DE102008037121A1

DE102008037121A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008037121A1
Application number: DE102008037121A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Ing. Kreuter
Original assignee: Meta Motoren und Energie Technik GmbH
Current assignee: Hong Kong Meta Co Ltd Cn
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2008-08-08
Publication date: 2010-02-11

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Arbeitszylinder (22) mit einer von einem Arbeitskolben (18) begrenzten Arbeitskammer (36) mit einem Einlassventil (54) und einem Auslassventil (50), wenigstens einem Verdichterzylinder (20) mit einer von einem Verdichterkolben (16) begrenzten Verdichterkammer (34) mit einem Frischladungseinlassventil (46) und einer verschließbaren Überströmöffnung, einer von einem Überströmkolben (40) begrenzten Überströmkammer (42), die bei offener Überströmöffnung mit der Verdichterkammer verbunden ist und bei offenem Einlassventil mit der Arbeitskammer verbunden ist, enthaltend folgende Schritte: - Füllen der Verdichterkammer (34) mit Frischladung unter Volumenzunahme der Verdichterkammer, - Verdichten von in der Verdichterkammer befindlicher Frischladung unter Volumenabnahme der Verdichterkammer, - Überschieben der verdichteten Frischladung in die Überströmkammer (42), - Ausschieben der in der Überströmkammer (42) befindlichen verdichteten Frischladung in die Arbeitskammer (36), wobei zumindest während eines Teils des Ausschiebens das Volumen der Überströmkammer abnimmt, - Verbrennen der mit Brennstoff versehenen, in der verdichteten Frischladung enthaltenen Frischluft in dem Arbeitszylinder unter Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit und unter Volumenzunahme des Arbeitszylinders, - Ausstoßen von verbrannter Ladung aus dem Arbeitszylinder.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine entsprechend einem solchen Verfahren betreibbare Brennkraftmaschine.
Aus Gründen der Ressourcenschonung und der Verminderung der Umweltbelastung liegt ein zunehmend vorrangiges Entwicklungsziel bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, wie sie insbesondere in Personenkraftwagen eingesetzt werden können, in der Verminderung des Kraftstoffverbrauchs bzw. der Verbesserung des Wirkungsgrades, wobei unter Wirkungsgrad der Kraftstoffverbrauch, bezogen auf die an der Kurbelwelle abnehmbare mechanische Energie verstanden wird.
Eine Eigenart herkömmlicher Hubkolbenbrennkraftmaschinen liegt darin, dass der gesamte thermodynamische Prozess (Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausschieben) in einem einzigen Zylinder abläuft, was erhebliche Kompromisse bzgl. der Ausnutzbarkeit der Brennstoffenergie bedeutet. Ansätze, den gesamten thermodynamischen Prozess auf zwei Zylinder zu verteilen, sind beispielsweise aus der US-2005/0268609 A1 bekannt. Bei dieser bekannten Brennkraftmaschine wird Frischladung von einem Kompressionszylinder in einen Arbeitszylinder unter Zwischenschaltung eines konstanten Zwischenvolumens übergeschoben. Dieses Überschieben erfolgt bei hohen Druckunterschieden, wodurch der Wirkungsgrad infolge thermischer Verluste und Strömungsverlusten unbefriedigend ist.
Eine weitere Eigenart moderner Hubkolbenbrennkraftmaschinen liegt in deren Einspritztechnik, bei der Otto- oder Dieselkraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt wird. Bei Otto-Motoren erfordert diese Technik zwar keine hohen Einspritzdrucke, jedoch ist eine sehr präzise Steuerung von Einspritzzeitpunkt und -menge, eine im Hinblick auf optimale und möglichst schadstofffreie Verbrennung ausgelegte Brennraumgeometrie sowie eine aufwändige Abgasnachbehandlung erforderlich. Bei dieselmotorischem Betrieb sind aus Gründen der Russvermeindung sehr hohe Einspritzdrucke (über 2000 bar) und eine aufwändige Abgasnachbehandlung einschließlich Dieselpartikelfilter erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine zu schaffen, das bzw. die gegenüber herkömmlichen Brennkraftmaschinen mit verbessertem Wirkungsgrad und hinsichtlich der Einspritztechnik und/oder der Abgasnachbehandlung vermindertem Aufwand arbeitet.
Der Anspruch 1 kennzeichnet ein erstes Verfahren zur Lösung der Erfindungsaufgabe.
Dadurch, dass Frischluft außerhalb des heißen Arbeitszylinders in einem Verdichterzylinder verdichtet wird, kann die Kompressionsarbeit bei gleichzeitig guter Füllung herabgesetzt werden, wodurch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine gesteigert wird. Wenn der außerhalb des Arbeitszylinders verdichteten Frischluft bereits vor deren Einströmen in den Arbeitszylinder Kraftstoff, insbesondere flüssiger Kraftstoff, zugemischt wird, ist das im Arbeitszylinder entstehende Gemisch ausgezeichnet homogenisiert und aufbereitet, wobei die Kompressionsendtemperatur, die im Arbeitszylinder herrscht, wenn ein im Arbeitszylinder arbeitender Kolben seinen oberen Totpunkt (OT) erreicht, durch Abstimmung der Verdichtung der Frischluft bzw. Frischladung, der Menge der in den Arbeitszylinder einströmenden Frischladung und des Restgases im Arbeitszylinder derart eingestellt werden kann, dass sich das brennfähige Gemisch ohne fremde Zündhilfe selbst entzündet.
Die Unteransprüche 2 bis 5 sind auf vorteilhafte Durchführungsformen des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet. Gemäß dem Anspruch 3 kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Dieselkraftstoff verwendet werden, der nicht unter Hochdruck direkt in den Brennraum eingespritzt wird, sondern ähnlich einer herkömmlichen Saugrohreinspritzung mit externer Gemischbildung unter geringem Druck in das Saugrohr eingespritzt wird. Auf diese Weise ist der für das Einspritzsystem erforderliche Systemdruck deutlich herabgesetzt, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führt.
Der Anspruch 6 kennzeichnet ein zweites Verfahren zur Lösung der Erfindungsaufgabe.
Bei dem zweiten Verfahren wird der Brennstoff bzw. Kraftstoff in den Arbeitszylinder während einer Phase zugeführt, während der in dem Arbeitszylinder enthaltenes Restgas komprimiert wird, so dass das im Arbeitszylinder komprimierte Brennstoff-Restgasgemisch nicht zündfähig ist. Während der Kompression des nicht zündfähigen Brennstoff-Restgasgemisches wird der Brennstoff, beispielsweise eingespritzter Dieselkraftstoff, ausgezeichnet homogenisiert, so dass er beim anschließenden Einleiten von komprimierter Frischluft in die Arbeitskammer homogen und schadstoffarm vollständig verbrennt.
Mit beiden erfindungsgemäßen Verfahren wird wegen der ausgezeichneten Aufbereitung des Kraft- bzw. Brennstoffes eine gute Abgasqualität erhalten. Beim Einsatz von Dieselkraftstoffen wird jegliche Entstehung von Ruß oder sonstigen Partikeln weitgehend vermieden. Insgesamt wird die Umweltverträglichkeit nicht nur auf Grund des verbesserten Wirkungsgrades, sondern auch auf Grund der verbesserten Abgasqualität deutlich verbessert.
Die weiteren Unteransprüche 7 bis 17 sind auf vorteilhafte Durchführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren gerichtet.
Der Anspruch 18 kennzeichnet eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine wird mit den Merkmalen der Ansprüche 19 bis 37 in vorteilhafter Weise weitergebildet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
In den Figuren stellen dar:
1 eine schematische Querschnittsansicht von Teilen einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einem Verdichterzylinder, Überströmzylinder und Arbeitszylinder;
2 bis 8 der 1 ähnliche Ansichten in verschiedenen Betriebszuständen;
9 Volumenverläufe in Abhängigkeit von der Stellung der Kurbelwelle;
10 Druckverläufe sowie Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile in Abhängigkeit von der Stellung der Kurbelwelle;
11 eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Ventiltriebs;
12 einen Schnitt durch einen Überströmkolben mit darin angeordnetem Überströmventil;
13 eine schematische Aufsicht auf eine erfindungsgemäße mehrzylindrige Brennkraftmaschine;
14 eine schematische perspektivische Ansicht der Kolben einer Zylindereinheit der Brennkraftmaschine gem. 13 mit Kurbelwelle; und
15 eine Schemazeichnung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Saugrohreinspritzung.
Gemäß 1 weist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine Kurbelwelle 10 mit zwei benachbarten Kurbeln auf, die über je ein Pleuel 12 bzw. 14 mit einem Verdichterkolben 16 bzw. einem Arbeitskolben 18 verbunden sind. Der Verdichterkolben 16 ist innerhalb eines Verdichterzylinders 20 beweglich. Der Arbeitskolben ist innerhalb eines Arbeitszylinders 22 beweglich, wobei der Arbeitszylinder 22 vorzugsweise mit einem Zylinderrohr 24 ausgekleidet ist.
Nach oben hin sind die Zylinder, die bevorzugt innerhalb eines gemeinsamen Zylindergehäuses 28 ausgebildet sind, mittels eines Zylinderkopfes 30 verschlossen, der in einem die beiden Zylinder 20 und 22 überlappenden Bereich eine verhältnismäßig dünne Stirnwand 32 aufweist, die Teilbereiche der Zylinder 20 und 22 nach oben abschließt und einen im Zylinderkopf 30 ausgebildeten Überströmzylinder 33 nach unten abschließt.
Zwischen dem Verdichterkolben 16 und dem Zylinderkopf 30 ist eine Verdichterkammer 34 ausgebildet (siehe 3). Zwischen dem Arbeitskolben 18 und dem Zylinderkopf 30 ist eine Arbeitskammer 36 ausgebildet, in die ein Einspritzventil 38 einragt.
In dem Überströmzylinder 33 ist ein Überströmkolben 40 bewegbar, der eine Überströmkammer 42 begrenzt.
In dem Zylinderkopf 30 ist ein Frischluft- bzw. Frischladungseinlasskanal 44 ausgebildet, in dem ein Frischladungseinlassventil 46 arbeitet, das die Verbindung zwischen dem Frischladungseinlasskanal 44 und der Verdichterkammer 34 steuert. Der Begriff Frischladung umfasst die Inhalte reine Frischluft und Frischluft mit zugesetztem Brennstoff und/oder Restgas.
In dem Zylinderkopf 30 ist weiter ein Auslasskanal 48 ausgebildet, in dem ein Auslassventil 50 arbeitet, das die Verbindung zwischen der Arbeitskammer 36 und dem Auslasskanal 48 steuert.
In der Stirnwand 32 ist eine die Verdichterkammer 34 mit der Überströmkammer 42 verbindende Überströmöffnung ausgebildet, in der ein Überströmventil 52 arbeitet, das bei einer Bewegung weg von der Verdichterkammer öffnet. Ein Schaft des Überströmventils 52 ist in dem Überströmkolben 40 unter Abdichtung beweglich geführt, wobei das Überströmventil 52 gegen die Kraft einer Feder 53 in den Überströmkolben 40 hinein bewegbar ist und vorzugsweise mit begrenztem Hub aus dem Überströmkolben 40 heraus bewegbar ist.
In einer weiteren Öffnung der Stirnwand 32, die die Überströmkammer 42 mit der Arbeitskammer 36 verbindet, arbeitet ein Einlassventil 54, dessen Schaft durch den Überströmkolben 40 unter Abdichtung beweglich hindurchgeführt ist.
Zur Betätigung der Ventile 46, 50 und 54 dienen ein Frischladungsnocken 56, ein Auslassnocken 58 und ein Einlassnocken 60. Der Überströmkolben 40 wird von einem Überströmnocken 62 betätigt.
Die Nocken sind in zweckentsprechender Weise an einer oder mehreren Nockenwellen ausgebildet, die vorzugsweise von der Kurbelwelle 10 mit gleicher Drehzahl wie die der Kurbelwelle angetrieben werden.
Die Funktion der hinsichtlich ihres grundsätzlichen Aufbaus beschriebenen Brennkraftmaschine wird im Folgenden anhand der 2 bis 8 erläutert, wobei der Übersichtlichkeit halber in diesen Figuren nur wenige Bezugszeichen eingefügt sind.
2 zeigt die Brennkraftmaschine in einem Zustand, in dem der Verdichterkolben 16 seinen oberen Totpunkt erreicht hat und das Volumen der Verdichterkammer minimal (annähernd Null) ist. Der Überströmkolben 40 befindet sich kurz vor seinem oberen Totpunkt (als oberer Totpunkt des Überströmkolbens 40 ist die Stellung definiert, in der die Überströmkammer 42 minimales Volumen (annähernd Null) hat). Der Arbeitskolben 18 hat seinen oberen Totpunkt bereits verlassen. Er eilt dem Verdichterkolben 16 in dieser beispielhaften Ausführungsform um einige Grad voraus, was durch entsprechenden Versatz der zugehörigen Kurbeln der Kurbelwelle 10 erreicht wird.
Das Frischladungseinlassventil 46 ist geschlossen. Das Überströmventil 52 ist geschlossen. Das Einlassventil 54 ist offen und das Auslassventil 50 ist geschlossen.
Der Zustand der 2 entspricht etwa dem Zustand, in dem ein Ansaugen von Frischladung bzw. ein Befüllen der Verdichterkammer 34 mit Frischladung beginnt und in der Überström kammer 42 enthaltene verdichtete Frischladung noch nicht vollständig in die Arbeitskammer 36 übergeströmt ist.
In 3 ist der Zustand dargestellt, in dem das Füllen der Verdichterkammer 34 mit Frischladung weitgehend beendet ist, wobei der Verdichterkolben 16 sich annähernd im Bereich seines unteren Totpunktes befindet, der Überströmkolben 40 sich im oberen Totpunkt – d. h. bei seinem minimalen Volumen – befindet und der Arbeitskolben 18 sich am Ende eines Arbeitshubs, der kurz nach dem Zustand der 2 begonnen hat, befindet, in dem Frischladung verbrannt ist. Das Frischladungseinlassventil 46 ist noch geöffnet, das Überströmventil 52 ist gegen die Kraft der Feder 53 weitgehend in den Überströmkolben 40 hinein bewegt, das Einlassventil 54 und das Auslassventil 50 sind geschlossen.
4 zeigt den Zustand, in dem die Verdichtung der Frischladung und etwa gleichzeitig damit der Ausstoß der verbrannten Ladung beginnt. Der Verdichterkolben 16 bewegt sich nach Durchfahren seines unteren Totpunktes aufwärts, um die Frischladung in der Verdichterkammer 34 zu verdichten. Der Überströmkolben 40 befindet sich weiter im Bereich seines oberen Totpunktes. Das Überströmventil 52 und das Einlassventil 54 sind geschlossen. Der Arbeitskolben 18 beginnt seine Aufwärtsbewegung. Das Auslassventil 50 ist geöffnet.
5 zeigt den Zustand, in dem das Überströmen der verdichteten, in der Verdichterkammer 34 befindlichen Ladung in die Überströmkammer 42 beginnt:
Der Verdichterkolben 16 nähert sich bei weiterhin geschlossenem Frischladungseinlassventil 46 seinem oberen Totpunkt. Der Überströmkolben 40 bewegt sich von seinem oberen Totpunkt weg, wobei sich das Überströmventil 52 durch die Kraft der Feder 53 aus dem Überströmkolben 40 herausbewegt und durch den Druck in der Verdichterkammer 34 geöffnet wird. Dadurch kann verdichtete Frischladung in die Überströmkammer 42 einströmen, wobei das Einlassventil 54 geschlossen ist. Der Arbeitskolben 18 hat seinen oberen Totpunkt annähernd erreicht, wobei das Auslassventil 50 am Ende des Expansionshubs noch offen ist.
6 zeigt die Brennkraftmaschine in einem Zustand etwas nach dem Zustand der 5, in dem sich der Verdichterkolben 16 bei weiterhin geschlossenem Frischladungseinlassventil 46 in seinen oberen Totpunkt bewegt und der Arbeitskolben 18 seinen oberen Totpunkt bereits erreicht hat. Das Überströmventil 52 ist bei etwa in seinem unteren Totpunkt befindlichem Überström kolben 40 weitgehend geöffnet, wobei die Öffnung noch dadurch unterstützt werden kann, dass das Überströmventil 52 nicht um den vollen Hub des Überströmkolbens 40 aus diesem heraus bewegbar ist, so dass es durch die Bewegung des Überströmkolbens in dessen UT von seinem Sitz abgehoben wird. Die vom Verdichterkolben 16 verdichtete Frischladung strömt in die Überströmkammer 42 über.
7 zeigt den Zustand der Brennkraftmaschine, bei dem der Verdichterkolben sich noch im Bereich des oberen Totpunktes befindet und der Arbeitskolben 18 seinen oberen Totpunkt bereits verlassen hat.
Das Frischladungseinlassventil 46 ist geschlossen. Der Überströmkolben 40 bewegt sich unter Verkleinerung des Volumens der Überströmkammer 42 in Richtung auf seinen oberen Totpunkt, wobei das Überströmventil 52 durch den fehlenden Druck in der Verdichterkammer 34 geschlossen ist und das Einlassventil 54 geöffnet ist, so dass die in der Überströmkammer 42 befindliche, verdichtete Frischladung in die Arbeitskammer 36 überdrückt wird, deren Volumen sich durch den sich bereits nach unten bewegenden Arbeitskolben 18 vergrößert. Das Auslassventil 50 ist geschlossen.
8 zeigt den Zustand geringfügig nach dem Zustand der 7, wobei sich der Überströmkolben 40 bei geschlossenem Überströmventil 52 und wieder geschlossenem Einlassventil 54 in seinem oberen Totpunkt befindet, die gesamte verdichtete Ladung sich in der Arbeitskammer 36 befindet und dort bei weiterhin geschlossenem Auslassventil 50 die Verbrennung beginnt, indem der kurz vorher eingespritzte Dieselkraftstoff sich selbst entzündet. Bei Ausbildung als Ottomotor mit Direkteinspritzung setzt kurz vor dem Zustand der 8 die Einspritzung ein und wird etwa im Zustand der 8 gezündet. Bei Ausbildung als nicht direkt einspritzender Ottomotor kann die Gemischbildung vor dem Frischladungseinlassventil 46 erfolgen, oder beispielsweise im Bereich der Überströmkammer 42.
Der Zustand der 8 ist der Zustand, den die Brennkraftmaschine kurz nach dem Zustand der 2 einnimmt, so dass der Zyklus geschlossen ist.
Bezugnehmend auf den Beginn des Überströmens der in der Überströmkammer 42 befindlichen verdichteten Frischladung in die Arbeitskammer 36 (Übergang vom Zustand gemäß 6 zum Zustand gemäß 7) ist es vorteilhaft, wenn die Steuerzeiten des Einlassventils 54 und des Auslassventils 50 derart gewählt sind, dass eine Verbindung der Überströmkammer 42 mit der Arbeitskammer 36 bei nur geringen Druckunterschieden von kleiner als 15 bar, bevorzugt kleiner als 10 bar oder noch vorteilhafter kleiner 5 bar zwischen den Kammern beginnt bzw. vorhanden ist. Diese Werte sind nur beispielhaft und nicht einschränkend. Besonders vorteilhaft erfolgt die Verbindung der Überströmkammer 42 mit der Arbeitskammer 36 zumindest bei näherungsweise Druckgleichgewicht in beiden Kammern. Das Auslassventil 50 wird vor dem OT des Arbeitskolbens 18 geschlossen, so dass in der Arbeitskammer 36 eine gewisse Restgasmenge verbleibt. Das Einlassventil 54 ist vorteilhafterweise bei Schließen des Auslassventils 50 noch geschlossen und öffnet beim Erreichen der oben genannten kleinen Druckunterschiede zwischen Arbeitskammer 36 und Überströmkammer 42 oder bei nahezu erreichter Druckgleichheit, so dass die Frischladung in energetisch bzw. thermodynamisch vorteilhafter Weise von der sich verkleinernden Überströmkammer 42 in die Arbeitskammer 36 übergeschoben wird.
Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich, erfolgt in dem Verdichterzylinder 20 die Befüllung mit frischer, insbesondere im Volllastbereich vorzugsweise kalter Ladung und deren Verdichtung. Die verdichtete Ladung wird unter Volumenzunahme der Überströmkammer 42 in die Überströmkammer verdrängt, von wo aus die verdichtete Ladung unter Volumenabnahme der Überströmkammer in die Arbeitskammer übergeschoben wird, in der sie zur Leistung mechanischer Arbeit verbrannt wird. Das Überschieben der in der Verdichterkammer 34 verdichteten Luft in die Überströmkammer 42 und von dort in die Arbeitskammer 36 geschieht energetisch günstig bei kleinen Druckunterschieden zwischen den jeweiligen Kammern.
Aus thermodynamischen Gründen ist für einen möglichst guten Wirkungsgrad die Verdichterkammer 34 möglichst kühl und ist die Arbeitskammer 36 heiß. Der Verdichterzylinder 20 ist somit vorteilhafterweise vom Arbeitszylinder 22 thermisch möglichst isoliert und wird möglichst stark gekühlt, wohingegen der Arbeitszylinder nur dem jeweiligen Zweck entsprechend soweit gekühlt wird, dass die Materialien thermisch nicht überbeansprucht werden. Dies wird durch entsprechenden Verlauf nicht dargestellter Kühlkanäle bzw. die Aufteilung des Kühlsystems in ein Kühlsystem zum Kühlen des Arbeitszylinders und ein Kühlsystem zum Kühlen des Verdichterzylinders erreicht sowie dadurch, dass der Verdichterzylinder und/oder der Arbeitszylinder mit thermisch entkoppelnden Auskleidungen versehen werden.
Infolge des erzwungenen Ladungswechsels durch das Überschieben der verdichteten Frischladung in die Arbeitskammer ist nur eine geringe Kühlung des Arbeitszylinders erforderlich.
Durch die Integration des Überströmventils 52 in den Überströmkolben 40 wird Bauraum gespart und dennoch ein Überströmventil mit großem Durchströmquerschnitt ermöglicht.
Der Überströmkolben 40 ist zur thermischen Isolierung vorteilhafterweise an seiner zur Stirnwand 32 weisenden Seite beispielsweise mittels einer gesonderten Isolationsschicht thermisch isoliert. Auch der Expansionszylinder ist vorteilhafterweise beispielsweise mittels eines eingesetzten Rohres thermisch isoliert. Besonders vorteilhaft ist eine thermisch isolierende Ausbildung der Oberseite des Arbeitskolbens 18 und des der Oberseite des Arbeitskolbens zugewandten Bereiches der Unterseite des Zylinderkopfes 30 einschließlich zumindest des entsprechenden Bereiches der Stirnwand 32.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung eilt der Arbeitskolben 18 dem Verdichterkolben 16 voraus, d. h. der Arbeitskolben 18 erreicht seinen oberen Totpunkt bevor der Verdichterkolben 16 seinen oberen Totpunkt erreicht. Dies führt dazu, dass die unter hohem Druck von der Überströmkammer in die Arbeitskammer ausgeschobene Frischladung vom Arbeitskolben nicht weiter verdichtet wird. Zum Erreichen hoher Kompressionsendtemperaturen und hoher Verdichtungen ist es vorteilhaft, wenn der Arbeitskolben dem Verdichterkolben etwas nacheilt, so dass die aus der Überströmkammer in die Arbeitskammer ausgeschobene Frischladung vom Arbeitskolben weiter verdichtet wird, wobei sie zusätzlich durch die aufgenommene Wandwärme der Arbeitskammer komprimiert wird. Dies vermindert zusätzlich den Kühlbedarf des Arbeitszylinders. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird im Folgenden anhand der 9 und 10 erläutert. 9 zeigt die Volumina der Arbeitskammer 36, Verdichterkammer 34 und Überströmkammer 42 jeweils in Abhängigkeit von der Stellung der Kurbelwelle, wobei der obere Totpunkt des Arbeitskolbens (minimales Volumen der Arbeitskammer 36) mit 0° bezeichnet ist. 10 gibt die Druckverläufe in der Arbeitskammer und der Verdichterkammer und zusätzlich beispielhafte Öffnungs- und Schließzeitpunkte der jeweiligen Ventile in Abhängigkeit von der Stellung der Kurbelwelle an.
Wie ersichtlich, schließt bei etwa –150° Kurbelwinkel, d. h. etwas nach UT des Verdichterkolbens, das Frischladungseinlassventil 44. Der Druck in der Verdichterkammer nimmt dann mit abnehmenden Volumen der Verdichterkammer 34 zu. Bei etwa –100°KW beginnt der Überströmkolben sich aus seinem OT heraus zu bewegen, so dass das Volumen der Überströmkammer 42 zunimmt. Bei etwa –95° öffnet das Überströmventil 52, so dass verdichtete Frischladung unter weiterer Verminderung des Volumens der Verdichterkammer 34 und Zunahme des Volu mens der Überströmkammer 42 in die Überströmkammer 42 übergeschoben wird. Bei etwa –75° schließt das Auslassventil 50, wodurch das Ausstoßen verbrannter Ladung aus der Arbeitskammer 36 beendet wird. Bei etwa –65°, d. h. bei etwa maximalem Volumen der Überströmkammer 42 öffnet das Einlassventil 54, so dass verdichtete Luft aus der Überströmkammer in die Arbeitskammer ausgeschoben wird, wobei der Druck in der Überströmkammer bevorzugt annähernd gleich dem der Arbeitskammer ist oder Druckunterschiede von kleiner 15 bar, vorteilhafter kleiner 10 bar oder noch besser kleiner 5 bar herrschen. Das Überschieben und Ausschieben der verdichteten Frischladung hält an, bis die Verdichterkammer und die Überströmkammer ihr geringstes Volumen haben, wobei die Drucke bis etwa –20° zunehmen, bei welchem Wert der Verdichterkolben und der Überströmkolben in den OT gelangen und das Überströmventil 52 und das Einlassventil 54 schließen.
Die sich in der Arbeitskammer befindende verdichtete Ladung zündet, woraus sich der in 10 dargestellte Druckverlauf in der Arbeitskammer 36 ergibt. Bei etwa 10°KW wird das Frischladungseinlassventil 44 geöffnet, so dass die Füllung der Verdichterkammer 34 wieder beginnt. Bei etwa 140°KW öffnet das Auslassventil 50 für den Auslass der verbrannten Ladung.
Mit der geschilderten Prozessführung ist es aufgrund der kontinuierlich hohen Wandtemperaturen in der Arbeitskammer 36 sowie aufgrund der Einspritzung in heißes Restgas möglich, auch Ottokraftstoff ohne Hilfe einer Zündkerze unter Direkteinspritzung in die Arbeitskammer, ähnlich wie Dieselkraftstoff unter Selbstzündung zu verbrennen, so dass nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl Ottokraftstoffe als auch Dieselkraftstoffe verwendet werden können.
Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, kann das Überströmen der im Verdichterzylinder 22 verdichteten Frischladung in die Überströmkammer 42 und von dort das Überschieben in die Arbeitskammer in unterschiedlichster Weise gesteuert werden. Unter Strömungsgesichtspunkten ist energetisch günstig, wenn die in der Verdichterkammer 34 verdichtete Frischladung bereits während ihrer Verdichtung in die sich zunächst vergrößernde Überströmkammer überströmt und von dort bei zumindest annähernder Druckgleichheit zwischen Überströmkammer und Arbeitskammer in die Arbeitskammer ausgeschoben wird, wobei die annähernde Druckgleichheit zwischen Überströmkammer und Arbeitskammer während des Ausschiebens aufrechterhalten werden kann. Dabei können sich das Überschieben und Ausschieben überlappen. Dadurch, dass das Volumen der Verdichterkammer bei Beendigung des Überschiebens etwa Null ist und das Volumen der Überströmkammer bei Beendigung des Ausschiebens etwa Null ist, ist gewährleistet, dass die gesamte, außerhalb der Arbeitskammer verdichtetet Frischladung in die Arbeitskammer gelangt. Für die Verbrennungsbedingungen in der Arbeitskammer kann es günstig sein, dass das Überschieben erst nach Beendigung des Überströmens erfolgt, wobei sich der Druck in der Überströmkammer durch Erwärmung der dort kurzzeitig gespeicherten Frischladung mittels Abgasenergie erhöht und das Ausschieben dann innerhalb eines verhältnismäßig kurzen Zeitraums erfolgt.
Wie sich aus dem Vorstehenden weiter ergibt, ist die Verdichtung der Frischladung durch das Verhältnis des maximalen Volumens der Verdichterkammer zum Kompressionsvolumen, d. h. dem minimalen Volumen der Arbeitskammer 36 gegeben. Die Expansion ist durch das Verhältnis des Volumens der Arbeitskammer 36 bei Öffnung des Auslassventils 50 zum Kompressionsvolumen gegeben und somit erheblich größer als die Verdichtung. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine arbeitet somit mit verlängerter Expansion, was thermodynamisch vorteilhaft ist.
11 zeigt schematisch beispielhaft einen erfindungsgemäßen Nockentrieb. Der die Arbeitskammer 36 nach oben abschließende Teil der Stirnwand des Zylinders ist mit 70 bezeichnet. Der die Verdichterkammer 34 nach oben abschließende Teil der Stirnwand des Zylinders ist mit 72 bezeichnet. Die Ventile und Nocken sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den bisherigen Figuren bezeichnet.
Der Ventiltrieb weist zwei Nockenwellen 74 und 76 auf, von denen eine ein Rad 78 trägt, das über eine Kette oder einen Zahnriemen mit einem Rad einer Kurbelwelle verbunden ist und mit gleicher Drehzahl wie die Kurbelwelle dreht. Die Nockenwellen sind in nicht dargestellten Lagern maschinenfest gelagert und weisen miteinander kämmende Zahnräder 80 und 82 auf, so dass sie mit gleicher Drehzahl gegensinnig drehen. Es sind zwei Frischladungseinlassventile 46 vorgesehen, von denen jedes von einem Frischladungsnocken 56 betätigt wird, der jeweils an einer der Nockenwellen 74 und 76 ausgebildet ist.
In der dargestellten Ausführungsform ist ein Auslassventil 50 vorgesehen, das von einem nicht dargestellten an einer der Nockenwellen 74 oder 76 ausgebildeten Auslassnocken betätigt wird. Es versteht sich, dass das Auslassventil 50 über an beiden Nockenwellen ausgebildete Nocken betätigt werden kann oder zwei Auslassventile vorgesehen sein können.
Das Einlassventil 54 wird von einem an der Nockenwelle 74 ausgebildeten Einlassnocken 60 betätigt, wobei ein Schaft des Einlassventils, wie aus 1 ersichtlich, unter Abdichtung durch den Überströmkolben 40 hindurch geführt ist. Der Überströmkolben 40, der die Verdichterkammer 34 und die Arbeitskammer 36 überlappt, ist in Aufsicht oval geformt und ist im dargestellten Beispiel einteilig mit vier Schäften ausgebildet, an deren freien Enden Rollen 84 gelagert sind, die an jeweils einem Überströmnocken 62 anliegen, der an jeder der Nockenwellen 74 und 76 ausgebildet ist. Die Rollen 84 werden von Federn 86, die sich zwischen dem Maschinengehäuse und den nicht mit Bezugszeichen versehenen Schäften des Überströmkolbens 40 abstützen, in Anlage an die Überströmnocken 62 gedrängt, d. h. die Federn 86 drangen den Überströmkolben 40 gemäß 1 nach oben in die Stellung, in der die Überströmkammer 42 maximales Volumen hat. Die Nocken 62 sind derart konturiert, dass der Überströmkolben 40 bei Anlage am Nockengrundkreis gegen die Kraft der Federn nach unten in eine Stellung gedrängt ist, in der das Volumen der Überströmkammer 42 minimal bzw. annähernd Null ist. Die Kontur der Nocken ist einfallend, so dass der Überströmkolben einen Hub entsprechend der doppelpunktierten Linie der 9 ausführt, wobei der in der Überströmkammer herrschende Druck die Kraft der Federn 86 unterstützt. Mit der beschriebenen Konstruktion wird erreicht, dass im Nockentrieb keine höheren Flächenpressungen auftreten als in konventionellen Nockentrieben.
12 zeigt einen Querschnitt durch den Überströmkolben 40 mit darin aufgenommenem Einlassventil 54 und Überströmventil 52. Der Überströmkolben 40 ist mittels einer oder mehrerer Dichtungen 90 unter Abdichtung im Zylinderkopf 30 (1) auf- und abwärts beweglich. Der Schaft des Einlassventils 54 ist unter Abdichtung in einer Hülse 92 geführt, die wiederum unter Abdichtung in dem Überströmkolben 40 geführt ist.
Der Schaft des Überströmventils 52 ist unter Abdichtung verschiebbar innerhalb des Überströmkolbens 40 geführt und wird von einer Feder 94, die sich an ihrem oberen Ende an einem Bund des Überströmkolbens 40 und an ihrem unteren Ende an einem starr mit dem Überströmventil 52 verbundenen Bund abstützt, gemäß 12 nach unten gedrängt. Am oberen Ende des Schaftes ist eine Hülse 96 befestigt, die einen Bund aufweist, der relativ zum Überströmkolben 40 um ein Maß h beweglich ist, das deutlich kleiner als der maximale Hub des Überströmkolbens 40 ist.
In der dargestellten Stellung nimmt der Überströmkolben 40 die Position ein, in der das Volumen der Überströmkammer 42 minimal ist und der Ventilteller des Überströmventils 52 an einem Ventilsitz 58 anliegt, der in der Stirnwand 32 (1) ausgebildet ist.
Wie bereits erläutert, ist die Funktion derart, dass das Überströmventil 52 bei Bewegen des Überströmkolbens 40 aus dessen OT heraus zunächst während eines Hubs h des Überströmkolbens 40 geschlossen bleiben kann und dann zwangsweise vom Ventilsitz 98 abhebt. Je nach Dimensionierung der Feder 94 kann deren Kraft schon vor Bewegen des Überströmkolbens 40 um den Hub h vom Druck in der Verdichterkammer 34 überwunden werden, so dass das Überströmventil 52 bereits unmittelbar nach Beginn der Bewegung des Überströmkolbens 40 aus seinem OT öffnet.
Die beispielhaft beschriebene erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann in vielfältiger Weise abgeändert werden:
Das Überströmventil 52 kann als einfaches Rückschlagventil ausgebildet sein, das lediglich vom Druck in der Verdichterkammer 34 gegen die Kraft einer sich am Maschinengehäuse abstützenden Feder geöffnet wird, wobei die Federkraft zweckentsprechend eingestellt ist.
Das Überströmventil 52 kann als getrenntes Bauteil entfallen.
Der Überströmkolben 40 kann sich unmittelbar nach dem Überschieben der Frischladung in die Arbeitskammer 36 und Schließen des Einlassventils 54 unter Volumenzunahme der Überströmkammer 42 in Richtung seines unteren Totpunktes bewegen, so dass der Verdichterkolben 16 unmittelbar nach dem Einsetzen der Aufwärtsbewegung Frischladung in die Überströmkammer 42 fördert.
Zur Anpassung der Öffnungs- und Schließzeitpunkte der jeweiligen Ventile an die Betriebsbedingungen können Phasensteller vorgesehen sein. Weiter ist es möglich, die Ventile nicht unmittelbar durch Drehung der nicht dargestellten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zu betätigen, sondern eigene Ventilaktoren vorzusehen, die zweckentsprechend gesteuert werden. Die effektive Verdichtung und die Zündbedingungen können durch den Schließzeitpunkt des Auslassventils beeinflusst werden; dieser Schließzeitpunkt kann durch eine entsprechende Verstelleinrichtung gegebenenfalls an unterschiedliche Betriebsbedingungen angepasst werden.
Die geometrischen Dimensionierungen der Kolben und Kolbenhübe werden entsprechend den jeweiligen Anforderungen im Hinblick auf thermodynamische Gesichtspunkte derart bemessen, dass bei geringer Verdichtungs- und Überströmarbeit eine möglichst hohe Füllung der Arbeits kammer 36 erzielt wird und dass, wenn die Brennkraftmaschine ohne Fremdzündung betrieben wird, im Bereich des OT des Arbeitskolbens 18 Temperaturen erzielt werden, bei denen direkt eingespritzter Kraftstoff oder direkt eingeleitetes Gas zuverlässig selbst zündet. Bei fremd gezündetem Betrieb mit Ottokraftstoff kann die Verdichtungsendtemperatur entsprechend niedriger liegen.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann als Saugmotor oder aufgeladen betrieben werden.
Es kann vorteilhaft sein, die Ladungszusammensetzung im Arbeitszylinder durch Verwendung eines zusätzlichen Spülventils (ähnlich wie bei einem Kopf gesteuerten Zweitaktmotor mit Ventilen) zu beeinflussen, d. h. das Ausschieben des Restgases zu unterstützen, wodurch sich bei „Auslass schließt” mehr Frischluft im Arbeitszylinder befindet und das Temperaturniveau abgesenkt wird.
Bei einer abgeänderten Ausführungsform kann der Überströmkolben lediglich gegen Federkraft geöffnet werden, so dass er von Federn in seinen OT gedrängt wird und vom Druck in der Verdichterkammer in Richtung zum OT bewegt wird, der durch einen Anschlag gegeben ist.
Ein ausgeführter Motor, auf den sich die Diagramme der 9 und 10, sowie die Darstellungen der 11 und 12 beziehen, hat folgende Abmessungen:

Verdichterkolben Überströmkolben Arbeitskolben

Bohrung (mm) 86 65* 115

Hub (mm) 86 7 120

OT-Volumen (cm³) 0 –0 38

* Der Überströmkolben hat hier eine elliptische Form, um die Anforderung bezüglich Volumenverlauf und Strömungsquerschnittsverlauf optimal zu erfüllen.

Die Überexpansion dieses Motors liegt bei etwa 2,5, was für Volllastwirkungsgrade optimal ist.
Für die Optimierung der Wirkungsgrade im Teillastbereich ist eine geringere Überexpansion von beispielsweise 1,8 vorteilhaft, d. h., der Arbeitskolben wird dann kleiner.
Mit dem erfindungsgemäßen Motor wurden bei Direkteinspritzung sowohl mit Dieselkraftstoff als auch mit Ottokraftstoff effektive Mitteldrucke von über 20 bar erzielt und effektive Wirkungsgrade von über 55%.
Vorteilhafterweise sollte das Verhältnis der Volumina der Arbeitskammer zu der Überströmkammer jeweils im UT des zugehörigen Kolbens zwischen 25 und 60 liegen. Das Verhältnis der Volumina der Verdichterkammer zu der Überströmkammer, jeweils im UT des zugehörigen Kolbens, sollte zwischen 15 und 25 liegen. Das geometrische Verdichtungsverhältnis der Arbeitskammer liegt vorteilhafterweise zwischen 25 und 40. Das Einlassventil, das schließt, wenn der Überströmkolben seinen OT erreicht hat, schließt vorteilhafterweise in einem Bereich zwischen 20 und 5°KW vor OT des Arbeitskolbens. Die vorgenannten Werte sind nur beispielhaft und nicht einschränkend.
Zur Unterstützung der Kaltstartfähigkeit bei nicht fremdgezündetem Betrieb kann zusätzlich eine Glühkerze installiert werden.
Die durch die Erfindung erzielte erhebliche Wirkungsgradverbesserung ist im Wesentlichen auf wenigstens einen der folgenden Faktoren zurückzuführen:
Ein Teil der Kompression erfolgt außerhalb des Brennraums bzw. der Arbeitskammer, wodurch die Kompression bei niederer Temperatur erfolgt und die Kompressionsarbeit vermindert wird. Ein Teil der Abgasenergie wird jeweils genutzt, indem die weitgehend oder nur wenig erwärmte verdichtete Frischladung dem heißen Brennraum bzw. der heißen Arbeitskammer zugeführt wird und dort thermische Energie aufnimmt. Zur noch besseren Nutzung der Abgaswärme kann das aus dem Auslasskanal 48 strömende Abgas zur Aufheizung der Überströmkammer 42 verwendet werden, indem es beispielsweise an der Rückseite des Überströmkolbens 40 entlang oder durch ihn hindurch geführt wird und/oder die Umfangswand des Überströmzylinders 33 aufheizt. In diesem Fall ist der Überströmkolben nicht zur Überströmkammer hin thermisch isoliert. Es kann auch mit zwei Überströmzylindern gearbeitet werden, deren Überströmkammern abwechselnd von Abgas und verdichteter Frischladung durchströmt wird. Es versteht sich, dass die Aufheizung der Überströmkammer derart ausgeführt wird, dass die Temperatur der Verdichterkammer dadurch möglichst nicht ansteigt. Bei Aufheizung der in die Überströmkammer übergeschobenen verdichteten Frischladung wird diese thermisch weiter verdichtet und der Öffnungszeitpunkt des Einlassventils entsprechend angepasst.
Die Wandwärmeverluste sind vermindert, da die gegenüber dem Verdichter thermisch isolierte Arbeitskammer nur wenig gekühlt werden muss oder auf eine externe Kühlung der Arbeitskammer ganz verzichtet werden kann.
Die Prozessführung erfolgt mit verlängerter Expansion.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Motors sind sein runder Lauf und seine Vielstofffähigkeit. Der Betrieb kann mit flüssigen Kraftstoffen, gasförmigen Kraftstoffen und auch staubförmigen Festbrennstoffen erfolgen.
13 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine dreizylindrige erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, wobei die einzelnen beschriebenen Zylindereinheiten aus Verdichterzylinder 20, Überströmzylinder 33 und Arbeitszylinder 22 in einer Reihe hintereinander angeordnet sind. Die Verdichterkolben 16 und Arbeitskolben 18 können über Pleuel 100, 102 (14) mit einer gemeinsamen Kurbelwelle (104) verbunden sein, deren Drehachse in 13 doppelpunktiert angedeutet ist. Das Pleuel 100 des Verdichterkolbens 16 und das Pleuel 102 und der Arbeitskolben 18 jeder der Einheiten können mit einer gemeinsamen Kurbel zusammen wirken, die einen Kurbelzapfen mit zwei in Längsrichtung der Kurbelwelle 104 hintereinander angeordneten und zueinander versetzten Kurbelzapfenabschnitten aufweist, mit denen der erwünschte Phasenversatz zwischen der Bewegung des Arbeitskolbens 18 und des Verdichterkolbens 16 erzielt wird. Der Arbeitskolben 18 und der Verdichterkolben 16 können auch mit jeweils eigenen Kröpfungen bzw. Kurbeln zusammen wirken, um den erwünschten Phasenversatz zwischen Arbeitskolben und Verdichterkolben zu erreichen, der auch Null sein kann.
Für alle Ventile und den Überströmkolben ist ein Nockentrieb, beispielsweise entsprechend 11, vorgesehen, der sich längs der gesamten Brennkraftmaschine erstreckt.
Die erfindungsgemäßen Zylindereinheiten mit Verdichterkolben, Überströmkolben und Arbeitskolben können in jedwelcher Anzahl und Anordnung vorhanden sein, wie sie auch bei herkömmlichen Motoren bekannt sind.
Die Brennkraftmaschine wurde vorstehend mit Direkteinspritzung in den Arbeitszylinder 22 (Einspritzventil 38) geschildert, wobei auch mit weitgehend jedem flüssigen oder gasförmigen Brennstoff ohne Fremdzündung gearbeitet werden kann.
Im Vorstehenden wurde der Zeitpunkt der Direkteinspritzung nicht im Detail erläutert, da der Zeitverlauf der Direkteinspritzung, wie an sich bekannt, gewählt werden kann, wobei die Einspritzung auf vor dem OT des Arbeitskolbens liegende Voreinspritzungen und im Bereich oder nach dem OT liegende Haupteinspritzungen aufgeteilt werden kann. Erfindungsgemäß kann der Kraftstoff in die Arbeitskammer eingespritzt (flüssige Kraftstoffe) oder eingeleitet (gasförmige Kraftstoffe) werden zwischen den Zeitpunkten B und C (10), d. h. der Kraftstoff kann der Arbeitskammer zugeführt werden, während sich in der Arbeitskammer nur Restgas befindet. Dieses Restgas wird zusammen mit dem zugeführten Kraftstoff verdichtet, wobei wegen der hohen Temperaturen eine ausgezeichnete Homogenisierung zwischen Kraftstoff und Restgas erfolgt, so dass der Kraftstoff, auch wenn es sich um Dieselkraftstoff handelt, zu dem Zeitpunk C, zu dem das Einlassventil öffnet, vollständig gasförmig vorliegt und mit der verdichteten Frischluft unter Selbstzündung vollständig verbrennt. Die in der Arbeitskammer vorhandene Restgasmenge wird durch den Schließzeitpunkt B des Auslassventils bestimmt. Der Öffnungszeitpunkt C des Einlassventils und der Schließzeitpunkt D des Einlassventils werden zusammen mit den Volumina der Verdichterkammer, der Überströmkammer und der Arbeitskammer sowie dem Volumen der Arbeitskammer im OT des Arbeitskolbens derart auf die Zündbedingungen abgestimmt, dass die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Restgasgemisches im Wesentlichen nach dem OT des Arbeitskolbens erfolgt. Die Zeitdauer zwischen dem Zeitpunkt B (Auslassventil schließt) und dem Zeitpunkt C (Einlassventil öffnet) wird derart gewählt, dass vor dem Einleiten von verdichteter Frischluft die angesprochene Homogenisierung des Kraftstoff-Restgasgemisches in ausreichender Weise erfolgt. Gegenüber der Direkteinspritzung des Kraftstoffes nahe dem OT des Arbeitskolbens hat die erfindungsgemäße Einspritzung bzw. Einleitung des Kraftstoffes in das Restgas nicht nur den Vorteil der ausgezeichneten Kraftstoffhomogenisierung, sondern auch den Vorteil, dass das Einspritzen bei niedrigerem Druckniveau erfolgt, wodurch der Aufwand für die Einspritzausrüstung vermindert ist. Während konventionell Kraftstoff in die Frischluft enthaltende Arbeitskammer eingespritzt wird, wird erfindungsgemäß verdichtete Frischluft der Arbeitskammer zugeführt, in der ein nicht brennfähiges Kraftstoff-Restgasgemisch vorhanden ist.
Anhand der 15 wird im Folgenden erläutert, dass die Brennkraftmaschine auch mit externer Gemischbildung betrieben werden kann.
15 zeigt eine Prinzipansicht einer Einheit aus Verdichterzylinder 20, Überströmzylinder 33 und Arbeitszylinder 22. In dem in den Verdichterzylinder 20 führenden Frischladungseinlasska nal 44 ist ein Einspritzventil 106 angeordnet, die, wie bei herkömmlichen Saugrohreinspritzungen bekannt, flüssigen Kraftstoff oder Brenngas in den Frischladungseinlasskanal 44 einspritzt, der Frischluft durch ein Luftfilter hindurch ansaugt oder an den Verdichter einer Aufladeeinrichtung angeschlossen ist. Bevorzugt erfolgt, insbesondere wenn eine oder mehrere Einspritzventile 106 bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen in jedem in einen Verdichterzylinder 20 führenden Frischladungseinlasskanal 44 angeordnet sind, die Einspritzung nicht kontinuierlich, sondern nur während des Zeitraums, währenddessen die Verdichterkammer 34 durch das offene Frischladungseinlassventil 46 (in 15 nicht dargestellt) mit Frischluft befüllt wird.
Durch das Einspritzventil 106 kann jedwelcher flüssige oder gasförmige Kraftstoff zugeführt werden. Auch schwerflüchtige Dieselkraftstoffe können eingespritzt werden, wobei das entstehende Gemisch während der Verdichtung in der Verdichterkammer 34 und dem anschließenden Überschieben in die Arbeitskammer 36 durch die Überströmkammer 42 hindurch zumindest weitgehend vollständig verdampft und ausgezeichnet aufbereitet und homogenisiert wird. Auf diese Weise läuft die Verbrennung des Diesel-Luftgemisches praktisch rußfrei ab. Lediglich der Teil des Gemischvolumens, welcher bereits in die Arbeitskammer übergeschoben ist, erreicht durch die in der Arbeitskammer vorherrschenden hohen Wandtemperaturen und durch die Durchmischung mit in der Arbeitskammer vorhandenem heißen Restgas Zündbedingungen. Dadurch entzündet sich weder das Dieselkraftstoff-Luftgemisch noch bei Betrieb mit Ottokraftstoff, das Ottokraftstoff-Luftgemisch oder, bei Gasbetrieb, das Gas-Luftgemisch spontan insgesamt, sondern es erfolgt durch den zeitlichen Ablauf des Gemischüberschiebens eine verhältnismäßig weiche Verbrennung entsprechend der 10, deren Druckverlauf sowohl bei externer Einspritzung als auch bei Einspritzung direkt in die Arbeitskammer ohne Druckspitzen erfolgt, wie sie bei klopfendem Betrieb herkömmlicher Otto-Motoren oder bei herkömmlichen Dieselmotoren auftreten. In Folge dieser weichen Verbrennung können belastete Bauteile schwacher dimensioniert werden und erhöht sich die Lebensdauer des Motors. Ein weiterer Vorteil, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere bei Saugrohreinspritzung von Dieselkraftstoff erzielt wird, ist, dass ein Rußfilter entfallen kann und dass konventionelle Abgasnachbehandlungen mit preiswerten Katalysatoren die Erfüllung schärfster Abgasgesetze ermöglichen.
Die Drehmoment- und Leistungscharakteristika, die mit der geschilderten Brennkraftmaschine erzielt werden, sind weitgehend unabhängig davon, ob mit Einspritzung direkt in die Arbeitskammer oder mit externer Einspritzung gearbeitet wird, wobei bei externer Einspritzung ein Sys temdruck (Kraftstoffdruck stromoberhalb des Einspritzventils) zwischen 3 und 8 bar durchaus ausreicht.
Das Einspritzventil 106 bzw. die Einspritzventile müssen nicht zwangsläufig stromoberhalb der Verdichterkammer 34 angeordnet sein. Die Einspritzung kann auch direkt in die Verdichterkammer 34 oder in die Überströmkammer 42 erfolgen.
Sowohl bei Direkteinspritzung als auch bei Saugrohreinspritzung kann die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit stöchiometrischem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λ = 1) oder mit rein lastabhängiger Kraftstoffmengeneinspritzung betrieben werden. Im ersteren Fall muss die Luftmenge lastabhängig gesteuert und gemessen werden, damit die eingespritzte Kraftstoffmenge auf den Luftdurchsatz abgestimmt werden kann. Je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschine kann von einer Betriebsweise auf die andere übergegangen werden. Die jeweilige Betriebsweise bestimmt in an sich bekannter Weise die für die Abgasnachbehandlung zur verwendenden Katalysatoren und weitere, für die Abgasnachbehandlung wichtige Parameter, beispielsweise das Ausmaß der Abgasrückführung.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist vielstofffähig, d. h. sie kann, wie ausgeführt, mit weitgehend allen Arten von flüssigen und gasförmigen Kraftstoffen betrieben werden. Der jeweils verwendete bzw. getankte Kraftstoff kann in an sich bekannter Weise bestimmt werden und die einzelnen Steuerzeiten können durch Einsatz entsprechender Ventilbetätigungssysteme auf den jeweiligen Kraftstoff abgestimmt werden. Insbesondere durch Veränderung des Öffnungszeitpunkts des Auslassventils und Veränderung der Phasenlage der Bewegung des Überströmkolbens relativ zur Kurbelwellendrehung kann die zum Zeitpunkt des OT des Arbeitskolbens erreichte Temperatur in der Arbeitskammer beeinflusst werden.
Zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens kann es zweckmäßig sein, bei Saugrohreinspritzung gegenüber dem Einspritzventil ein zeitweilig beheiztes Heizelement anzuordnen, mit dem die Gemischbildung im Kaltzustand unterstützt wird. Weiter kann es zweckmäßig sein, in der Arbeitskammer ein zeitweilig beheiztes Element, beispielsweise eine Glühkerze, anzuordnen.
Insbesondere bei Betrieb mit Direkteinspritzung ist es möglich, die Brennkraftmaschine mit unterschiedlichen Kraftstoffen bei gleichen Steuerzeiten der Ventile zu betreiben und die Kraft stoffart nur durch Veränderung des Zeitablaufes der Einspritzung zu verändern, was bei elektronisch ansteuerbaren Einspritzventilen in einfacher Weise möglich ist.
Die Erfindung kann in vielfältiger Weise abgeändert werden, solange die wesentlichen Merkmale der Erfindung vorhanden sind, nämlich Verdichtung von Frischladung in einem Verdichterzylinder, Überschieben der verdichteten Frischladung in eine Volumen veränderliche Überströmkammer, Ausschieben der verdichteten Frischladung aus der Überströmkammer in eine Arbeitskammer, wobei das Volumen der Überströmkammer zumindest während eines Teils des Ausschiebens abnimmt und Verbrennen der in die Arbeitskammer ausgeschobenen, verdichteten Frischladung unter Arbeitsabgabe. Die Arbeitskammer ist vorteilhafterweise von der Verdichterkammer und möglichst auch von der Überströmkammer thermisch isoliert. Der aus der Verdichterkammer in die Überströmkammer übergeschobenen und aus der Überströmkammer in die Arbeitskammer ausgeschobenen Ladung wird vorteilhafterweise bei einem vorhergehenden Arbeitstakt frei werdende thermische Energie zugeführt.
Die geschilderten Verfahren der direkten Einspritzung bzw. Einleitung von Kraftstoff in den Arbeitszylinder derart, dass der Kraftstoff in Frischluft enthaltendes, verdichtetes Gas eingeleitet wird, oder der Kraftstoff in keine Luft bzw. keinen Sauerstoff enthaltendes Restgas eingeleitet wird, oder der Kraftstoff strömungsoberhalb des Arbeitszylinders in urverdichtete oder verdichtete Frischluft eingeleitet wird, können miteinander kombiniert werden, so dass Kraftstoffanteile entsprechend den verschiedenen Verfahren eingeleitet werden. Die Anteile können beispielsweise last- oder temperaturabhängig verändert werden.

10: Kurbelwelle
12: Pleuel
14: Pleuel
16: Verdichterkolben
18: Arbeitskolben
20: Verdichterzylinder
22: Arbeitszylinder
24: Zylinderrohr
28: Zylindergehäuse
30: Zylinderkopf
32: Stirnwand
33: Überströmzylinder
34: Verdichterkammer
36: Arbeitskammer
38: Einspritzventil
40: Überströmkolben
42: Überströmkammer
44: Frischladungseinlasskanal
46: Frischladungseinlassventil
48: Auslasskanal
50: Auslassventil
52: Überströmventil
53: Feder
54: Einlassventil
56: Frischladungsnocken
58: Auslassnocken
60: Einlassnocken
62: Überströmnocken
70: Stirnwand
72: Stirnwand
74: Nockenwelle
76: Nockenwelle
78: Rad
80: Zahnrad
82: Zahnrad
84: Rolle
86: Feder
90: Dichtung
92: Hülse
94: Feder
98: Ventilsitz
100: Pleuel
102: Pleuel
104: Kurbelwelle
106: Einspritzventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2005/0268609 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Arbeitszylinder (22) mit einer von einem Arbeitskolben (18) begrenzten Arbeitskammer (36) mit einem Einlassventil (54) und einem Auslassventil (50), wenigstens einem Verdichterzylinder (20) mit einer von einem Verdichterkolben (16) begrenzten Verdichterkammer (34) mit einem Frischladungseinlassventil (46) und einer verschließbaren Überströmöffnung, einer von einem Überströmkolben (40) begrenzten Überströmkammer (42), die bei offener Überströmöffnung mit der Verdichterkammer verbunden ist und bei offenem Einlassventil mit der Arbeitskammer verbunden ist, enthaltend folgende Schritte: – Füllen der Verdichterkammer (34) mit Frischladung unter Volumenzunahme der Verdichterkammer, – Verdichten von in der Verdichterkammer befindlicher Frischladung unter Volumenabnahme der Verdichterkammer, – Überschieben der verdichteten Frischladung in die Überströmkammer (42), – Ausschieben der in der Überströmkammer (42) befindlichen verdichteten Frischladung in die Arbeitskammer (36), wobei zumindest während eines Teils des Ausschiebens das Volumen der Überströmkammer abnimmt, – Verbrennen von der Frischladung zugeführtem Brennstoff in dem Arbeitszylinder unter Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit unter Volumenzunahme des Arbeitszylinders, wobei zumindest ein Teil des Brennstoffes der Frischladung vor deren Einleiten in den Arbeitszylinder zugeführt wird, – Ausstoßen von verbrannter Ladung aus dem Arbeitszylinder.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Teil des Brennstoffes der Frischluft stromoberhalb des Verdichterzylinders (20) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Brennstoff flüssiger Kraftstoff ist, der aus wenigstens einem Einspritzventil (106) abgespritzt wird und dem Einspritzventil mit einem Druck zwischen 3 und 8 bar zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Brennstoff der Frischluft phasenweise zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Überströmen des Gemisches in die Arbeitskammer (36) im OT des Arbeitskolbens (18) weitgehend abgeschlossen ist und die in die Arbeitskammer übergeschobenen Teile des Gemisches durch die Wandtemperaturen der Arbeitskammer und die Durchmischung mit heißem in der Arbeitskammer befindlichem Restgas Selbstzündbedingungen erreichen.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Arbeitszylinder (22) mit einer von einem Arbeitskolben (18) begrenzten Arbeitskammer (36) mit einem Einlassventil (54) und einem Auslassventil (50), wenigstens einem Verdichterzylinder (20) mit einer von einem Verdichterkolben (16) begrenzten Verdichterkammer (34) mit einem Frischladungseinlassventil (46) und einer verschließbaren Überströmöffnung, einer von einem Überströmkolben (40) begrenzten Überströmkammer (42), die bei offener Überströmöffnung mit der Verdichterkammer verbunden ist und bei offenem Einlassventil mit der Arbeitskammer verbunden ist, enthaltend folgende Schritte: – Füllen der Verdichterkammer (34) mit Frischladung unter Volumenzunahme der Verdichterkammer, – Verdichten von in der Verdichterkammer befindlicher Frischladung unter Volumenabnahme der Verdichterkammer, – Überschieben der verdichteten Frischladung in die Überströmkammer (42), – Ausschieben der in der Überströmkammer (42) befindlichen verdichteten Frischladung in die Arbeitskammer (36), wobei zumindest während eines Teils des Ausschiebens das Volumen der Überströmkammer abnimmt, – Verbrennen von der Frischladung zugeführtem Brennstoff in dem Arbeitszylinder unter Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit unter Volumenzunahme des Arbeitszylinders, – Ausstoßen von verbrannter Ladung aus dem Arbeitszylinder, – wobei zumindest ein Teil des Brennstoffes der Arbeitskammer (36) nach dem Ausstoßen der verbrannten Ladung und vor dem Ausschieben der verdichteten Frischluft in die Arbeitskammer zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Brennstoff Ottokraftstoff, Dieselbrennstoff oder gasförmiger Kraftstoff ist.
Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 7, wobei zumindest während eines Teils des Überschiebens das Volumen der Überströmkammer (42) zunimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei sich das Überschieben der verdichteten Frischladung in die Überströmkammer (42) und das Ausschieben aus der Überströmkammer zeitlich überlappen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei sich das Überschieben der verdichteten Frischladung in die Überströmkammer (42) und das Ausschieben aus der Überströmkammer zeitlich nicht überlappen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die verdichtete Frischladung ohne wesentlichen Druckabfall aus dem Überströmzylinder (33) in den Arbeitszylinder (22) ausgeschoben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Überströmkolben (40) seinen UT erreicht, bevor der Verdichterkolben (16) seinen OT erreicht, das Einlassventil (54) geöffnet wird, bevor der Arbeitskolben (18) seinen OT erreicht, die Überströmöffnung geschlossen wird, wenn sich der Verdichterkolben (16) in seinem OT befindet und das Einlassventil (54) schließt, wenn sich der Überströmkolben (40) in seinem OT befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Volumen der Verdichterkammer (34) bei in seinem OT befindlichen Verdichterkolben (16) zumindest annähernd Null ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Volumen der Überströmkammer (42) bei in seinem OT befindlichen Überströmkolben (40) annähernd Null ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Überströmzylinder (33) vom Abgas der Brennkraftmaschine beheizt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die geometrische Verdichtung der Frischluft außerhalb des Arbeitszylinders (22) größer ist als eine geometrische Verdichtung, die die Frischluft zwischen ihrer Einleitung in den Arbeitszylinder (22) und vor Erreichen des oberen Totpunktes eines im Arbeitszylinder arbeitenden Kolbens (18) erfährt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Verdichterzylinder (20) zur Abfuhr wenigstens eines Teils der bei der Verdichtung der Frischluft entstehenden Wärme gekühlt wird.
Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Arbeitszylinder (22) mit einer von einem Arbeitskolben (18) begrenzten Arbeitskammer (36) mit einem Einlassventil (54) und einem Auslassventil (50), wenigstens einem Verdichterzylinder (20) mit einer von einem Verdichterkolben (16) begrenzten Verdichterkammer (34) mit einem Frischladungseinlassventil (46) und einer verschließbaren Überströmöffnung, einer von einem Überströmkolben (40) begrenzten Überströmkammer (42), die bei offener Überströmöffnung mit der Frischluftkammer verbunden ist und bei offenem Einlassventil mit der Arbeitskammer verbunden ist, einer Brennstoffzufuhreinrichtung (38; 106), einem mit dem Arbeitskolben und dem Verdichterkolben verbundenen Kurbeltrieb (10) und einer Steuereinrichtung zur Steuerung des Betriebes der Ventile, des Überströmkolbens und der Brennstoffzufuhreinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 17, wobei die Brennstoffzufuhreinrichtung stromoberhalb des Frischladungseinlassventils (46) angeordnetes Einspritzventil (106) aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 19, wobei die Brennstoffzufuhreinrichtung eine Heizeinrichtung zum Verdampfen von eingespritztem flüssigem Kraftstoff enthält.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 18, wobei die Brennstoffzufuhreinrichtung ein in der Arbeitskammer (36) einspritzendes Einspritzventil (38) aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei die Brennstoffzufuhreinrichtung Dieselkraftstoff oder Ottokraftstoff oder gasförmigen Kraftstoff einspritzt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei eine Sensoreinrichtung zum Feststellen der Art des Kraftstoffes vorgesehen ist und eine Einrichtung zur Änderung von Phasenlage und Öffnungsdauer der Ventile vorgesehen ist, mit der die Phase und die Öffnungsdauer der Ventile und/oder der Bewegung des Überströmkolbens (40) relativ zur Drehung der Kurbelwelle in Abhängigkeit von dem verwendeten Brennstoff veränderbar ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 23, wobei eine Sensoreinrichtung zur Feststellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und eine Sensoreinrichtung zur Feststellung der Drehzahl der Brennkraftmaschine vorgesehen sind, und eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der die Phasenlage und die Öffnungsdauer der Ventile und/oder die Bewegung des Überströmkolbens (40) relativ zur Drehung der Kurbelwelle in Abhängigkeit vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis und der Drehzahl veränderbar ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 24, wobei Bohrung und Hub des Verdichterkolbens (16) kleiner sind als die des Arbeitskolbens (18).
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 25, wobei das Volumen der Verdichterkammer (34) im OT des Verdichterkolbens (16) annähernd Null ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 26, wobei das Volumen der Überströmkammer (42) im OT des Überströmkolbens (40) annähernd Null ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 27, wobei der Verdichterkolben (16) und der Arbeitskolben (18) mit einer gemeinsamen Kurbelwelle (10) verbunden sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 28, wobei wenigstens das Frischladungseinlassventil (46), das Einlassventil (54) und das Auslassventil (50) von einem vom Kurbeltrieb (10) angetriebenen Nockentrieb betätigt werden.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 29, wobei der Überströmkolben (40) von einem vom Kurbeltrieb (10) angetriebenen Nockentrieb (74, 76) betätigt wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 30, wobei der Nockentrieb (74, 76) mehrere, den Überströmkolben (40) betätigende Nocken (62) aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 31, wobei der Verdichterzylinder (20) und der Arbeitszylinder (22) nebeneinander angeordnet sind und der Überströmkolben (40) in einem Überströmzylinder (33) arbeitet, der in Bewegungsrichtung der Kolben (16, 18) gesehen den Verdichterzylinder und den Arbeitszylinder überlappt und an eine dem Verdichterzylinder und dem Arbeitszylinder gemeinsame Stirnwand (32) angrenzt, in der die von einem Überströmventil (52) verschließbare Überströmöffnung und eine von dem Einlassventil (54) verschließbare Öffnung ausgebildet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 32, wobei sich ein Schaft des Einlassventils (54) unter Abdichtung durch den Überströmkolben (40) erstreckt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 32 oder 33, wobei das Überströmventil (52) als ein Tellerventil ausgebildet ist, das bei Bewegung in Richtung weg von der Verdichterkammer (34) öffnet und dessen Schaft unter Abdichtung in dem Überströmkolben (40) geführt ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 34, wobei das Überströmventil (52) bei im OT befindlichen Überströmkolben (40) geschlossen ist und gegen die Kraft einer im Überströmkolben angeordneten Feder (53) aus dem Überströmkolben heraus bewegbar ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 35, wobei der Arbeitszylinder (22) und der Verdichterzylinder (20) thermisch voneinander isoliert sind und das Temperaturniveau des Arbeitszylinders höher ist als das des Verdichterzylinders.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 18 bis 36, enthaltend mehrere in Reihe angeordnete Zylindereinheiten mit je einem Verdichterzylinder (20), Arbeitszylinder (22) und Überströmzylinder (33), wobei die Verdichterzylinder und die Arbeitszylinder in je einer von zwei nebeneinander angeordneten Reihen angeordnet sind, die Verdichterkolben und Arbeits kolben mit einer gemeinsamen Kurbelwelle verbunden sind und die Überströmkolben (40) von wenigstens einer gemeinsamen Nockenwelle betätigt werden.