DE102022000509A1 - Process for improving gas exchange in internal combustion engines and internal combustion engines suitable for this - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf Verbrennungsmotoren und auf ein Verfahren zum Betreiben von Verbrennungsmotoren, bei denen mittels der Veränderung der Phasen der Öffnungs- und Schließzeiten von Ventilen bezüglich der Kurbelwelle, zuerst Abgas, und dann Frischgas in die Zylinder eingeschoben wird. In einem Zylinder befindet sich dann oberhalb des Kolbenbodens eine Abgas- und darüber eine Frischgasschichtung, deren Verhältnis zueinander den Leistungszustand des Verbrennungsmotors bestimmt. Die eingeschobene Frischgasmenge wird bei den Ottomotoren durch die zuvor angesaugte Abgasmenge bestimmt und nicht durch den von der Drosselklappe erzeugten Unterdruck. Die durch die Drosselklappe bewirkten Gaswechselverluste entfallen. Da bei den erfindungsmäßigen Ottomotoren, sowohl bei einer Saugrohr- wie auch bei einer direkten Einspritzung die Bestandteile des Frischgases sich in einem stöchiometrischen Verhältnis (Lambda = 1) zueinander befinden, können die schädlichen Abgaskomponenten durch den Einsatz eines 3-Wege-Katalysators nahezu vollständig reduziert werden. Bei den Dieselmotoren wird der Luftüberschuß entscheidend verringert, so dass die Reduktion der Stickoxide wesentlich vereinfacht wird.The invention relates to internal combustion engines and to a method for operating internal combustion engines in which first exhaust gas and then fresh gas are pushed into the cylinders by changing the phases of the opening and closing times of valves with respect to the crankshaft. In a cylinder, there is an exhaust gas layer above the piston head and a fresh gas layer above it, the relationship between which determines the performance of the internal combustion engine. The amount of fresh gas that is pushed in is determined by the amount of exhaust gas previously sucked in and not by the vacuum generated by the throttle valve. The gas exchange losses caused by the throttle valve are eliminated. Since the components of the fresh gas are in a stoichiometric ratio (lambda=1) to one another in the gasoline engines according to the invention, both with intake manifold and direct injection, the harmful exhaust gas components can be almost completely reduced by using a 3-way catalytic converter become. In diesel engines, the excess air is significantly reduced, so that the reduction of nitrogen oxides is significantly simplified.
Description
Die Erfindung betrifft die Optimierung des Gaswechsels von Verbrennungsmotoren bei wechselnden Leistungen beispielsweise mittels der Veränderung der Phasen der Einlass- und Auslassventile in Bezug auf die Kurbelwelle. Das ermöglicht, getrennt voneinander, zuerst Inertgas, wie Abgas und anschließend Frischgas in den Zylinder einzuschieben. Damit kann man Ottomotoren entdrosseln und bei Dieselmotoren den Luftüberschuss entscheidend verringern.The invention relates to the optimization of the gas exchange of internal combustion engines with changing performance, for example by changing the phases of the intake and exhaust valves in relation to the crankshaft. This makes it possible, separately from each other, to insert first inert gas, such as exhaust gas, and then fresh gas into the cylinder. This means that petrol engines can be de-throttled and the excess air in diesel engines can be significantly reduced.
In den letzten Jahrzenten wurde bei den Verbrennungsmotoren der Ladungswechsel und damit auch die Gemischbildung wesentlich verbessert.In the last few decades, gas exchange and thus mixture formation have been significantly improved in internal combustion engines.
Bei den herkömmlichen Verbrennungsmotoren waren je Zylinder zwei Ventile eingebaut. Durch den Einsatz von vier Ventilen konnte die Querschnittsfläche, durch die der Gaswechsel erfolgte, vergrößert, und gleichzeitig die Masse der einzelnen Ventile verkleinert werden. Das verringerte die Massenkräfte und verbesserte die Drehzahlfestigkeit. Außerdem konnte man mit vier Ventilen bei Ottomotoren die Zündkerze und bei Dieselmotoren die Einspritzdüse zentral über den Brennraum anordnen, was die Verbrennung deutlich verbesserte und so den Kraftstoffverbrauch verringerte.In conventional internal combustion engines, two valves were installed per cylinder. The use of four valves made it possible to increase the cross-sectional area through which the gas exchange took place, while at the same time reducing the mass of the individual valves. This reduced the inertial forces and improved the speed stability. In addition, with four valves, the spark plug in petrol engines and the injection nozzle in diesel engines could be arranged centrally above the combustion chamber, which significantly improved combustion and thus reduced fuel consumption.
Bei der Gemischbildung unterscheidet man zwei Arten, die äußere, die außerhalb des Zylinders erfolgt und den frühen Ottomotoren eigen war, und die innere, bei der die Gemischbildung innerhalb des Zylinders stattfindet und inherente Eigenschaft eines Dieselmotors ist. Im Laufe der weiteren Entwicklung wurde die innere Gemischbildung auch bei den Ottomotoren eingeführt.A distinction is made between two types of mixture formation: external, which takes place outside the cylinder and was typical of early Otto engines, and internal, in which mixture formation takes place inside the cylinder and is an inherent property of a diesel engine. In the course of further development, internal mixture formation was also introduced in petrol engines.
Bei den frühen Ottomotoren erfolgte die Gemischbildung mittels eines Vergasers, der vor der Drosselklappe angeordnet war. Mit dem Ersatz durch ein Einspritzventil konnte eine Verbesserung des Gemisches erzielt werden. Mit einem erhöhten Druck konnte nun der Kraftstoff fein zerstäubt in die Luft eingespritzt werden Durch die vergrößerte Oberfläche des eingespritzten Kraftstoffs vergaßte dieser schneller, was zu einer besseren Vermischung mit der Luft, zu einer vollständigeren Verbrennung und zu günstigeren Abgaswerten führte.In the early petrol engines, the mixture was formed by means of a carburetor, which was located in front of the throttle valve. The mixture could be improved by replacing it with an injection valve. With increased pressure, the fuel could now be injected into the air in a finely atomized form. Due to the increased surface area of the injected fuel, it forgot faster, which led to better mixing with the air, more complete combustion and more favorable exhaust gas values.
Im Laufe der Entwicklung wurde die Gemischbildung in die Saugrohre verlegt. Jedem Zylinder wurde ein separates Einspritzventil zugeordnet, das meist unmittelbar vor dem Einlassventil angeordnet war. Die Einspritzung erfolgte kurz vor das bei Einspritzbeginn noch geschlossene Einlassventil. Die bei der Ansaugung und Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches verstrichene Zeit war ausreichend um ein homogenes Gemisch zu erzeugen.In the course of development, the mixture formation was moved to the intake manifolds. A separate injection valve was assigned to each cylinder, which was usually located directly in front of the intake valve. The injection took place shortly before the inlet valve, which was still closed at the start of injection. The time elapsed during the intake and compression of the fuel-air mixture was sufficient to produce a homogeneous mixture.
Eine charakteristische Größe eines Kraftstoff-Luft-Gemisches ist das Verhältnis des Kraftstoffanteils zum Luftanteil. Dieses Verhältnis wird als stöchiometrisch bezeichnet wenn bei der vollständigen Verbrennung des im Gemisch enthaltenen Kraftstoffs der gesamte Sauerstoff des Luftanteils verbraucht wird. Ist der Kraftstoffanteil größer, so kann dieser nicht vollständig verbrannt werden. Das Gemisch wird als „fett“ bezeichnet, es ist zündunwillig und bei einem zu großen Kraftstoffanteil sogar zündunfähig. Ist der Luftanteil größer, so wird der darin enthaltene Sauerstoff nicht vollständig verbrannt, das Gemisch wird als „mager“ bezeichnet, es ist zündunwillig und bei einem zu großen Luftanteil zündunfähig.A characteristic variable of a fuel-air mixture is the ratio of the proportion of fuel to the proportion of air. This ratio is called stoichiometric when all the oxygen in the air is consumed during complete combustion of the fuel contained in the mixture. If the proportion of fuel is larger, it cannot be burned completely. The mixture is referred to as "rich", it is unwilling to ignite and even incapable of igniting if the fuel content is too high. If the proportion of air is greater, the oxygen contained in it is not burned completely, the mixture is referred to as “lean”, it is unwilling to ignite and, if the proportion of air is too large, it cannot be ignited.
Um die Beschaffenheit eines Kraftstoff-Luft-Gemisches zu beschreiben wurde die Kenngröße Lambda eingeführt. Diese ist das Verhältnis zwischen der tatsächlichen zur Verbrennung zugeführten Luftmasse zu der zur vollständigen Verbrennung erforderlichen Luftmasse:
Ist Lambda > 1, dann ist die Luftmasse größer als der theoretische Luftbedarf, das Gemisch ist folglich mager. Ist Lambda < 1, dann ist die zugeführte Luftmasse kleiner als der theoretische Luftbedarf, das Gemisch ist folglich fett. Bei Lambda = 1 ist das Gemisch stöchiometrisch.If lambda > 1, then the air mass is greater than the theoretical air requirement, so the mixture is lean. If lambda < 1, the air mass supplied is less than the theoretical air requirement, and the mixture is consequently rich. When lambda = 1, the mixture is stoichiometric.
In einem betriebswarmen Verbrennungsmotor wird der Kraftstoff, der vor allem aus Kohlenwasserstoffen (HC) besteht, die sich im stöchiometrischen Verhältnis zur Luft befinden, unter idealen Bedingungen zu Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) verbrannt. Wegen der unvollständigen Verbrennung des Kraftstoffs unter realen Bedingungen entstehen aber zusätzlich Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NOx). Diese Schadstoffe können bei einem Luftverhältnis Lambda = 1 durch einen 3-Wege-Katalysator beinahe vollständig in Stickstoff (N2), Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) umgewandelt werden. In diesem Betriebszustand ist der Verbrennungsmotor praktisch emissionsfrei.In an internal combustion engine at operating temperature, the fuel, which mainly consists of hydrocarbons (HC) in a stoichiometric ratio to air, is burned under ideal conditions to form carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 O). Due to the incomplete combustion of the fuel under real conditions, however, carbon monoxide (CO), unburned hydrocarbons (HC) and nitrogen oxides (NOx) are also produced. With an air/fuel ratio of lambda = 1, these pollutants can be almost completely converted into nitrogen (N 2 ), carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 O) by a 3-way catalytic converter. In this operating state, the internal combustion engine is practically emission-free.
Bei zeitlich begrenzten Betriebszuständen mit einem Luftverhältnis Lambda < 1 wie z.B. beim Kaltstart und in der Warmlaufphase des Motors entstehen im Abgas Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxid (CO). Durch geeignete Maßnahmen können diese Schadstoffe im Abgas während dieser Betriebszustände vermindert werden bis der 3-Wege-Katalysator die erforderliche Temperatur erreicht hat um die Umwandlung dieser Schadstoffe in Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) durchführen zu können.In temporary operating states with an air/fuel ratio lambda < 1, such as during a cold start and in the warm-up phase of the engine, hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO) are produced in the exhaust gas. Suitable measures can be taken to reduce these pollutants in the exhaust gas during these operating states until the 3-way catalytic converter has reached the temperature required to convert these pollutants into carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 O).
Bei Betriebsarten mit einem Luftverhältnis Lambda > 1 können wegen des Luftüberschusses die Stickoxide (NOx) nicht durch einen 3-Wege-Katalysator reduziert werden. Zur Nachbehandlung kommt ein NOx-Speicherkatalysator zum Einsatz der die Stickoxide in der Magerphase adsorbiert. Nach Ausschöpfung der Speicherfähigkeit werden durch Anfetten die Stickoxide NOx wieder freigesetzt und zusammen mit den unverbrannten Abgaskomponenten HC und CO in N2, H2O und CO2 umgewandelt. Um die Magerbetriebszeit des Katalysators zu verlängern bedient man sich der Abgasrückführung (AGR), bei der dem Frischgas Abgas beigemischt wird. Dadurch verringert sich die Luftmenge im Frischgas und durch das inerte Abgas verringert sich die Temperatur der Verbrennung. Beides führt zu einer Verlängerung der Magerbetriebszeit des NOx-Speicherkatalysators.In operating modes with a lambda air ratio > 1, the nitrogen oxides (NOx) cannot be reduced by a 3-way catalytic converter because of the excess air. A NOx storage catalytic converter is used for after-treatment, which adsorbs the nitrogen oxides in the lean phase. After the storage capacity has been exhausted, the nitrogen oxides NOx are released again by enrichment and converted into N 2 , H 2 O and CO 2 together with the unburned exhaust gas components HC and CO. In order to extend the lean operating time of the catalytic converter, exhaust gas recirculation (EGR) is used, in which exhaust gas is mixed with the fresh gas. This reduces the amount of air in the fresh gas and the inert exhaust gas reduces the combustion temperature. Both lead to an increase in the lean operating time of the NOx storage catalytic converter.
Beim herkömmlichen Ottomotor mit äußerer Gemischbildung erfolgt die Anpassung der Gemischmenge an den Leistungsbedarf des Motors über die Drosselklappe. Da im unteren und mittleren Drehzahl- und Leistungsbereich ein geringerer Kraftstoffbedarf besteht, muß die Drosselklappe teilweise geschlossen werden, was zu einem Unterdruck im Zylinder und damit zu höheren Gaswechselverlusten und einem höheren Kraftstoffverbrauch führt. Bei Volllast wird der Motor mit einer offenen Drosselklappe betrieben.In conventional petrol engines with external mixture formation, the quantity of mixture is adjusted to the power requirement of the engine via the throttle valve. Since there is less fuel requirement in the lower and middle engine speed and power range, the throttle valve has to be partially closed, which leads to a vacuum in the cylinder and thus to higher gas exchange losses and higher fuel consumption. At full load, the engine is operated with an open throttle.
Seit Anfang des Jahrhunderts sind die meisten Hersteller dazu übergegangen Ottomotoren mit innerer Gemischbildung einzusetzen, bei denen reine Luft in den Brennraum eingebracht wird und erst dort der Kraftstoff unter hohem Druck durch eine Einspritzdüse in die Luft eingespritzt wird. Diese Direkteinspritzung in den Zylinder führt zu einer deutlichen Senkung des Kraftstoffverbrauchs und zu einer Leistungssteigerung. Man unterscheidet im wesentlichen zwei Arten der Benzin-Direkteinspritzung, den Homogen- und den Schichtbetrieb.Since the beginning of the century, most manufacturers have switched to using gasoline engines with internal mixture formation, in which pure air is introduced into the combustion chamber and only there is the fuel injected into the air under high pressure through an injection nozzle. This direct injection into the cylinder leads to a significant reduction in fuel consumption and an increase in performance. There are essentially two types of gasoline direct injection, homogeneous and stratified operation.
Beim Homogenbetrieb erfolgt die Kraftstoffeinspritzung im Ansaugtakt, und die Kraftstoffmenge wird so zugemessen, dass das Gemisch beim betriebswarmen Motor im stöchiometrischen Verhältnis (Lambda = 1) gebildet wird. Die Zeitspanne bei der Ansaugung und Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ist ausreichend um ein homogenes Gemisch zu erzeugen. Wie bei der äußeren Gemischbildung erfolgt auch hier die Anpassung der Gemischmenge an den Leistungsbedarf des Motors über die Drosselklappe, was im Schwachlastbetrieb einen hohen Kraftstoffverbrauch bedingt. Der Homogenbetrieb hat sich aber durchgesetzt da sich im Betrieb mit Lambda = 1 die schädlichen Restgase nahezu vollständig mit einem 3-Wege-Katalysator reduzieren lassen und ein NOx-Speicherkatalysator nicht erforderlich ist.In homogeneous operation, the fuel is injected during the intake stroke and the amount of fuel is metered in such a way that the mixture is formed in a stoichiometric ratio (lambda = 1) when the engine is warm. The period of time during which the fuel-air mixture is sucked in and compressed is sufficient to produce a homogeneous mixture. As with the external mixture formation, the mixture quantity is adjusted to the power requirement of the engine via the throttle valve, which causes high fuel consumption in low-load operation. However, homogeneous operation has prevailed because in operation with lambda = 1, the harmful residual gases can be reduced almost completely with a 3-way catalytic converter and a NOx storage catalytic converter is not required.
Beim Schichtladungsbetrieb wird immer die volle Luftmenge in den Brennraum eingebracht und die Kraftstoffeinspritzung erfolgt während der Kompression derart, dass sich im Bereich der Zündkerze ein zündfähiges Gemisch bildet, das von der restlichen Luft umgeben wird. Die eingespritzte Kraftstoffmenge wird durch das jeweils erforderliche Drehmoment bestimmt. Da die Luft nicht angedrosselt wird, ist das Kraftstoff-Luft-Gemisch mager und der Luftüberschuß verhindert die Konvertierung der Stickoxide durch einen 3-Wege-Katalysator. Deshalb ist eine Abgasreinigung mit einem zusätzlichen NOx-Speicherkatalysator erforderlich und durch diesen Mehraufwand zahlt sich dieser Schichttrieb nicht aus. Bei großen Drehzahlen ist es außerdem nicht möglich in der zur Verfügung stehenden Zeit im Bereich der Zündkerze ein zündfähiges Gemisch zu erzeugen. Man greift deshalb auf ein homogenes Brennverfahren mit einer teilweise geschlossenen Drosselklappe zurück. Das erfordert aber einen nicht unerheblichen Steuerungsaufwand.In stratified charge operation, the full amount of air is always introduced into the combustion chamber and the fuel is injected during compression in such a way that an ignitable mixture forms in the area of the spark plug, which is surrounded by the remaining air. The amount of fuel injected is determined by the torque required in each case. Since the air is not throttled, the fuel-air mixture is lean and the excess air prevents the conversion of the nitrogen oxides by a 3-way catalytic converter. Exhaust gas cleaning with an additional NOx storage catalytic converter is therefore necessary, and this additional effort means that this shift drive does not pay off. At high speeds, it is also not possible to generate an ignitable mixture in the area of the spark plug in the time available. A homogeneous combustion process with a partially closed throttle valve is therefore used. However, this requires a not inconsiderable control effort.
Ein Dieselmotor arbeitet immer mit einem Luftüberschuss. Bei Volllast ist der Luftüberschuss gering (Lambda = ca. 1,3), im Leerlauf und im Teillastgebiet sehr groß. Der Anteil an Kohlenwasserstoffen ist geringer, der Anteil an Stickoxiden größer als beim Ottomotor. Um den Anteil der Stickoxide in den Abgasen zu verringern bedient man sich der Abgasrückführung (AGR). Wegen der geringen Ventilüberschneidung ist die interne Abgasrückführung bedeutungslos und es kommt die äußere Abgasrückführung zum Einsatz bei der am Abgaskrümmer eine zusätzliche Abgasleitung angeschlossen wird, die über ein Steuerungsventil die Abgase in die Ansaugleitung leitet, wo sie der Frischluft beigemischt werden. Damit verringert sich der Luftanteil im Kraftstoff-Luftgemisch und es entstehen deutlich weniger Stickoxide, deren Reduktion aber erforderlich ist.A diesel engine always works with excess air. At full load, the excess air is low (lambda = approx. 1.3), while idling and in the partial load range it is very high. The proportion of hydrocarbons is lower and the proportion of nitrogen oxides is greater than in a petrol engine. Exhaust gas recirculation (EGR) is used to reduce the proportion of nitrogen oxides in the exhaust gases. Due to the low valve overlap, the internal exhaust gas recirculation is meaningless and external exhaust gas recirculation is used, in which an additional exhaust pipe is connected to the exhaust manifold, which directs the exhaust gases into the intake pipe via a control valve, where they are mixed with the fresh air. This reduces the proportion of air in the fuel-air mixture and significantly fewer nitrogen oxides are produced, but their reduction is necessary.
Beim Dieselmotor werden zur Abgasbehandlung die Abgase zuerst durch den Oxidationskatalysator geführt wo die unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) und das Kohlenmonoxid (CO) zu Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O) oxidieren. Aufgrund des hohen Restsauerstoffanteils können die Stickoxide nicht reduziert werden, NO wird aber zu NO2 oxidiert, so dass das Verhältnis von NO2 zu NO erhöht wird, was für die Funktion einiger nachgelagerter Komponenten (Partikelfilter, NOx-Speicherkatalysator, SCR-Katalysator) wichtig ist.In diesel engines, the exhaust gases are first passed through the oxidation catalytic converter for exhaust gas treatment, where the unburned hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO) oxidize to form carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 O). Due to the high residual oxygen content, the nitrogen oxides cannot be reduced, but NO is oxidized to NO 2 , so that the ratio of NO 2 to NO is increased, which is important for the function of some downstream components (particle filter, NOx storage catalytic converter, SCR catalytic converter). is.
Anschließend strömt das Abgas durch den Dieselpartikelfilter wo es effizient gefiltert wird. Die durch die Verbrennung entstandenen Rußpartikel setzen die Poren der Filterwände langsam zu, erhöhen den Gegendruck und müssen zwecks Regeneration des Filters verbrannt werden. Das erfordert eine erhöhte Temperatur, kann aber bei Einsatz von Additiven auch mit niedrigeren Temperaturen erfolgen. Die Asche aus Additiven, Motoröl- und Kraftstoffrückständen setzt den Filter auch langsam zu und erhöht den Gegendruck. Bei Überschreitung eines definierten Wertes muß eine mechanische Reinigung erfolgen.The exhaust gas then flows through the diesel particulate filter where it is efficiently filtered. The soot particles produced by the combustion slowly clog the pores of the filter walls, increase the back pressure and must be burned to regenerate the filter. This requires an increased temperature, but can also be achieved with lower temperatures if additives are used The ash from additives, engine oil and fuel residues also slowly clogs the filter and increases the back pressure. If a defined value is exceeded, mechanical cleaning must be carried out.
Nach Austritt aus dem Dieselpartikelfilter befinden sich im Abgas noch Stickoxide die reduziert werden müssen. Bei Motoren mit kleineren Hubräumen werden NOx-Speicherkatalysatoren eingesetzt bei denen die Stickoxide an der Katalysatoroberfläche eingelagert werden. In aufeinanderfolgenden Zeitabständen werden die NOx-Speicherkatalysatoren durch Anfetten der Abgase regeneriert. Dabei werden die Stickoxide zu Stickstoff und Wasser reduziert. Die geringe Speicherkapazität dieser Katalysatoren beschränkt den Einsatz auf kleinere Hubräume.After exiting the diesel particulate filter, there are still nitrogen oxides in the exhaust gas that must be reduced. In engines with smaller displacements, NOx storage catalytic converters are used in which the nitrogen oxides are stored on the surface of the catalytic converter. The NOx storage catalytic converters are regenerated at successive time intervals by enriching the exhaust gases. The nitrogen oxides are reduced to nitrogen and water. The low storage capacity of these catalytic converters limits their use to smaller displacements.
Bei Motoren mit großen Hubräumen werden die kontinuierlich arbeitenden SCR-Katalysatoren eingesetzt. Teil dieses SCR-Systems ist eine Dosiereinrichtung die aus einem Adbluebehälter versorgt wird und Adblue (wässrige Lösung aus Harnstoff und Wasser) fein zerstäubt in eine Hydrolysestrecke spritzt, wo durch Erhitzung Ammoniak und Kohlendioxid entstehen. Nach Verlassen des Dieselpartikelfilters strömt das Abgas in diese Hydrolysestrecke, wo es mittels eines Mischers mit dem Ammoniak und dem Kohlendioxid vermischt wird und anschließend in den SCR-Katalysator eingeleitet wird. Dort reagieren die Stickoxide des Abgases mit dem Ammoniak zu Stickstoff und Wasser.The continuously working SCR catalytic converters are used in engines with large displacements. Part of this SCR system is a dosing device that is supplied from an Adblue tank and finely atomized Adblue (aqueous solution of urea and water) is sprayed into a hydrolysis section, where ammonia and carbon dioxide are produced by heating. After leaving the diesel particulate filter, the exhaust gas flows into this hydrolysis section, where it is mixed with the ammonia and carbon dioxide using a mixer and then fed into the SCR catalytic converter. There, the nitrogen oxides in the exhaust gas react with the ammonia to form nitrogen and water.
Hinter dem SCR-Katalysator befindet sich ein Sperrkatalysator der einen möglichen Ammoniakausstoß an die Außenluft verhindert und das bei der Regeneration des Dieselpartikelfilters entstandene Kohlenmonoxid in Kohledioxid umwandelt.A blocking catalytic converter is located behind the SCR catalytic converter, which prevents possible ammonia emissions into the outside air and converts the carbon monoxide produced during the regeneration of the diesel particulate filter into carbon dioxide.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde den Ladungswechsel von Verbrennungsmotoren entscheidend zu verbessern.The object of the invention is to decisively improve the gas exchange of internal combustion engines.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, bei dem beim Ansaugvorgang zwei voneinander getrennte Gase oder Gasgemische in den Zylinder eingeschoben werden, von denen das eine aus einem inerten Gas und das andere aus Frischgas oder aus einer Vorstufe von Frischgas besteht, so dass im Zylinder eine Schichtung aus inertem Gas und eine Schichtung aus Frischgas oder einer Vorstufe von Frischgas entsteht.This problem is solved by a method for operating an internal combustion engine in which two separate gases or gas mixtures are pushed into the cylinder during the intake process, one of which consists of an inert gas and the other of fresh gas or a precursor of fresh gas, see above that in the cylinder there is a layer of inert gas and a layer of fresh gas or a precursor of fresh gas.
Unter inertem Gas ist im Rahmen dieser Beschreibung ein Gas oder Gasgemisch mit einer solchen Zusammensetzung zu verstehen, so dass unter den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors keine Verbrennung erfolgen kann. Vorzugsweise wird ein nicht brennbares Gasgemisch eingesetzt, insbesondere Abgas.In the context of this description, an inert gas is to be understood as meaning a gas or gas mixture with such a composition that no combustion can take place under the operating conditions of the internal combustion engine. A non-flammable gas mixture is preferably used, in particular exhaust gas.
Unter Frischgas ist im Rahmen dieser Beschreibung ein Gas oder Gasgemisch mit einer solchen Zusammensetzung zu verstehen, so dass unter den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors eine Verbrennung erfolgen kann.In the context of this description, fresh gas is to be understood as meaning a gas or gas mixture with such a composition that combustion can take place under the operating conditions of the internal combustion engine.
Unter einer Vorstufe von Frischgas wird ein Gas oder Gasgemisch verstanden, das nach Einbringen in den Zylinder durch Zusatz von Kraftstoff eine solche Zusammensetzung aufweist, so dass unter den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors eine Verbrennung erfolgen kann.A preliminary stage of fresh gas is understood to mean a gas or gas mixture which, after being introduced into the cylinder through the addition of fuel, has such a composition that combustion can take place under the operating conditions of the internal combustion engine.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Frischgas um eine Mischung aus Luft und Kraftstoff oder um eine Mischung aus Luft, Kraftstoff und Abgas.The fresh gas is preferably a mixture of air and fuel or a mixture of air, fuel and exhaust gas.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Vorstufe von Frischgas um Luft.Preferably, the fresh gas precursor is air.
Bevorzugte Verfahrensvarianten sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 dargestellt.Preferred variants of the method are presented in
In einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verhältnis von inertem Gas und Frischgas oder der Vorstufe von Frischgas zueinander vom augenblicklichen Leistungsbedarf bestimmt; auf diese Weise wird ein Unterdruck im Zylinder vermieden.In a particularly preferred variant of the method according to the invention, the ratio of inert gas and fresh gas or the preliminary stage of fresh gas to one another is determined by the instantaneous power requirement; in this way a negative pressure in the cylinder is avoided.
In einer weiteren besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht das Frischgas aus einem stöchiometrischen Gemisch aus Luft und Kraftstoff.In a further particularly preferred variant of the method according to the invention, the fresh gas consists of a stoichiometric mixture of air and fuel.
In einer weiteren besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens befindet sich als Vorstufe von Frischgas im Zylinder Luft, in welche Kraftstoff eingespritzt wird. Dabei bilden die angesaugte Luft und der eingespritzte Kraftstoff vorzugsweise ein stöchiometrisches Gemisch.In a further particularly preferred variant of the method according to the invention, air, into which fuel is injected, is present in the cylinder as a preliminary stage of fresh gas. The intake air and the injected fuel preferably form a stoichiometric mixture.
Die Erfindung betrifft auch Verbrennungsmotoren, die mit mindestens einem Zylinder, Ventilen, Kolben und einer Kurbelwelle ausgerüstet sind und bei denen die Ventile so eingestellt sind, dass beim Ansaugvorgang zuerst inertes Gas und danach Frischgas oder eine Vorstufe von Frischgas in den Zylinder eingeschoben wird, so dass im Zylinder eine Schichtung aus inertem Gas und eine Schichtung aus Frischgas oder aus einer Vorstufe von Frischgas entsteht.The invention also relates to internal combustion engines that are equipped with at least one cylinder, valves, pistons and a crankshaft and in which the valves are set so that during the intake process first inert gas and then fresh gas or a precursor of fresh gas is pushed into the cylinder that in the cylinder there is a layer of inert gas and a layer of fresh gas or a precursor of fresh gas.
Bevorzugte Varianten des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors sind in den Unteransprüchen 8 bis 10 dargestellt.Preferred variants of the internal combustion engine according to the invention are presented in
Das Einstellen der Ventile kann durch Veränderung der Phasen der Öffnungs- und Schließzeiten bezüglich der Kurbelwelle erfolgen, beispielsweise durch Veränderung der Phasen der Nockenwellen bezüglich der Kurbelwelle. Es sind auch andere Möglichkeiten der Einstellung möglich, beispielsweise eine elektronische Regelung der Öffnungs- und Schließzeiten.The valves can be adjusted by changing the phases of the opening and closing times with respect to the crankshaft, for example by changing the phases of the camshafts with respect to the crankshaft. Other adjustment options are also possible, for example electronic regulation of the opening and closing times.
Bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor handelt es sich vorzugsweise um einen Zweitakt-Ottomotor, einen Viertakt-Ottomotor oder einem Dieselmotor.The internal combustion engine according to the invention is preferably a two-stroke Otto engine, a four-stroke Otto engine or a diesel engine.
Bevorzugt wird unter anderem auch ein Zweitakt-Ottomotor, bei dem sich am oberen Zylinderende Ventile für den Einlass von Frischgas und Ventile für den Einlass von Abgas befinden, und bei dem sich am unteren Zylinderende Schlitze befinden, über die Abgas ausgeschoben wird.Among other things, a two-stroke gasoline engine is also preferred in which valves for the intake of fresh gas and valves for the intake of exhaust gas are located at the upper end of the cylinder, and in which slots are located at the lower end of the cylinder through which exhaust gas is expelled.
In einer bevorzugten Variante wird bei Ottomotoren mit äußerer Gemischbildung zuerst Abgas eingebracht und anschließend das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinder eingebracht, wobei das Verhältnis beider Gasanteile (also von inertem Gas zu Frischgas) so geregelt wird, dass die vollständige Verbrennung des Kraftstoffs die momentan erforderliche Leistung gewährleistet. Da das Kraftstoff-Luft-Gemisch sich im stöchiometrischen Verhältnis befindet besteht bei der Verbrennung kein Luftüberschuß und es bilden sich kaum Stickoxide. Durch die Ansaugung von Abgas ist ein Unterdruck im Zylinder nicht erforderlich um die Menge Kraftstoff-Luft-Gemisch zu regeln, eine Drosselklappe ist nicht erforderlich und die Ladungsverluste werden entscheidend verringert.In a preferred variant, in Otto engines with external mixture formation, exhaust gas is introduced first and then the fuel-air mixture is introduced into the cylinder, with the ratio of both gas components (i.e. inert gas to fresh gas) being regulated in such a way that complete combustion of the fuel takes place currently required performance guaranteed. Since the fuel-air mixture is in a stoichiometric ratio, there is no excess air during combustion and hardly any nitrogen oxides are formed. By sucking in exhaust gas, a vacuum in the cylinder is not required to regulate the amount of fuel-air mixture, a throttle valve is not required and the charge losses are significantly reduced.
In einer weiteren bevorzugten Variante wird bei Motoren mit innerer Gemischbildung zuerst Abgas und anschließend Luft in den Zylinder eingeleitet wobei beim Ottomotor Kraftstoff im stöchiometrischen Verhältnis eingespritzt wird und beim Dieselmotor mit Lambda = ca. 1,3. Auch hier kann man beim Ottomotor auf die Drosselklappe verzichten und die Bildung von Stickoxiden nahezu verhindern. Beim Dieselmotor ist ein geringer Luftüberschuss nicht vermeidbar.In a further preferred variant, in engines with internal mixture formation, first exhaust gas and then air is introduced into the cylinder, with fuel being injected in a stoichiometric ratio in the Otto engine and with lambda=approx. 1.3 in the diesel engine. Here, too, the throttle valve can be dispensed with in the petrol engine and the formation of nitrogen oxides can be almost completely prevented. A small amount of excess air is unavoidable in a diesel engine.
Das Prinzip, mittels der Einbringung von Abgas in den Zylinder, die Entstehung von Stickoxiden zu verringern und beim Ottomotor eine Entdrosselung zu bewirken, wird bei den heutigen Motoren mittels der Abgasrückführung (AGR) durchgeführt. Da aber das Abgas dem Frischgas bzw. der Luft beigemischt wird, beeinflußt das die Verbrennung und der beigemischten Abgasmenge ist eine Grenze gesetzt. Dadurch können Ottomotoren nur teilweise entdrosselt werden und die Entstehung von Stickoxiden bei Otto- bzw. Dieselmotoren nur teilweise vermieden werden.The principle of reducing the formation of nitrogen oxides by introducing exhaust gas into the cylinder and bringing about dethrottling in petrol engines is carried out in today's engines by means of exhaust gas recirculation (EGR). However, since the exhaust gas is mixed with the fresh gas or the air, this affects the combustion and there is a limit to the amount of exhaust gas mixed in. As a result, petrol engines can only be partially de-throttled and the formation of nitrogen oxides in petrol or diesel engines can only be partially avoided.
Bei der erfindungsmäßigen Abgasansaugung (AGA) wird das Abgas nicht mit dem Frischgas bzw. der Luft vermischt und der angesaugten Abgasmenge ist keine Grenze gesetzt. Man kann den Ottomotor vollständig entdrosseln und ohne Luftüberschuss betreiben.In the case of the exhaust gas intake (AGA) according to the invention, the exhaust gas is not mixed with the fresh gas or the air and there is no limit to the intake exhaust gas quantity. The petrol engine can be completely de-throttled and operated without excess air.
Bei der Abgasansaugung (AGA) wird zuerst eine Abgasladung angesaugt die sich oberhalb des Kolbenbodens einlagert, und anschließend eine Frischgas- oder Luftladung, die den darüberliegenden Raum bis zum Zylinderkopf ausfüllt.With the exhaust gas intake (AGA), an exhaust gas charge is first sucked in, which is stored above the piston crown, and then a fresh gas or air charge, which fills the space above up to the cylinder head.
Die erfindungsmäßige Verwirklichung der Abgasansaugung (AGA) kann z.B. mittels der Verstellung der relativen Winkellage einer Nockenwelle zur Kurbelwelle erfolgen. Dazu kann man stufenlose Winkellagenversteller einsetzen (wie z.B. der Marke VANOS der Fa. BMW) die diese Aufgabe mittels einer Schrägverzahnung oder Flügelzellen erfüllen. Synchron mit der Winkellage der Nockenwelle werden auch die Phasen der Ventile verstellt. Mit zwei hintereinander verbauten oder parallel auf zwei Nockenwellen wirkende Winkelversteller kann man den Verstellwinkel und die Verstellgeschwindigkeit verdoppeln. Andere technische Lösungen sind auch möglich.The exhaust gas intake (AGA) can be implemented according to the invention, for example, by adjusting the angular position of a camshaft relative to the crankshaft. To do this, stepless angular position adjusters can be used (e.g. from the VANOS brand from BMW) which fulfill this task using helical gearing or vane cells. The phases of the valves are also adjusted synchronously with the angular position of the camshaft. With two angle adjusters installed one behind the other or acting in parallel on two camshafts, you can double the adjustment angle and the adjustment speed. Other technical solutions are also possible.
Anhand der Steuerdiagramme eines 4-Takt-Ottomotors, eines 4-Takt-Dieselmotors und eines 2-Takt-Ottomotors wird die Funktionsweise der Abgasansaugung (AGA) erläutert.The functioning of the exhaust gas intake (AGA) is explained using the control diagrams of a 4-stroke petrol engine, a 4-stroke diesel engine and a 2-stroke petrol engine.
Die benutzten Abkürzungen bedeuten:
- 1
- Drehrichtung Kurbelwelle
- 2
- oberer Totpunkt (OT)
- 3
- unterer Totpunkt (UT)
- 4
- Zündzeitpunkt
- 5
- Ansaugen
- 6
- Verdichten
- 7
- Verbrennen
- 8
- Ausstoßen
- 9
- Ansaugen Abgas
- 10
- Trennmarkierungen
- 11
- 1. Einlassventil
- 12
- 2. Einlassventil
- 13
- 1. Auslassventil
- 14
- 2. Auslassventil
- 15
- Einlassventile Frischgas
- 16
- Einlassventile Abgas
- 17
- Auslassschlitze
- 18
- Vorauslass
- 1
- Direction of rotation of the crankshaft
- 2
- top dead center (TDC)
- 3
- bottom dead center (UT)
- 4
- ignition timing
- 5
- suction
- 6
- compacting
- 7
- Burn
- 8th
- expel
- 9
- intake exhaust gas
- 10
- Separation marks
- 11
- 1. Inlet valve
- 12
- 2. Inlet valve
- 13
- 1. Exhaust valve
- 14
- 2. Exhaust valve
- 15
- Fresh gas inlet valves
- 16
- Intake valves exhaust
- 17
- exhaust slots
- 18
- advance
Das Steuerdiagram für einen 4-Takt-Motor wird durch ein Spiraldiagramm dargestellt das aus zwei ineinander übergehenden Kreise besteht und einen Gesamtwinkel von 720° überstreicht, entsprechend den zwei Kurbelwellenumdrehungen des Arbeitsspiels. Auf der durchgehenden Linie dieses Diagramms werden die einzelnen Take Ansaugen (5), Verdichten (6), Verbrennen (7) und Ausstoßen (8) durch Trennmarkierungen (10) voneindander getrennt.The control diagram for a 4-stroke engine is represented by a spiral diagram consisting of two merging circles and sweeping a total angle of 720°, corresponding to the two crankshaft revolutions of the working cycle. On the solid line of this diagram, the individual takes suction (5), compression (6), combustion (7) and ejection (8) are separated from each other by separating marks (10).
Beim Steuerdiagramm für den Leerlauf befindet sich zwischen den Takten Ausstoßen (8) und Ansaugen (5) zusätzlich der Arbeitsschritt Ansaugen Abgas (9). An den Trennmarkierungen sind die bei diesen Kurbelwellenwinkeln betätigten Ventile angegeben. Die Richtungspfeile geben die Funktion der Ventile wieder. Pfeile die von den Trennmarkierungen wegweisen kennzeichnen ein sich öffnendes Ventil, Pfeile die auf die Trennmarkierungen hinweisen kennzeichnen ein sich schließendes Ventil.In the control diagram for idling, between the exhaust (8) and intake (5) strokes there is also the exhaust gas intake (9) work step. The valves actuated at these crankshaft angles are indicated on the separation marks. The directional arrows indicate the function of the valves. Arrows pointing away from the separation marks indicate an opening valve, arrows pointing to the separation marks indicate a closing valve.
Der untersuchte 4-Takt-Ottomotor verfügt über 2 Einlass- und 2 Auslassventile. Das erste Auslassventil (13) wird von einer mit der Kurbelwelle synchron umlaufenden Nockenwelle gesteuert. Das zweite Auslassventil (14) und die beiden Einlassventile (11) und (12) werden gemeinsam von einer Nockenwelle gesteuert deren Phase zur Kurbelwelle stufenlos verändert werden kann, so dass man den Motorbetrieb den Belastungsanforderungen anpassen kann.
-
1 zeigt das Steuerdiagramm bei Volllast. Die beiden Nockenwellen werden synchron von der Kurbelwelle angetrieben, die Ventilüberschneidung der Einlassvon und Auslassventile am OT ist klein und die Einlassventile schliessen weit nach dem UT. -
2 zeigt das Steuerdiagramm bei Leerlauf. DieNockenwelle welche das 1. Auslassventil (13) steuert wird synchron von der Kurbelwelle angetrieben, während die zweite um 60 KW° phasenverzögert angetrieben wird.Das 2. Auslassventil (14) schließt und die beiden Einlassventile (11), (12) öffnen weit nach OT. Dadurch wird zuerst Abgas und anschließend Frischgas angesaugt. Am UT befindet sich folglich oberhalb des Kolbenbodens eine Schicht Abgas und darüber eine Schicht Frischgas. Bewegt sich der Kolben über den UT hinweg und bewegt sich dann in Richtung des OT, dann wird ein Teil des Frischgases zurück in den Einlasskanal geschoben, da durch die Phasenverschiebung der Nockenwelle bezüglich der Kurbelwelle die Einlassventile (11), (12) sehr viel weiter hinter dem UT schließen. Gleichzeitig setzt die Kompression später ein. Die beschriebene Abgasansaugung (AGA) kann auch bei Einspritz-Ottomotoren eingesetzt werden, statt Frischgas wird nunmehr Luft angesaugt. Mit Hilfe des Winkellagenverstellers läßt sich die Frischgasmenge im Leerlauf einstellen und mit einem Bowdenzug kann man, beginnend beim Leerlauf, ohne den Rückgriff auf eine Elektronik, die Frischgasmenge stufenlos dem Leistungsbedarf des Motors anpassen. Der untersuchte 4-Takt-Dieselmotor verfügt über 2 Einlass- und 2 Auslassventile.Das 1. Einlassventil (11)und das 1. Auslassventil (13) werden von einer mit der Kurbelwelle synchron umlaufenden Nockenwelle gesteuert.Das 2. Einlassventil (12)und das 2. Auslassventil (14) werden von einer Nockenwelle gesteuert deren Phasenlage zur Kurbelwelle stufenlos verändert werden kann. -
3 zeigt das Steuerdiagramm bei Volllast. Die Ventilüberschneidung von Einlass und Auslass am OT ist gering und der Einlass schließt weit hinter dem UT. Der Einlass wird insgesamt von den beiden Einlassventilen (11) und (12) gesteuert, die sich im Bereich zwischen 90° KW und 140° KW nach OT überschneiden.Das 1. Einlassventil (11) öffnet bei 90° KW nachOT und das 2. Einlassventil (12) schließt bei 140° KW nach OT. -
4 zeigt die Verhältnisse im Leerlauf. Die Steuerzeiten des 2. Einlassventils (12) und des 2. Auslassventils (14) haben sich um 100° KW in Drehrichtung verschoben, die Einlassventile (11) und (12) arbeiten jetzt synchron und öffnen 90° KW nachOT und das 2. Auslassventil (14) schließt 110° KW nach OT. Aus dem Steuerdiagramrn sieht man, dass zuerst Abgas und anschließend Luft angesaugt wird, wobei bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens nach UT wieder ein Teil der Luft aus dem Zylinder geschoben wird. Eine Verringerung der Kompression findet nicht statt, da sowohl bei Volllast wie auch bei Leerlauf, die beiden Einlassventile beim gleichen KW-Winkel nach UT geschlossen sind. Der untersuchte 2-Takt-Ottomotor verfügt am oberen Zylinderende über Ventile für den Einlass von Frischgas und Abgas und am unteren Zylinderende über Schlitze für den Auslass. Die hiermit bedingte Gleichstromspülung in der Zylinderachse, das in der selben Richtung expandierende Verbrennungsgas, sowie die großen Strömungsquerschnitte beim Ein- und Auslass bedingen sehr geringe Strömungsverluste. Die maximale Drehzahl ist ca. halb so hoch wie die eines üblichen 4-Takt Ottomotors, Leistungsgewicht und Wärmebelastung sind folglich diesem sehr ähnlich. Der gezielte Betrieb mit niedrigeren Drehzahlen führt zu günstigeren spezifischen Kraftstoffverbräuchen und verlängert entscheidend die für den Gasaustausch zur Verfügung stehenden Zeit. Beim Einlass wird zuerst Abgas und dann Frischgas in den Zylinder eingeschoben, in einem Verhältnis zueinander, das dem Leistungsbedarf des Motors entspricht. Die Einleitung von Abgasen erübrigt die Drosselung des Frischgases. Der Gasaustausch erfolgt mittels der kinetischen Energie der ausströmenden Abgase und eventuell eines zusätzlichen Gebläses. -
5 zeigt das Steuerdiagramm bei Volllast. Das kurz vor dem OT entzündete Frischgas verbrennt und drückt den Kolben abwärts, bis nach einer definierten Wegstrecke die Auslassschlitze (17) freigegeben werden. Bei ausreichendem Vorauslass (18) sinkt der Druck in dem Zylinder schnell ab und durch die kinetische Energie des ausströmenden Abgases wird das Frischgas nach Öffnung der Einlassventile (15) in den Zylinder gesaugt. Nach Überschreitung des UT bewegt sich der Kolben wieder aufwärts und schließt die Auslassschlitze (17). Die Einlassventile für das Frischgas (15) werden mit einer zeitlichen Verzögerung geschlossen, um dem Frischgas ein Nachströmen in den Zylinder zu ermöglichen und so die Füllung zu verbessern. -
6 zeigt das Steuerdiagramm bei Leerlauf. Hier werden nach der Abwärtsbewegung des Kolbens, der Freigabe der Auslassschlitze (17) und nach dem Vorauslass (18) zuerst die Einlassventile für das Abgas (16) geöffnet. Nachdem in den Zylinder eine definierte Menge an Abgas eingeströmt ist, schliessen sich die zugehörigen Einlassventile (16), nachdem kurz davor die Einlassventile für das Frischgas (15) geöffnet wurden. Die angesaugte Frischgasmenge wird durch den Leerlaufbetrieb bestimmt und durch die angesaugten Abgase verhindert man die Drosselung der Frischgase. Anhand des Arbeitsspiels eines 4-Takt-Ottomotors mit Abgasansaugung (AGA) wird die Funktionsweise im Leerlauf dargestellt. Die bezeichneten Teile sind: Einlassventil (21), Auslassventil (22), Zündkerze (23), Kolben (24), Zylinder (25), Pleuelstange (26) und Kurbelwelle (27). Der Pfeil gibt die Drehrichtung der Kurbelwelle (1) vor, (2) ist der obere Totpunkt (OT) und (3) der untere Totpunkt (UT). Die 7 bis 12 geben die Funktionsweise der vier Takte wieder:-
7 : Die Ansaugung (1. Takt) hat begonnen, der Kolben (24) befindet sich 60° KW nach OT, das Einlassventil (21) hat gerade geöffnet, das Auslassventil (22) ist geschlossen und der Zylinder (25) ist mit altem Abgas (29) aus dem vorangegangenen Arbeitsspiel gefüllt. -
8 : Die Ansaugung ist beendet, der Kolben befindet sich 20° KW nach UT, das Auslassventil (22) ist geschlossen, das Einlassventil (21) geöffnet, und in den oberen Bereich des Zylinders ist Frischgas (28) eingeströmt. Im unteren Bereich des Zylinders befindet sich eine Schicht altes Abgas (29). -
9 : Der Kolben befindet sich 90° KW nach UT und hat gerade einen Teil des Frischgases (28) zurück in das Ansaugrohr geschoben. Das Einlassventil schließt bei ca. 100° KW nach UT und die Verdichtung (2. Takt) beginnt. -
10 : Der Kolben befindet sich 20° KW vor OT und das Frischgas (28) wird gerade gezündet. Die oberhalb des Kolbenbodens liegende Abgasschicht (29) ist inert und ist an der Verbrennung nicht beteiligt. -
11 : Das Frischgas verbrennt und leistet Arbeit (3. Takt). Im Zylinder befinden sich zwei Abgaswolken, eine alte (29) über dem Kolbenboden, die aus vorherigen Arbeitsspielen stammt, und eine frische (30) darüber liegende, die gerade abbrennt. -
12 : Der Kolben befindet sich 50° KW nach UT, bewegt sich aufwärts und schiebt die Abgase aus. Zuerst wird das frische Abgas (30) ausgeschoben und anschließend das alte Abgas (29), das beim folgendenArbeitsspiel im 1. Takt wieder in den Zylinder eingesaugt wird. Über einen Bypass am Auslassrohr kann dieses Abgas gekühlt werden.
-
1 shows the control diagram at full load. The two camshafts are driven synchronously by the crankshaft, the valve overlap of the intake and exhaust valves at TDC is small and the intake valves close well after BDC. -
2 shows the control diagram at idle. The camshaft which controls the 1st exhaust valve (13) is driven synchronously by the crankshaft, while the second is driven with a phase delay of 60 KW°. The 2nd outlet valve (14) closes and the two inlet valves (11), (12) open well after TDC. As a result, exhaust gas is sucked in first and then fresh gas. Consequently, at BDC there is a layer of exhaust gas above the piston crown and a layer of fresh gas above it. If the piston moves past BDC and then moves in the direction of TDC, part of the fresh gas is pushed back into the intake port because the phase shift of the camshaft with respect to the crankshaft causes the intake valves (11), (12) to move much further close behind the UT. At the same time, the compression sets in later. The exhaust gas intake (AGA) described can also be used with injection gasoline engines, instead of fresh gas air is now sucked in. With the help of the angular position adjuster, the amount of fresh gas can be adjusted when idling and with a Bowden cable, starting with idling, the amount of fresh gas can be infinitely adjusted to the power requirement of the engine without resorting to electronics. The examined 4-stroke diesel engine has 2 intake and 2 exhaust valves. The 1st intake valve (11) and the 1st exhaust valve (13) are controlled by a camshaft rotating synchronously with the crankshaft. The 2nd inlet valve (12) and the 2nd outlet valve (14) are controlled by a camshaft whose phase position to the crankshaft can be changed steplessly. -
3 shows the control diagram at full load. Intake and exhaust valve overlap at TDC is low and intake closes well past BDC. The intake is controlled overall by the two intake valves (11) and (12), which overlap in the range between 90° CA and 140° CA after TDC. The 1st inlet valve (11) opens at 90° CA after TDC and the 2nd inlet valve (12) closes at 140° CA after TDC. -
4 shows the conditions at idle. The control times of the 2nd inlet valve (12) and the 2nd outlet valve (14) have shifted by 100° CA in the direction of rotation, the inlet valves (11) and (12) now work synchronously and open 90° CA after TDC and the 2nd Exhaust valve (14) closes 110° CA after TDC. The control diagram shows that exhaust gas is sucked in first and then air, with the upward movement of the piston to BDC pushing some of the air out of the cylinder again. There is no reduction in compression, since the two inlet valves are closed at the same crank angle after BDC, both at full load and at idle. The examined 2-stroke gasoline engine has valves for the intake of fresh gas and exhaust gas at the upper end of the cylinder and slots for the exhaust at the lower end of the cylinder. The concurrent scavenging in the cylinder axis that this causes, the combustion gas expanding in the same direction, and the large flow cross sections at the inlet and outlet result in very low flow losses. The maximum speed is about half that of a standard 4-stroke petrol engine, Power-to-weight ratio and heat load are consequently very similar to this. Targeted operation at lower speeds leads to more favorable specific fuel consumption and significantly increases the time available for gas exchange. At intake, first exhaust gas and then fresh gas are pushed into the cylinder in a ratio to each other that corresponds to the power requirements of the engine. The introduction of exhaust gases makes throttling of the fresh gas unnecessary. The gas exchange takes place by means of the kinetic energy of the outflowing exhaust gases and possibly an additional fan. -
5 shows the control diagram at full load. The fresh gas ignited just before TDC burns and pushes the piston down until the exhaust ports (17) are released after a defined distance. If the pre-release (18) is sufficient, the pressure in the cylinder drops quickly and the fresh gas is sucked into the cylinder by the kinetic energy of the outflowing exhaust gas after the inlet valves (15) open. After exceeding BDC, the piston moves upwards again and closes the outlet slots (17). The inlet valves for the fresh gas (15) are closed with a time delay in order to allow the fresh gas to flow into the cylinder and thus improve filling. -
6 shows the control diagram at idle. Here, after the downward movement of the piston, the release of the outlet slots (17) and after the pre-outlet (18), the inlet valves for the exhaust gas (16) are first opened. After a defined amount of exhaust gas has flowed into the cylinder, the associated intake valves (16) close, after the intake valves for the fresh gas (15) were opened shortly before. The amount of fresh gas sucked in is determined by the idling operation and the sucked-in exhaust gases prevent the throttling of the fresh gases. The working cycle of a 4-stroke gasoline engine with exhaust gas intake (AGA) is used to show how it works when idling. The designated parts are: intake valve (21), exhaust valve (22), spark plug (23), piston (24), cylinder (25), connecting rod (26) and crankshaft (27). The arrow indicates the direction of rotation of the crankshaft (1), (2) is top dead center (TDC) and (3) bottom dead center (UT). - The
7 until12 show how the four bars work: -
7 : The intake (1st stroke) has started, the piston (24) is 60° CA after TDC, the inlet valve (21) has just opened, the outlet valve (22) is closed and the cylinder (25) is filled with old exhaust gas (29) filled from the previous working cycle. -
8th : Intake is complete, the piston is 20° CA after BDC, the exhaust valve (22) is closed, the intake valve (21) is open and fresh gas (28) has flowed into the upper area of the cylinder. At the bottom of the cylinder is a layer of old exhaust (29). -
9 : The piston is 90° CA after BDC and has just pushed some of the fresh gas (28) back into the intake manifold. The inlet valve closes at approx. 100° CA after BDC and compression (2nd stroke) begins. -
10 : The piston is 20° CA before TDC and the fresh gas (28) is just being ignited. The exhaust gas layer (29) above the piston head is inert and does not participate in the combustion. -
11 : The fresh gas burns and does work (3rd stroke). There are two plumes of exhaust gas in the cylinder, an old one (29) above the piston crown from previous work cycles and a fresh one (30) on top that is in the process of burning off. -
12 : The piston is at 50° CA after BDC, moves up and pushes the exhaust gases out. First the fresh exhaust gas (30) is pushed out and then the old exhaust gas (29), which is sucked back into the cylinder in the first stroke of the following working cycle. This exhaust gas can be cooled via a bypass on the outlet pipe.
Die Anzahl der Ventile und die Art der Steuerung wie z.B. über eine Nockenwelle, elektromechanisch oder elektrohydraulisch muss für jeden Bautyp individuell festgelegt werden.The number of valves and the type of control, e.g. via a camshaft, electromechanically or electrohydraulically, must be determined individually for each type of construction.
Claims (10)
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| DE102022000509.3A DE102022000509A1 (en) | 2022-02-10 | 2022-02-10 | Process for improving gas exchange in internal combustion engines and internal combustion engines suitable for this |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
| R003 | Refusal decision now final |