DE102009035846B4

DE102009035846B4 - Aufgeladener Zweitakt-Hubkolbenverbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102009035846B4
Application number: DE102009035846.3A
Authority: DE
Inventors: Van-Khanh Tran
Original assignee: MWI MICRO WAVE IGNITION AG
Current assignee: Mwi Micro Wave Ignition Ag De
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2022-03-24
Anticipated expiration: 2029-08-01
Also published as: DE102009035846A1

Abstract

Aufgeladener Zweitakt-Hubkolbenverbrennungsmotor, wobei die Zylinder zur Zuführung von Ladeluft im Bereich der Mantelfläche konfiguriert sind, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Variation der Öffnungsfläche wenigstens eines Auslassventils vorgesehen sind, zur bedarfsweisen Einstellung des Anteils an Abgas am Gemisch im Zylinder zu mindestens 20 %, wobei zur Einleitung des Verbrennungsvorgangs des Gemischs eine Raumzündung, insbesondere durch Mikrowellen, vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit Fremdaufladung, der nach dem Zweitaktprinzip arbeitet.
Ein derartiger Verbrennungsmotor ist aus der US 4 732 116 A bekannt. Dabei sind im Zylinderkopf zwei Einlassventile vorgesehen, die zu unterschiedlichen Zeiten angesteuert werden. Damit soll eine Verwirbelung des Gemischs im Zylinder, zur Verbesserung der Verbrennung, erreicht werden.
Aus der gattungsbildenden EP 0 653 558 A1 ist ein Zweitakt-Großdieselmotor bekannt, der mit einer aus Turbine und Kompressor bestehenden Aufladegruppe versehen ist. Die Ladeluft wird dem Zylinder dabei im Bereich der Mantelfläche zugeführt. Zudem ist ein zentrales Auslassventil im Zylinderkopf vorgesehen. Über den Ladedruck ergibt sich eine Möglichkeit, die im Zylinder verbleibende Abgasmenge zu steuern, wobei die Menge vorzugsweise höchstens zwanzig Gewichtsprozent beträgt.
Zweitakt-Brennkraftmaschinen sind beispielhaft in der DE 32 22 081 A1 , DE 40 22 703 A1 und DE 43 41 885 A1 beschrieben.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diesen Verbrennungsmotor universeller einsetzbar zu gestalten.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß weist der nach dem Zweitaktprinzip betriebene Verbrennungsmotor Mittel zur Variation der Öffnungsfläche wenigstens eines Auslassventils auf, zur bedarfsweisen Einstellung des Anteils an Abgas am Gemisch in einem Zylinder zu mindestens 20 %, wobei zur Einleitung des Verbrennungsvorgangs im Zylinder eine Raumzündung, insbesondere durch Mikrowellen, vorgesehen ist. Die Variation der Öffnungsfläche eines Auslassventils ermöglicht es, einen wesentlich größeren Abgasanteil am Gemisch im Zylinder vorzusehen, als bei einer entsprechenden Steuerung über den Ladedruck. Damit ein Gemisch mit einem derart hohen Abgasanteil dann auch zündet, muss eine Fremdzündung an einer Vielzahl von Orten im Gemisch nahezu gleichzeitig erfolgen. Deshalb ist hier erfindungsgemäß eine Raumzündung vorgesehen. Dies erlaubt einen Einsatz über einen großen Kennfeldbereich. Eine derartige Raumzündung wird von der Anmelderin in der älteren, nicht vorveröffentlichten DE 10 2009 016 668 A1 dargelegt. Der erfindungsgemäß ausgestaltete und nach dem Zweitaktprinzip betriebene Verbrennungsmotor ergibt nun im Zusammenwirken mit der Raumzündung eine stark optimierte und damit besonders abgasarme Verbrennung.
In einer ersten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist ein Zylinder des Verbrennungsmotors wenigstens zwei Auslassventile auf, wobei als Mittel zur Variation der Öffnungsfläche eine Auslasskanalabschaltung und/oder eine Auslassventilabschaltung vorgesehen sind. Indem ein Zylinder zwei oder mehr Auslassventile aufweist, ergibt sich durch die Abschaltung wenigstens eines dieser Auslassventile eine einfache Möglichkeit, die Öffnungsfläche eines Auslassventils des Zylinders zu verringern. Dies ist entweder durch Abschaltung eines oder mehrerer Auslassventile selbst, und/oder durch eine unmittelbar hinter einem Auslassventil im Abgassystem des Verbrennungsmotors vorgesehene Klappe möglich.
In einer zweiten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Mittel zur Variation der Öffnungsfläche als Ventilhubumschaltung durch Umschaltnocken realisiert. Entsprechend der Gestaltung der Umschaltnocken ergibt sich eine besonders flexible Einstellung der Öffnungsfläche wenigstens eines Auslassventils des Zylinders.
Der Anteil an Abgas am Gemisch in einem Zylinder, d.h. im Brennraum, kann zwischen 20 und 80 % Gemischanteil betragen. Besonders bevorzugt beträgt der Anteil an Abgas zwischen 40 und 60 % Gemischanteil im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors. Im Zusammenwirken mit der Raumzündung ergibt sich dann ein stark schadstoffminimierter Betrieb des Verbrennungsmotors.
Bevorzugt erfolgt die Zuführung der Ladeluft in einen Zylinder durch Einlassöffnungen vermittels Steuerklappe oder Drehschieber. Dies erlaubt eine genaue Regulierung der Ladeluftmenge welche einem Zylinder zugeführt wird, unabhängig von der Freigabe der Einlassöffnungen durch den im Zylinder verfahrbar angeordneten Kolben.
Bevorzugt erfolgt die Ladeluftzuführung dabei vermittels eines der Einlassöffnung vorgeschalteten Einlasskanals, der tangential am Zylinder vorgesehen ist und/oder gegenüber der Horizontalen eine Aufwärtsneigung aufweist. Indem die Ladeluft tangential in den Brennraum eingeblasen wird, gibt sich eine besonders gleichmäßige Wirbelbewegung. Durch eine gegenüber der Horizontalen aufwärts geneigten Einblasung der Ladeluft ergibt sich eine aufwärts gerichtete Drallbewegung. Beides dient der Optimierung der Gemischbildung im Brennraum.
Eine weitere Verbesserung ergibt sich durch mehrere, getrennt voneinander angeordnete Einlassöffnungen der Ladeluft in den Zylinder, welche in einer horizontalen Ebene angeordnet sind. Hieraus resultiert eine starke Drallbewegung, welche der Kraftstoffbenetzung der Brennraumwand entgegenwirkt und damit die Qualität der Gemischbildung weiter erhöht.
Noch weiter verbessernd wird die Gemischbildung dadurch, dass der Kolbenboden drallunterstützend ausgebildet ist, insbesondere eine Kegelform aufweist.
Die Erfindung wird nun anhand einer Zeichnung näher dargelegt.
Dabei zeigen:

1 schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung,
2 eine optimierte Ladeluftzuführung in den Brennraum,
3 die Steuerung für den Ladungswechsel,
4 die Steuerung am Einlassorgan, und
5 beispielhaft eine Auslasskanalabschaltung zur Steuerung des Anteils am Abgas im Brennraum.

1a zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäß ausgebildeten Zylinder eines aufgeladenen Verbrennungsmotors der nach dem Zweitaktprinzip betrieben wird, 1b legt einen Schnitt dar. Durch einen tangential zum Zylinderinnern bzw. Brennraum B und gegenüber der Horizontalen aufwärts geneigten Kanal 10 strömt Ladeluft L aus einer nicht dargestellten Aufladegruppe in den Zylinder 20. Die Menge an Ladeluft L ist dabei mittels einer Steuerklappe 11 regulierbar. Anstelle der Steuerklappe 11 kann alternativ auch ein Drehschieber vorgesehen sein. Innerhalb des Zylinders 20 ist ein Kolben 30 verfahrbar angeordnet. Die Bewegung des Kolbens 30 im Zylinders 20 bewirkt eine Änderung der Einlassöffnungsfläche des Kanals 10 in den Zylinder 20. Durch den Kolben 30, die Zylinderwände und den Zylinderkopf wird eine Brennraum B ausgebildet. Der Kolben 30 ist dabei zwischen einem unteren Totpunkt UT und einem oberen Totpunkt OT verfahrbar, entsprechend dem Ablauf des Brennverfahrens nach dem Zweitaktprinzip.
Im Zylinderkopf ist wenigstens ein Auslassventil vorgesehen. Durch das Auslassventil kann Abgas A aus dem Brennraum B zu einer Abgasanlage des Kraftfahrzeuges strömen wenn das Auslassventil geöffnet ist.
Durch die tangentiale Anordnung des Kanals 10 am Zylinders 20, siehe 1a, ergibt sich eine Drallbewegung D der Ladeluft L im Brennraum B. Indem der Kolbenboden in Kegelform 21 ausgebildet ist, wird diese Drallbewegung D noch unterstützt. Indem der Kanal 10 gegenüber der Horizontalen aufwärts geneigt ist, ist diese Drallbewegung D in der Richtung zum Zylinderkopf hin, d.h. in Richtung des bzw. der Auslassventile hin, orientiert wie durch den Pfeil D visualisiert.
Gemäß 2 weist die Luftführung zwei voneinander getrennte Kanäle 10a, 10b auf. Durch beide Kanäle 10a, 10b wird jeweils Ladeluft L zum Zylinder hin in den Brennraum B geführt. Zudem weisen beide Luftführungen jeweils eine Steuerklappe 11a, 11b auf. Jeweils am zylinderseitigen Ende der Kanäle 10a, 10b ist eine Luftleitwand 12a, 12b vorgesehen. Diese Luftleitwände 12a, 12b teilen die durch die Luftführung strömende Ladeluft L in zwei räumlich voneinander getrennte Ladeluft-Teilströme auf. Durch die spezielle Anordnung der Ladeluft-Teilströme aus den beiden Kanälen 10a, 10b ergibt sich eine starke, aufwärts gerichtete Drallbewegung D im Brennraum B. Diese wird noch verstärkt durch den als Kegel 21 ausgebildeten Kolbenboden und bewirkt mithin eine Optimierung der Gemischbildung im Brennraum. Da 2 als Draufsicht dargestellt ist, kann die zum Betrachter hin gerichtete Aufwärtsbewegung nicht visualisiert werden
3 zeigt die Steuerung des Ladungswechsels, entsprechend der Kurbelwellenstellung in Grad Kurbelwelle, gemäß dem Zweitaktprinzip. Dabei ergibt sich in einer ersten Phase die Verbrennung und somit Expansion des Gemischs im Brennraum. Hieran schließt sich eine kurze Phase des Ladungswechsels (im Bereich des unteren Totpunktes UT) an. Nachfolgend ist eine Kompression des Gemischs im Brennraum bis zum oberen Totpunkt OT vorgesehen.
Indem nun die Auslassöffnungsfläche AO variabel vorgesehen ist, ergibt sich eine optimierte Einstellung des Anteils an Abgas im Gemisch im Brennraum. Die Variation der Auslassöffnungsfläche AO ist durch zwei übereinander angeordnete Linien angedeutet.
Zusätzlich kann auch eine Variation der Auslasssteuerzeit δt vorgesehen sein, jeweils entsprechend einer unterschiedlichen Auslassöffnungsfläche AO des oder der Auslassventile. Dabei ist die Auslassöffnungsfläche AO stets kleiner als die Einlassöffnungsfläche.
Gemäß 4 ist die Steuerung der Einlassorgane des Verbrennungsmotors visualisiert. Hierbei erfolgt wiederum eine Darstellung über der Kurbelwellenstellung in Grad Kurbelwelle. Im Bereich des Ladungswechsels, nahe dem unteren Totpunkt UT, öffnet der Einlass, entsprechend der Freigabe des bzw. der Kanäle 10 durch den Kolben 30. Durch zusätzliche Ansteuerung der Steuerklappe bzw. des Drehschiebers ergibt sich eine weitere Variationsmöglichkeit. Die Einlassöffnungsfläche EO ist durch die strichlierte Linie visualisiert und die Stellung der Steuerklappe durch die durchgezogene Linie. Somit ist eine genaue Einstellung der Ladeluftmenge im Brennraum B möglich. Hier ist die Steuerklappe bei K1 offen und bei K2 wieder geschlossen, wobei die Einlassöffnungsfläche EO stets größer ist als die Auslassöffnungsfläche AO.
5 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor in Draufsicht. Visualisiert sind dabei eine zentrale Zündbohrung Z, als Mündung eines Wellenleiters zur Einstrahlung von Mikrowelle in den Brennraum zur Bewirkung der Raumzündung. Weiterhin sind eine erste Injektorbohrung I1 und eine zweite Injektorbohrung I2 vorgesehen. Dabei ist die zweite Injektorbohrung I2 fakultativ wenn die Injektorbohrungen zum Einsatz bei verschiedenen Lasten des Verbrennungsmotors vorgesehen sind, einzeln oder in Kombination. Sodann sind zwei Auslassventile V1, V2 vorgesehen. Durch die Auslassventile strömt Abgas A, wenn diese geöffnet sind, in eine Abgasanlage des Kraftfahrzeuges. Durch Schließen der Steuerklappe 11 ist eine Auslasskanalabschaltung und damit eine Verringerung der Öffnungsfläche der Auslassventile möglich.
Die Erfindung beschreibt einen neuartigen Hubkolbenmotor der nach dem Zweitaktprinzip betrieben wird. Durch die spezielle Gestaltung wird die Rückhaltung eines hohen Anteils an Abgas im Brennraum möglich. Dieser Anteil liegt idealerweise zwischen 40 und 60 % Anteil am Gemisch. Jedoch können im Leerlauf des Verbrennungsmotors bis zu 80 % Anteil vorgesehen sein. Ein derartiges Gemisch erfordert eine Fremdzündung mittels Raumzündung. Dies ist insbesondere durch Einstrahlung von Mikrowellen geeigneter Frequenz, Pulsfolge und Dauer vorgesehen. Durch variable Auslasssteuerzeit und variable Auslassventilöffnungsfläche kann der Verbrennungsmotor für eine Vielzahl von Situationen optimiert betrieben werden.

Claims

Aufgeladener Zweitakt-Hubkolbenverbrennungsmotor, wobei die Zylinder zur Zuführung von Ladeluft im Bereich der Mantelfläche konfiguriert sind, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Variation der Öffnungsfläche wenigstens eines Auslassventils vorgesehen sind, zur bedarfsweisen Einstellung des Anteils an Abgas am Gemisch im Zylinder zu mindestens 20 %, wobei zur Einleitung des Verbrennungsvorgangs des Gemischs eine Raumzündung, insbesondere durch Mikrowellen, vorgesehen ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei ein Zylinder mindestens zwei Auslassventile aufweist, und wobei die Variation der Öffnungsfläche der Auslassventile vermittels Auslasskanalanschaltung und/oder Auslassventilabschaltung vorgesehen ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Variation der Öffnungsfläche der Auslassventile vermittels Ventilhubsteuerung durch Umschaltnocken vorgesehen ist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Anteil an Abgas zwischen 40 und 60 % des Gemischs vorgesehen ist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Ladeluftzuführung in den Zylinder durch eine oder mehrere Einlassöffnungen vermittels Steuerklappe oder Drehschieber vorgesehen ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, wobei die Ladeluftzuführung vermittels eines der Einlassöffnung vorgeschalteten Einlasskanals, welcher tangential am Zylinder angeordnet und/oder gegenüber der Horizontalen eine Aufwärtsneigung aufweist, vorgesehen ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 5 oder 6, wobei mehrere voneinander getrennte Einlassöffnungen in horizontaler Ebene vorgesehen sind.
Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kolbenboden drallunterstützend ausgebildet ist, insbesondere kegelförmig.
Verfahren zum Betreiben eines Zweitakt-Hubkolbenverbrennungsmotors mit Fremdaufladung, wobei durch Variation der Auslassventilöffnungsfläche lastabhängig ein Abgas-Anteil am Gemisch im Zylinder von mindestens 20 % eingestellt wird, wobei die Ladeluftzuführung im Bereich der Mantelfläche des Zylinders über eine Einlassöffnung vorgesehen ist, die synchron zur Freigabe durch den Kolben gesteuert wird, und das Gemisch sodann vermittels Raumzündung gezündet wird.