DE102010004516B4

DE102010004516B4 - Method for operating an internal combustion engine

Info

Publication number: DE102010004516B4
Application number: DE201010004516
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2012-11-08
Anticipated expiration: 2030-01-14
Also published as: DE102010004516A1

Abstract

Bei dem erfindungsgemäßen Zweitaktdieselmotor wird die Expansion bis in den Unterdruckbereich während des Arbeitshubes fortgesetzt, und zu Beginn des Rückhubes das Auslassventil offen gelassen, so dass nach Schließen des Auslassventils das Kompressionsverhältnis deutlich geringer ist als das Expansionsverhältnis, was über die Verringerung der Wärmeverluste über das Abgas einen höheren Wirkungsgrad ergibt. Zusätzlich ist der Aufbau einfach, da die Frischluft nicht über das Kurbelgehäuse zugeführt wird.In the two-stroke diesel engine according to the invention, the expansion is continued into the negative pressure range during the working stroke, and the exhaust valve is left open at the beginning of the return stroke, so that after the exhaust valve is closed, the compression ratio is significantly lower than the expansion ratio, which is reflected in the reduction in heat losses via the exhaust gas results in a higher efficiency. In addition, the structure is simple because the fresh air is not supplied through the crankcase.

Description

I. AnwendungsgebietI. Field of application

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Hubkolbenmotors, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie eine Brennkraftmaschine bzw. ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine, in particular a reciprocating engine, with the features of the preamble of claim 1 and an internal combustion engine or a control device for an internal combustion engine.

II. Technischer HintergrundII. Technical background

Bei einer Brennkraftmaschine, beispielsweise einem Zweitaktdieselmotor, der nach dem Carnot-Prozess arbeitet, beginnt üblicherweise die Kompressionsphase sofort nach der Expansionsphase.In an internal combustion engine, for example, a two-stroke diesel engine, which operates according to the Carnot process, usually the compression phase begins immediately after the expansion phase.

Dies ist unter anderem notwendig, um auch bei niedrigen Drehzahlen bereits ein ausreichendes, nutzbares Drehmoment zur Verfügung zu stellen.This is necessary, among other things, to provide even at low speeds already sufficient, usable torque available.

Dabei verlässt das Abgas den Brennraum noch mit einem erheblichen Druck sowie einer Temperatur meist um die 950–1000 Grad Kelvin.The exhaust gas leaves the combustion chamber still with a considerable pressure and a temperature usually around 950-1000 degrees Kelvin.

Da die Abgase in der Regel ungenutzt entweichen, bedeutet dies einen hohen permanenten Verlust und geringen Wirkungsgrad. Selbst wenn die entweichenden Abgase durch z. B. einen Turbolader in ihrem Energiegehalt weiter ausgenutzt werden, erhöht sich dadurch die Gesamt-Effizienz der Brennkraftmaschine nur geringfügig.Since the exhaust gases usually escape unused, this means a high permanent loss and low efficiency. Even if the escaping exhaust gases by z. As a turbocharger be further exploited in their energy content, thereby increasing the overall efficiency of the internal combustion engine only slightly.

Darüber hinaus ist es bekannt, nach dem so genannten Atkinson-Prozess den Kompressionshub zunächst drucklos beginnen zu lassen, also die Kompressionsphase gegenüber der Expansionsphase zu verkürzen.In addition, it is known to let the compression stroke initially begin without pressure after the so-called Atkinson process, that is to shorten the compression phase compared to the expansion phase.

In formelmäßiger Darstellung bedeutet dies, dass das Expansionsverhältnis größer ist als das Kompressionsverhältnis, wenn beide Verhältnisse jeweils mit dem kleinsten Volumen ihres Taktes im Nenner angegeben werden, indem z. B. das Expansionsverhältnis 13:1 beträgt, während das Kompressionsverhältnis nur 10:1 beträgt.In the formula, this means that the expansion ratio is greater than the compression ratio, if both ratios are given in each case with the smallest volume of their clock in the denominator by z. B. the expansion ratio is 13: 1, while the compression ratio is only 10: 1.

Der Zweck des Atkinson-Zyklus besteht darin, den Wirkungsgrad zu erhöhen, indem die Prozessverluste durch bessere Ausnutzung der Abgase verringert werden.The purpose of the Atkinson cycle is to increase efficiency by reducing process losses through better utilization of the exhaust gases.

Einen gattungsgemäßen Zweitakt-Dieselmotor beschreibt beispielsweise die EP 1 380 737 A1 .A generic two-stroke diesel engine describes, for example, the EP 1 380 737 A1 ,

Aus der US 1 550 643 A ist weiterhin ein Vierzylinder-Ottomotor mit Schiebehül- sen-Ventilen (Knight-Motor) bekannt, bei dem durch zusätzliche Ventile, die am Ende des Ansaughubes öffnen, zusätzliche Luft in den Brennraum einschießt und dadurch zu Beginn des Kompressionshubes nicht sofort eine Kompression einsetzt, wodurch das Expansionsverhältnis gegenüber dem Kompressionsverhältnis größer ist.From the US 1 550 643 A Furthermore, a four-cylinder gasoline engine with sliding sleeve valves (Knight engine) is known in which additional air, which opens at the end of the intake stroke, injects additional air into the combustion chamber and thus does not start to compress immediately at the beginning of the compression stroke. whereby the expansion ratio is larger than the compression ratio.

III. Darstellung der ErfindungIII. Presentation of the invention

a) Technische Aufgabea) Technical task

Es ist die Aufgabe gemäß der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine bzw. ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, welches einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist sowie einen einfachen Aufbau der Brennkraftmaschine.It is the object of the invention to provide a method for operating an internal combustion engine and an internal combustion engine or a control device for an internal combustion engine, which has the highest possible efficiency and a simple structure of the internal combustion engine.

b) Lösung der Aufgabeb) Solution of the task

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 9 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is solved by the features of claims 1, 9 and 10. Advantageous embodiments will be apparent from the dependent claims.

Durch die Vergrößerung des Expansionsverhältnisses im Vergleich zum Kompressionsverhältnis werden prinzipiell die abgasbedingten Verluste verringert.By increasing the expansion ratio compared to the compression ratio, in principle, the gas-related losses are reduced.

Indem zusätzlich die Expansion nicht bei Erreichen des Umgebungsdruckes beendet wird, sondern bis in den Unterdruckbereich hinein fortgesetzt wird, kann durch diesen Unterdruck schon zum Ende des Arbeitshubes hin Frischluft angesaugt werden, die deshalb sehr lang und intensiv in Kontakt mit dem Abgas im Brennraum kommt und von den Abgasen aufgeheizt wird.In addition, by the expansion is not terminated when the ambient pressure is reached, but continued into the negative pressure range, this negative pressure can already be sucked towards the end of the working stroke out fresh air, which therefore comes very long and intense in contact with the exhaust gas in the combustion chamber and is heated by the exhaust gases.

Dadurch sinkt die Temperatur der Abgase, die anschließend ausgestoßen werden, und gleichzeitig steigt die Temperatur der Frischluft, die dadurch weniger stark komprimiert werden muss bis zur Zündfähigkeit des Gasgemisches.As a result, the temperature of the exhaust gases, which are subsequently ejected, decreases and, at the same time, the temperature of the fresh air increases, which therefore has to be compressed less strongly until the ignitability of the gas mixture.

Auch der Umweg der Frischluft über das Kurbelgehäuse kann dadurch vermieden werden, der ansonsten benötigt wird, um während des Arbeitshubes des Kolbens die im Kurbelgehäuse enthaltene Frischluft zu verdichten, und mit diesen aufgebautem Überdruck die Frischluft beim nächsten Zyklus über den mit dem Kurbelgehäuse verbundenen Einlass-Spülschlitz in den Brennraum zu drücken.Also, the detour of the fresh air through the crankcase can be avoided, which is otherwise required to compress the fresh air contained in the crankcase during the working stroke of the piston, and with this built-up pressure the fresh air in the next cycle via the inlet connected to the crankcase Rinse slot to press into the combustion chamber.

Bereits während des Endes des Arbeitshubes gelangt über den Spülschlitz Frischluft in den Zylinder, allerdings auf der vom Auslassventil abgewandten Seite, und es befindet sich zu Beginn des Rückhubes sowohl Abgas als auch Frischluft im Zylinder, aber nicht vollständig durchmischt, sondern im Wesentlichen geschichtet übereinander, also mit dem Abgas näher an dem Zylinderkopf, also nahe dem Auslassventil, während die Frischluft sich näher am Kolben befindet.Already during the end of the working stroke, fresh air enters the cylinder via the scavenging port, but on the side facing away from the exhaust valve, and at the beginning of the return stroke both exhaust gas and fresh air are in the cylinder, but not completely mixed, but essentially layered one above the other, So with the Exhaust closer to the cylinder head, so near the exhaust valve, while the fresh air is closer to the piston.

Durch die beginnende Rückhubbewegung wird daher primär das nahe am Auslassventil im Zylinderkopf befindliche Abgas durch das offene Auslassventil ausgestoßen.Due to the incipient return stroke movement, therefore, the exhaust gas located near the exhaust valve in the cylinder head is primarily discharged through the open exhaust valve.

Das Auslassventil muss daher so gesteuert werden, dass es zu dem Zeitpunkt während des Rückhubes schließt, zu dem das Abgas im Wesentlichen bereits ausgestoßen ist, so dass von diesem Zeitpunkt an primär die angesaugte Frischluft – die natürlich immer einen Anteil an restlichem Abgas enthält – dann komprimiert wird.The exhaust valve must therefore be controlled so that it closes at the time during the return stroke, to which the exhaust gas is already substantially expelled, so that from that point on primarily the intake fresh air - which of course always contains a proportion of residual exhaust gas - then is compressed.

Während des Beginns des Rückhubes sind die Spülschlitze ebenfalls noch offen, da in dieser Anfangsphase des Rückhubes weiterhin Frischluft durch den Spülschlitz angesaugt wird.During the beginning of the return stroke, the scavenging slots are also still open, as in this initial phase of the return stroke fresh air is still sucked through the flushing slot.

Die Zündung des zündfähigen Gemisches in der Nähe des oberen Totpunktes erfolgt beim vorliegenden Verfahren vorzugsweise selbsttätig, so dass dieses Verfahren primär bei einem Dieselmotor angewandt wird.The ignition of the ignitable mixture in the vicinity of top dead center is preferably carried out automatically in the present method, so that this method is used primarily in a diesel engine.

In Zahlen ausgedrückt ist die Verdichtung vorzugsweise geringer als 8:1, besser sogar geringer als 6:1.Expressed in numbers, densification is preferably less than 8: 1, better even less than 6: 1.

Das Auslassventil wird am besten von einer elektronischen Steuerung aus angesteuert und besitzt keine mechanische feste Verbindung zur Kurbelwelle.The exhaust valve is best controlled by an electronic control and has no mechanical fixed connection to the crankshaft.

Bei dem vorliegenden Verfahren dient der Spülschlitz ausschließlich der Frischluftzufuhr, und nicht dem Entfernen von Brenngasen aus dem Brennraum.In the present method, the scavenging port only serves the supply of fresh air, and not the removal of fuel gases from the combustion chamber.

Der Spülschlitz ist auch nicht mit dem Kurbelgehäuse verbunden. Dem Spülschlitz wird Frischluft aus der freien Umgebung, also unter Umgehung des Kurbelgehäuses, zugeführt.The scavenging port is also not connected to the crankcase. The scavenging slot fresh air from the free environment, ie bypassing the crankcase, supplied.

Dabei befindet sich im Luftzufuhrkanal vorzugsweise ein Rückschlagventil, beispielsweise in Form eines Flatterventils, um sicherzustellen, dass ausschließlich Luft aus der Umgebung in den Brennraum fließen kann und keine Gasströmung in Gegenrichtung stattfinden kann.In this case, preferably in the air supply channel, a check valve, for example in the form of a flutter valve to ensure that only air from the environment can flow into the combustion chamber and no gas flow can take place in the opposite direction.

Obwohl durch den Spülschlitz wegen des erzeugten Unterdrucks im Brennraum die Frischluft sogar angesaugt wird, ist es dennoch vorteilhaft, wenn sich in der Luftzuführung zum Spülschlitz zusätzlich ein Druckerzeuger, sei es ein vom Abgas angetriebener Turbolader oder ein mechanisch von der Brennkraftmaschine angetriebener Kompressor oder auch ein aus einer anderen Energiequelle angetriebener Kompressor befindet, da der Energieaufwand zum Vorverdichten der Ansaugluft sich überproportional in einem besseren Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine niederschlägt.Although the fresh air is even sucked through the purge slot because of the generated negative pressure in the combustion chamber, it is still advantageous if in the air supply to scavenge slot additionally a pressure generator, be it driven by the exhaust gas turbocharger or mechanically driven by the engine compressor or a Compressor driven by another energy source is because the energy required for pre-compression of the intake air is disproportionately reflected in a better efficiency of the internal combustion engine.

Der Spülschlitz ist dabei wiederum auf der vom Zylinderkopf abgewandten Seite, also nahe dem unteren Totpunkt, im Zylinder angeordnet, um die beschriebene geschichtete Einbringung von Frischluft im Brennraum zu ermöglichen.The scavenging slot is in turn arranged on the side facing away from the cylinder head, ie near the bottom dead center, in the cylinder to allow the described stratified introduction of fresh air in the combustion chamber.

Um einen möglichst günstigen Druckverlauf während des Arbeitshubes zu erzeugen, wird die Einbringung von Kraftstoff in den Brennraum nicht mit dem Zünden des Gasgemisches beendet, sondern danach noch über einen kurzen Zeitraum fortgesetzt.In order to produce the best possible pressure curve during the working stroke, the introduction of fuel into the combustion chamber is not terminated with the ignition of the gas mixture, but then continued over a short period of time.

Die Steuerung des Prozesses erfolgt dabei so, dass der am Ende des Arbeitshubes erzeugte Unterdruck im Brennraum maximal 0,5 bar, besser nur maximal 0,2 bar, unter Umgebungsdruck beträgt. Die Temperatur der Abgase sollte beim Verlassen des Brennraumes dabei unter 700 Grad Kelvin, besser unter 650 Grad Kelvin liegen, um eine optimale Kraftstoffausnutzung zu gewährleisten.The control of the process is carried out so that the negative pressure generated in the combustion chamber at the end of the working stroke is a maximum of 0.5 bar, better only a maximum of 0.2 bar, under ambient pressure. The temperature of the exhaust gases when leaving the combustion chamber should be less than 700 degrees Kelvin, better below 650 degrees Kelvin, to ensure optimum fuel efficiency.

Eine Brennkraftmaschine, die eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, besitzt natürlich wegen des wesentlich längeren Arbeitshubes eine sehr viel größere Bauhöhe als ein konventioneller Dieselmotor, was wegen der Größe und auch des damit verbundenen Gewichts eine Anwendung als Fahrzeugantrieb im Wesentlichen ausschließt.An internal combustion engine which is adapted to carry out a method according to one of the preceding claims, of course, because of the much longer working stroke a much greater height than a conventional diesel engine, which essentially excludes an application as a vehicle drive because of the size and the associated weight ,

Eine solche Brennkraftmaschine ist jedoch primär für den stationären Betrieb, beispielsweise in einem Blockheizkraftwerk, vorgesehen, wo durch Verbrennung von Kraftstoff möglichst viel elektrischer Strom erzeugt werden soll, also der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine oberstes Gebot ist, während die Baugröße im Wesentlichen unerheblich ist.However, such an internal combustion engine is primarily intended for stationary operation, for example in a combined heat and power plant, where as much electrical power is to be generated by combustion of fuel, so the efficiency of the engine is paramount, while the size is essentially irrelevant.

Dennoch ist von Bedeutung, dass die Brennkraftmaschine einen sehr einfachen Aufbau besitzt, da sie im Zylinderkopf nur ein oder mehrere Auslassventile, aber kein Einlassventil besitzen muss, und der Lufteinlass, nur über den einen oder die mehreren Spülschlitze in der Zylinderwand realisiert wird, über die ausschließlich Frischluft in den Brennraum gelangt.Nevertheless, it is important that the internal combustion engine has a very simple structure, since it only has to have one or more exhaust valves in the cylinder head, but no inlet valve, and the air intake is realized only via the one or more scavenging slots in the cylinder wall only fresh air enters the combustion chamber.

Der Kolben der Brennkraftmaschine ist dabei vorzugsweise nicht direkt mit dem Pleuel gelenkig verbunden, sondern am Kolben ist eine in Bewegungsrichtung des Kolbens nach hinten abragende Kolbenstange befestigt, die in Längsrichtung des Zylinders längs verschiebbar in diesem gelagert ist, und erst am Ende dieser Kolbenstange ist der Pleuel, der zur Kurbelwelle führt, gelenkig befestigt.The piston of the internal combustion engine is preferably not directly connected to the connecting rod hinged, but on the piston in the direction of movement of the piston projecting rearwardly projecting piston rod is mounted longitudinally displaceably in the longitudinal direction of the cylinder, and Only at the end of this piston rod, the connecting rod, which leads to the crankshaft, hinged.

Dadurch werden die radialen Anpresskräfte des Kolbens an der Zylinderwand stark minimiert und damit dessen Reibungsverluste, was ebenfalls den Wirkungsgrad erhöht. Nachteil ist dabei eine weitere Vergrößerung der Bauhöhe der Brennkraftmaschine durch diese gerade verlaufende Kolbenstange, die jedoch aus den oben genannten Gründen im Wesentlichen unerheblich ist.As a result, the radial contact forces of the piston on the cylinder wall are greatly minimized and thus its friction losses, which also increases the efficiency. Disadvantage is a further increase in the height of the internal combustion engine by this straight piston rod, which, however, for the reasons mentioned above is essentially irrelevant.

Abweichend von einer Hubkolbenmaschine mit Kurbelwelle kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mit einer Freikolbenmaschine betrieben werden, in beiden Fällen steht jedoch die Bauform einer Einzylindermaschine im Vordergrund, um den mechanischen Aufwand gering zu halten. Die dadurch notwendigerweise von der Brennkraftmaschine abgegebenen Umwucht-Schwingungen und Vibrationen sind für die vorgesehene Anwendung als stationäre Brennkraftmaschine ebenfalls zweitrangig und können im stationären Betrieb durch entsprechende Dämpfungselemente gut aufgenommen werden.Notwithstanding a reciprocating engine with crankshaft, the inventive method can also be operated with a free-piston engine, in both cases, however, the design of a single-cylinder engine in the foreground in order to keep the mechanical complexity low. The balancing vibrations and vibrations necessarily given thereby by the internal combustion engine are likewise of secondary importance for the intended application as a stationary internal combustion engine and can be well absorbed by corresponding damping elements in stationary operation.

c) Ausführungsbeispielec) embodiments

Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:Embodiments according to the invention are described in more detail below by way of example. Show it:

1: ein p-V-Diagramm, 1 : a pV diagram,

2: verschiedene Bewegungszustände einer ersten erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und 2 Various states of movement of a first internal combustion engine according to the invention and

3: verschiedene Bewegungszustände einer erfindungsgemäßen Frei kolbenmaschine. 3 : Different states of motion of a piston machine according to the invention.

Die 2 zeigen im Längsschnitt einen Einzylinder-Dieselmotor, wie er zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzt werden kann.The 2 show in longitudinal section a single-cylinder diesel engine, as it can be used to carry out the method according to the invention.

Da es sich um einen Selbstzünder handelt, verfügt die Brennkraftmaschine über keine aktive Zündvorrichtung.Since it is a diesel, the internal combustion engine has no active ignition device.

Im geschlossenen Ende des Zylinders 13, dem sog. „Zylinderkopf”, der sich auch hier wie bei den meisten Brennkraftmaschinen am oberen Ende des vertikal stehenden Zylinders befindet, ist ein Auslassventil AV angeordnet, welches jedoch nicht über eine mechanische Verbindung von der Kurbelwelle her und in Abhängigkeit von der Drehung der Kurbelwelle angetrieben sein muss, sondern unabhängig von der Stellung der Kurbelwelle von einem Steuergerät 9 aus.In the closed end of the cylinder 13 , the so-called. "Cylinder head", which is also here as most internal combustion engines at the upper end of the vertical cylinder, an exhaust valve AV is arranged, which does not have a mechanical connection from the crankshaft ago and in dependence on the rotation of the Crankshaft must be driven, but regardless of the position of the crankshaft of a control unit 9 out.

Der Kolben 3 bewegt sich in Längsrichtung 10, hier der vertikalen Richtung, im Zylinder 13 auf und ab.The piston 3 moves in the longitudinal direction 10 , here the vertical direction, in the cylinder 13 back and forth.

Je nach Stellung des Kolbens 3 verschließt der Kolben dabei den über einen bestimmten Längenbereich in der Wandung des Zylinders 13 angeordneten Spülschlitz 4, der ausschließlich als Einlassöffnung EÖ für Frischluft dient, die nicht über das Kurbelgehäuse, sondern direkt aus der Umgebung angesaugt oder mittels eines Verdichters wie etwa eines Turboladers 8 in den Brennraum 2 eingepresst wird.Depending on the position of the piston 3 the piston closes the over a certain length range in the wall of the cylinder 13 arranged scavenging slot 4 which serves exclusively as an inlet opening EÖ for fresh air, which is not sucked through the crankcase, but directly from the environment or by means of a compressor such as a turbocharger 8th in the combustion chamber 2 is pressed.

An der Rückseite des Kolbens 3 setzt im Gegensatz zur üblichen Verbrennungskraftmaschine nicht direkt der Pleuel 11 an, sondern eine fest, also nicht verschwenkbar, mit dem Kolben 3 verbundene, zentrale Kolbenstange 12, die in ihrem Längsverlauf über eine Führung 19 im Zylinder 13 geführt ist, der um diese Strecke länger ausgeführt ist.At the back of the piston 3 Unlike the usual internal combustion engine, it does not directly connect the connecting rod 11 but a fixed, so not pivotable, with the piston 3 connected, central piston rod 12 , which in their longitudinal course via a guide 19 in the cylinder 13 is performed, which is running longer at this distance.

Am freien hinteren, vom Kolben 3 abgewandten, Ende ist an dieser Kolbenstange 12 dann das eine Ende des Pleuels 11 schwenkbar befestigt, dessen anderes Ende auf einem Kurbelzapfen 20 der Kurbelwelle 18 wie üblich dreh- bar befestigt ist. Von der Kurbelwelle 18 ist die bei Einzylindermotoren notwendige, relativ große Schwungmasse 17 gut zu erkennen, die bewirkt, dass die Brennkraftmaschine die Totpunkte problemlos überwindet.At the free rear, from the piston 3 turned away, end is on this piston rod 12 then one end of the connecting rod 11 pivotally mounted, the other end on a crank pin 20 the crankshaft 18 as usual is rotatably mounted. From the crankshaft 18 is the necessary for single-cylinder engines, relatively large flywheel 17 easy to recognize, which causes the internal combustion engine easily overcomes the dead center.

In dem Luftkanal 15 für die Zufuhr von Frischluft in den Brennraum 2 ist zu diesem Zweck ein Flatterventil 7 angeordnet, welches sicherstellt, dass durch den Luftkanal 15 eine Strömung nur in den Brennraum 2 hinein und nicht aus diesem heraus erfolgen kann.In the air duct 15 for the supply of fresh air into the combustion chamber 2 is a flutter valve for this purpose 7 arranged, which ensures that through the air duct 15 a flow only into the combustion chamber 2 into and not out of this.

3 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in Form einer Zweizylinder-Freikolben-Maschine. 3 shows a second internal combustion engine according to the invention in the form of a two-cylinder free-piston engine.

Dabei sind die beiden Kolben 3, 3' über eine dazwischen in Längsrichtung 10 verlaufende Kolbenstange 12 fest miteinander verbunden, und bewegen sich gemeinsam in Längsrichtung 10 im Zylinder 13 hin und her.Here are the two pistons 3 . 3 ' over an in between in the longitudinal direction 10 extending piston rod 12 firmly connected together, and move together in the longitudinal direction 10 in the cylinder 13 back and forth.

Der Zylinder 13 ist an seinen beiden stirnseitigen Enden durch je einen Zylinderkopf, in dem sich jeweils ein Auslassventil AV bzw. AV' befindet, verschlossen, so dass auf jeder Seite zwischen dem Zylinderkopf und dem jeweiligen Kolben 3, 3' ein Brennraum 2, 2' eingeschlossen ist.The cylinder 13 is closed at its two ends by a respective cylinder head, in each of which an exhaust valve AV and AV 'is located, so that on each side between the cylinder head and the respective piston 3 . 3 ' a combustion chamber 2 . 2 ' is included.

Durch die Kopplung der beiden Kolben 3, 3 befindet sich der eine Brennraum 2 in der Expansionsphase, während sich der andere Brennraum 2' in der Komprimierungsphase befindet und umgekehrt.By coupling the two pistons 3 . 3 there is a combustion chamber 2 in the expansion phase, while the other combustion chamber 2 ' in the compression phase and vice versa.

Ansonsten ist der Aufbau des Freikolbenmotors auf jeder Zylinderseite der gleiche – wie in 2 dargestellt – was Einlassöffnung EÖ, Spülschlitz 4, Turbolader 8 usw. betrifft, jedoch ist naturgemäß bei dem Freikolbenmotor der 3 keine Kurbelwelle vorhanden, mit deren Hilfe mechanische Energie in Form einer Drehbewegung erzeugt wird. Otherwise, the structure of the free-piston engine on each cylinder side is the same - as in 2 shown - what inlet opening EÖ, Spülschlitz 4 , Turbocharger 8th etc., but is naturally in the free-piston engine of the 3 There is no crankshaft with which mechanical energy is generated in the form of a rotational movement.

Stattdessen wird mit Hilfe des Freikolbenmotors der 3 Strom erzeugt, indem auf der Kolbenstange 12 in Längsrichtung 10 hintereinander Magnete 21a, b mit in Längsrichtung 10 wechselnder Polung angeordnet sind.Instead, with the help of the free piston engine of 3 Power generated by on the piston rod 12 longitudinal 10 one behind the other magnets 21a , b in the longitudinal direction 10 alternating polarity are arranged.

Feststehend außen herum im Zylinder 13 ist eine Spule 22 vorzugsweise angeordnet, in der durch die sich an der Spule 22 mit der Kolbenstange 12 vorbei bewegenden Magnete 21a, b Strom erzeugt und von der Spule 22 abgeführt wird.Fixed outside around in the cylinder 13 is a coil 22 preferably arranged, in which by the on the coil 22 with the piston rod 12 passing magnets 21a , b generates electricity and from the coil 22 is dissipated.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist die Spule 22 auf ihrer Außenseite von einem Flussleitkörper 23, beispielsweise aus Weicheisen oder Ankerblechen, umgeben.To improve the efficiency is the coil 22 on its outside of a Flussleitkörper 23 , For example, made of soft iron or laminations, surrounded.

In 1 ist der im Brennraum 2 vorhandene Druck p in Abhängigkeit von dem momentanen Volumen V des Brennraumes 2, also der Stellung der Kurbelwelle, aufgetragen, wobei Null Grad die höchste, dem Zylinderkopf nächstliegende, Position des Kurbelzapfens 20 ist und der Winkel von dort aus wie üblich im Uhrzeigersinn gemessen wird.In 1 is the one in the combustion chamber 2 existing pressure p as a function of the instantaneous volume V of the combustion chamber 2 , That is, the position of the crankshaft, applied, wherein zero degrees, the highest, the cylinder head nearest, position of the crank pin 20 is and the angle is measured from there as usual in a clockwise direction.

Auf der Druckachse bedeutet p₀ den Umgebungsdruck.On the pressure axis, p _{0 means} the ambient pressure.

Wie bei jedem Zweitaktmotor, besteht ein Arbeitszyklus dieser Brennkraftmaschine aus nur einer Kurbelwellenumdrehung, also Null bis 360°, und somit nur einem Arbeitshub (0 bis 180°) und einem Rückhub (180° bis 360°).As with any two-stroke engine, a working cycle of this engine consists of only one crankshaft revolution, ie zero to 360 °, and thus only one stroke (0 to 180 °) and one return stroke (180 ° to 360 °).

Der Ablauf des Betriebsverfahrens für die Brennkraftmaschine gestaltet sich dabei wie folgt:
Am oder in der Nähe des oberen Totpunkt (= 0° = 360°), wird das in dieser Stellung bereits hoch verdichtete explosive Gasgemisch durch Selbstzündung entzündet.The sequence of the operating method for the internal combustion engine is designed as follows:
At or near top dead center (= 0 ° = 360 °), the explosive gas mixture already highly compressed in this position is ignited by autoignition.

Dadurch steigt zunächst schlagartig der Druck im Brennraum 2 an, zunächst noch ohne Änderung des Volumens, da erst nach sich aufbauendem Explosionsdruck durch diesen Explosionsdruck der Kolben in Abwärtsrichtung in Bewegung versetzt wird und dadurch das Volumen zunimmt, zunächst etwa analog zur Volumenzunahme des explodierenden Gasgemisches, also bei gleich bleibendem Druck, etwa bis 10° Kurbelwellenstellung. In dieser Zeit wird vorzugsweise weiterhin Kraftstoff in den Brennraum 2 eingespritzt über eine – in den 2 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellte – Einspritzdüse im Zylinderkopf.As a result, the pressure in the combustion chamber increases suddenly 2 on, first without changing the volume, since only after the building up explosion pressure by this explosion pressure of the piston is set in motion in the downward direction and thereby increases the volume, first approximately analogous to the volume increase of the exploding gas mixture, ie at constant pressure, to about 10th ° Crankshaft position. During this time, fuel is preferably still in the combustion chamber 2 injected via a - in the 2 not shown for clarity - injector in the cylinder head.

Während des nun folgenden Arbeitshubes pressen die durch die Verbrennung bzw. Explosion sich weiter ausdehnenden Brenngase den Kolben 3 weiter nach unten, wodurch dessen aktuelles Volumen stark zunimmt bei gleichzeitig abnehmendem Druck, der bei einer Kurbelwellenstellung von etwa 90° bereits auf Umgebungsdruck p₀ = 1,0 bar abgesunken ist.During the next working stroke, the fuel gases, which continue to expand as a result of combustion or explosion, press the piston 3 further down, whereby its current volume increases sharply at the same time decreasing pressure, which has already dropped to ambient pressure p ₀ = 1.0 bar at a crankshaft position of about 90 °.

Da sich aufgrund der Schwungmasse die Kurbelwelle weiterdreht, baut sich nun ein zunehmender Unterdruck bis etwa 0,9 bar im Brennraum 2 auf, was sich fortsetzt bis zu einer Kurbelwellenstellung von etwa 110°, da erst bei Erreichen dieser Kurbelwellenstellung der Kolben 3 die Einlassöffnung EÖ beginnt freizugeben und dadurch über den Luftkanal 15 aus der Umgebung Frischluft in den Brennraum 2 angesaugt wird bzw. von einem ggf. im Luftkanal 15 vorhandenen Turbolader 8 eingepresst wird.As the crankshaft continues to rotate due to the flywheel mass, an increasing negative pressure builds up to about 0.9 bar in the combustion chamber 2 on, which continues up to a crankshaft position of about 110 °, because only when reaching this crankshaft position of the piston 3 the inlet opening EÖ begins to release and thereby through the air duct 15 from the environment fresh air into the combustion chamber 2 is sucked in or by a possibly in the air duct 15 existing turbocharger 8th is pressed.

Dadurch gelangen die im Brennraum enthaltenen Brenngase, also inzwischen Abgase, sehr früh und über einen langen Zeitraum mit der einströmenden Frischluft in Kontakt, und geben – trotz der primär geschichtet im Brennraum vorliegenden Abgase oben und Frischluft unten – bereits einen erheblichen Teil ihrer Wärmeenergie an die Frischluft ab durch Temperaturausgleich innerhalb des Brennraumes 2.As a result, the combustion gases contained in the combustion chamber, so now exhaust gases, very early and over a long period of time with the incoming fresh air in contact, and give - despite the primary stratified in the combustion chamber exhaust gases above and fresh air below - already a significant portion of their heat energy to the Fresh air from by temperature compensation within the combustion chamber 2 ,

Das p-V-Diagramm der 1 ist dabei gezeichnet für den Fall des Fehlens eines Verdichters im Luftkanal 15, so dass bei sich öffnendem Spülschlitz 4 durch die weitere Bewegung des Kolbens 3 nach unten bis etwa 180° Kurbelwellenstellung etwa der Unterdruck gleich hoch bleibt, also die sich einstellende Volumenvergrößerung gerade durch die von außen einströmende Luft ausgeglichen wird.The pV diagram of 1 is drawn in the case of the absence of a compressor in the air duct 15 , so that when Rinse slot opening 4 by the further movement of the piston 3 down to about 180 ° crankshaft position about the negative pressure remains the same high, so the adjusting volume increase is compensated just by the incoming air from outside.

Ab Kurbelwellenstellung 180°, dem unteren Totpunkt und Ende des Arbeitshubes, verringert die Kolbenbewegung das Volumen, was zunächst zu einer Beseitigung des Unterdruckes und Aufbau eines leichten Überdruckes führt.From crankshaft position 180 °, the bottom dead center and end of the working stroke, the piston movement reduces the volume, which initially leads to an elimination of the negative pressure and build up a slight overpressure.

Da ab Kurbelwellenstellung 180° jedoch auch das Auslassventil AV im Zylinderkopf geöffnet wird, besteht der sich aufbauende Überdruck im Brennraum – solange das Auslassventil offen ist – lediglich in den geringen, beim Ausströmen der Abgase aus dem Zylinder 13 und dem Auslassventil AV vorhandenen, Strömungswiderstände.Since from the crankshaft position 180 °, however, the exhaust valve AV is opened in the cylinder head, there is the building up pressure in the combustion chamber - as long as the exhaust valve is open - only in the low, when the exhaust gases flow out of the cylinder 13 and the exhaust valve AV existing, flow resistance.

Das Auslassventil AV bleibt offen bis zu einer Kurbelwellenstellung von etwa 310°, in der das Auslassventil AV geschlossen wird. In dieser Kolbenstellung ist bereits der größte Teil des im Brennraum 2 vorliegenden geschichteten Gemisches aus Abgas und Frischluft – wobei sich das Abgas wegen der unten einströmenden Frischluft primär im oberen Bereich befand – ausgestoßen.The exhaust valve AV remains open up to a crankshaft position of about 310 °, in which the exhaust valve AV is closed. In this piston position is already the largest part of the combustion chamber 2 present stratified mixture of exhaust gas and fresh air - wherein the exhaust was due to the inflowing fresh air primarily in the upper area - ejected.

In dem nun erst beginnenden Verdichtungstakt V nähert sich der Kolben 3 weiter an den oberen Totpunkt OT an, wobei ein zunehmender Druck im Brennraum 2 aufgebaut wird, da in diesem Verdichtungstakt V das Auslassventil AV geschlossen ist, und wegen des Flatterventils 7 als Rückschlagventil in dem Luftkanal 15 auch dann kein Gas aus dem Brennraum 2 entweichen kann, wenn die Einlassöffnung EÖ noch nicht vollständig vom Kolben 3 verschlossen ist.In the now only beginning compression stroke V approaches the piston 3 continuing to top dead center OT, with increasing pressure in the combustion chamber 2 is constructed, since in this compression stroke V, the exhaust valve AV is closed, and because of the flutter valve 7 as a check valve in the air duct 15 even then no gas from the combustion chamber 2 can escape if the inlet opening EÖ not yet completely from the piston 3 is closed.

Die Aufwärtsbewegung des Kolbens im Verdichtungstakt V wird dabei – wie bei Zweitaktmotoren üblich – ausschließlich durch die kinetische Energie der Schwungmasse 17 der durch den Arbeitshub angetriebenen Kurbelwelle 18 bewirkt.The upward movement of the piston in the compression stroke V is - as usual in two-stroke engines - exclusively by the kinetic energy of the flywheel 17 the driven by the working crankshaft 18 causes.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: BrennkraftmaschineInternal combustion engine
2, 2'2, 2 ': Brennraumcombustion chamber
3, 3'3, 3 ': Kolbenpiston
44: Spülschlitzscavenging
55: Kurbelgehäusecrankcase
77: Flatterventilflutter valve
8, 8'8, 8 ': Turboladerturbocharger
99: Steuergerätcontrol unit
1010: Längsrichtunglongitudinal direction
1111: Pleuelpleuel
1212: Kolbenstangepiston rod
1313: Zylindercylinder
1515: Luftkanalair duct
1616: Kühlrippecooling fin
1717: SchwungmasseInertia
1818: Kurbelwellecrankshaft
1919: Führungguide
2020: Kurbelzapfencrank pin
21a, b21a, b: Magnetmagnet
2222: SpuleKitchen sink
2323: Flussleitkörperflux conductors
ANAT: Ansaugphaseintake
AV, AV'AV, AV ': Auslassventiloutlet valve
EÖEÖ: Einlassöffnunginlet port
OTOT: oberer TotpunktTop Dead Center
UTUT: unterer Totpunktbottom dead center
VV: Verdichtungstaktcompression stroke
Popo: Umgebungsdruckambient pressure

Claims

Method for operating an internal combustion engine ( 1 ), which has a combustion chamber ( 2 ), at least one inlet opening (EÖ) and at least one outlet valve (AV), in two-stroke operation, namely with a power stroke and a return stroke, wherein - fresh gas in an intake (AN) into the combustion chamber ( 2 ) is introduced and by additionally introducing fuel an ignitable gas mixture in the combustion chamber ( 2 ), - the gas mixture is compressed in a compression stroke (V), - the gas mixture ignites towards the end of the compression stroke (V), and - the suction phase (AN) takes place at the end of the working stroke. characterized in that - the expansion ratio is several times greater than the compression ratio when both ratios are given in the denominator with the smallest volume of their stroke - the expansion is not terminated upon reaching the ambient pressure but is continued into the negative pressure range , In the first part of the movement of the piston ( 3 ) in the direction of the outlet valve (AV), the outlet valve (AV) remains open.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the expansion of the combustion gases extends over the entire piston path away from the outlet valve (AV), in the first part of the movement of the piston (FIG. 3 ) in the direction of the outlet valve (AV) but no compression takes place.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the ignition of the ignitable mixture takes place automatically.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the compression is less than 8: 1, in particular less than 6: 1 and the exhaust valve (AV) without mechanical connection to the crankshaft via a control unit ( 9 ) is controlled by an electronic control.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the working stroke before the opening of the at least one scavenging slot ( 4 ) in the combustion chamber ( 2 ) a negative pressure is generated by the movement of the piston ( 3 ) away from the exhaust valve (AV).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that - the at least one flushing slot ( 4 ) only the fresh air supply is used and the fresh air the scavenging, bypassing the crankcase ( 5 ) and in particular - the fresh air through the scavenging port ( 4 ) the combustion chamber ( 2 ) is supplied on the side facing away from the outlet valve (AV) end.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that after the ignition of the gas mixture the combustion chamber ( 2 ) fuel is still supplied.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that - at the beginning of the return stroke in the combustion chamber ( 2 ) Negative pressure prevails and in particular - the negative pressure generated in the combustion chamber at the end of the working stroke ( 2 ) A maximum of 0.5 bar vacuum, better than 0.2 bar negative pressure relative to the atmospheric pressure.

Control unit ( 9 ) for an internal combustion engine ( 1 ) arranged to carry out a method according to one of the preceding claims,

Internal combustion engine ( 1 ) arranged for carrying out a method according to one of the preceding claims,

Internal combustion engine ( 1 ) according to claim 10, characterized in that the internal combustion engine ( 1 ) in the cylinder head only one or more exhaust valves (AV) and for the air inlet only one or more scavenging 4 ) in the cylinder wall and in particular exclusively via the at least one scavenging slot ( 4 ) Air into the combustion chamber ( 2 ) can get.

Internal combustion engine ( 1 ) according to one of claims 10 or 11, characterized in that the at least one scavenging slot ( 4 ) not with the crankcase ( 5 ), if any.

Internal combustion engine ( 1 ) according to one of the preceding claims 10 to 12, characterized in that with the flushing slot ( 4 ) a pressure generator, in particular an exhaust gas turbocharger ( 8th ) or mechanically from the internal combustion engine ( 1 ) driven compressor, is connected.

Internal combustion engine ( 1 ) according to one of the preceding claims 10 to 13, characterized in that a connecting rod ( 11 ) with a piston rod ( 12 ) of the piston is pivotally connected in the cylinder ( 13 ) in its longitudinal direction ( 10 ) is guided displaceably.

Internal combustion engine ( 1 ) according to one of the preceding claims 10 to 14, characterized in that the internal combustion engine ( 1 ) is a free-piston engine, in particular a multi-cylinder free-piston engine, which contains in particular an electric linear generator for generating electricity.