis etwa 0,2, aufweist.
13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladebrennstoff mit dem Brennstoff des Verbrennungsmotors übereinstimmt.
14. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Wasserstoff als Lade¬ brennstoff verwendet wird.
15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoff als Oxida¬ tionsmittel verwendet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Luft als Oxidationsmittel ver¬ wendet wird.
17. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus Wasserstoff und einem weiteren Reduktionsmittel als Brennstoff ver¬ wendet wird.
19. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauganlage während des Abbrennens des Ladebrennstoffes von der Oxidations¬ mittelzufuhr getrennt ist.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauganlage durch ein oder mehrere Dreh¬ schieberventile von der Oxidationsmittelzufuhr getrennt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauganlage durch ein oder mehrere passive Sperrventile von der Oxidationsmittelzufuhr getrennt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauganlage durch ein oder mehrere aktive Sperrventile von der Oxidationsmittelzufuhr getrennt wird.
23. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Sauganlage ent¬ haltene Gasgemisch mit Hilfe eines Wärmetauschers gekühlt wird.
24. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauganlage mit dem Oxidationsmittel gespült wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauganlage mittels vorgeschaltetem Ladegebläse und geeigneten Schieber- oder Ventilanordnungen gespült wird.
26. Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, der einen Brennraum zur Verbrennung eines Brennstoffes mittels eines gasförmigen Oxidationsmittels aufweist, und mit einer Sauganlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauganlage (72) einen Injektor für einen Lade¬ brennstoff (56) und eine Zündvorrichtung (58) aufweist.
27. Verbrennungsmotor nach Anspruch 26, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Sauganlage (72) mehrere Injektoren für einen Ladebrennstoff (56) aufweist.
28. Verbrennungsmotor nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauganlage (72) mehrere Zünd¬ vorrichtungen (58) aufweist.
29. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauganlage (72) minde¬ stens ein Saugrohr (40) aufweist, das als Schwingrohr ausgebildet ist.
30. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauganlage (72) minde¬ stens eine Ladekammer (50) aufweist, die mindestens einen Injektor für einen Ladebrennstoff (56) und mindestens eine Zündvorrichtung (58) aufweist.
31. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauganlage (72) ein Resonanzrohr (42) aufweist.
32. Verbrennungsmotor nach Anspruch 31, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Resonanzrohr (42) mindestens eine Absperrklappe (44) zur Unterteilung des Resonanzrohrs (42) aufweist.
33. Verbrennungsmotor nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauganlage (72) mindestens eine Ladekammer (50) aufweist, die mindestens einen Injektor für einen Ladebrennstoff (56) und mindestens eine Zündvorrichtung (58) aufweist.
34. Verbrennungsmotor nach Anspruch 33, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Volumen einer Ladekammer (50) klein gegen das Volumen des Resonanzrohrs (42) ist, vor¬ zugsweise das Volumen einer Ladekammer (50) 5 bis 10 % des Volumens des Resonanzrohrs (42) beträgt.
35. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 26 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (56) mit einem Behälter zur Speicherung des Brennstoffs des Verbrennungsmotors (10) verbunden ist.
36. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 26 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor (56) mit einem Behälter zur Speicherung von Wasserstoff ver¬ bunden ist.
37. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 26 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (10) für die Verbrennung von Wasserstoff ausgelegt ist.
38. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 26 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (10) für die Verbrennung eines Gemischs aus Wasserstoff und einem weiteren Reduktionsmittel ausgelegt ist.
39. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 26 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Ventile (60, 78, 80) strömungstechnisch zwischen der Saugan¬ lage (72) und der Oxidationsmittelzufuhr (68) ange¬ ordnet sind.
40. Verbrennungsmotor nach Anspruch 39, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß ein oder mehrere Drehschieberventile
(60) strömungstechnisch zwischen der Sauganlage (72) und der Oxidationsmittelzufuhr (68) angeordnet sind.
41. Verbrennungsmotor nach Anspruch 39, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß ein oder mehrere passive Sperrventile (78) strömungstechnisch zwischen der Sauganlage (72) und der Oxidationsmittelzufuhr (68) angeordnet sind.
42. Verbrennungsmotor nach Anspruch 39, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß ein oder mehrere aktive Sperrventile (80) strömungstechnisch zwischen der Sauganlage (72) und der Oxidationsmittelzufuhr (68) angeordnet sind.
43. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 26 bis 42, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (10) einen Wärmetauscher (43) zur Kühlung der Sauganlage (72) aufweist.
44. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 26 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (10) ein Ladegebläse (69) mit Schieber oder Ventilanordnungen zum Spülen der Sauganlage (72) auf¬ weist.
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