DE102012002566A1

DE102012002566A1 - Wärmekraftmaschine mit Verbrennungslufteinblasung

Info

Publication number: DE102012002566A1
Application number: DE201210002566
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-06
Filing date: 2012-02-06
Publication date: 2013-08-08

Abstract

Bei einem konventionellen Motor mit konstanten Verdichtungsverhältnis wird bei Füllungsverminderung z. B. im Leerlauf und unterem Teillastbereich Verdichtungsenddruck herabgesetzt. Der Verdichtungsenddruck ist unter anderem entscheidend für den Wirkungsgrad des Motors. Die Füllung eines Zylinders verschlechtert sich ebenfalls durch den Strömungswiderstand der Drosselklappe und abnehmenden Ventilöffnungszeiten bei höheren Drehzahlen sowie fallender Luftdruck bei Gebirgsfahrten. Das Vorhandensein der Leertakte beim Viertaktmotor soll hier nicht als Nachteil unerwähnt bleiben. Das neue Arbeitsverfahren vermeidet Füllungsverminderung vom Leerlauf bis in den Volllastbereich. Die Druckluftinjektoren ersetzen die Drosselklappe sowie die Einlassventile, wodurch auch deren Strömungswiderstände aufgehoben werden. Mit diesen Arbeitsverfahren soll auch das Anlassen des Motors ohne einen elektrisch betriebenen Anlasser erfolgen. Durch Veränderung des Füllungsgrades wird eine variable Verdichtung realisiert, bei Beibehaltung der Motorgeometrie. Durch den Wegfall der Drosselklappe, des Ansaugkrümmers und der Einlassventile sowie die dafür erfolgte Anordnung eines Druckluftinjektor je Zylinder entsteht ein völlig neuer Motortyp. Über diesen Druckluftinjektor erhält der Zylinder seine gesamte Verbrennungsluft. Die Verbrennungslufteinblasung findet im Ladungswechseltakt vor dem Arbeitstakt statt. Der Kolben bewegt sich dabei vom unteren zum oberen Totpunkt. Die restlichen Abgase werden von der einströmenden Verbrennungsluft ausgespült. Dabei gilt: Je später Verbrennungsluft in den Ladungswechseltakt eingeblasen wird, je höher liegt der Speicherdruck (wegen fehlender oder aussetzender Frühverdichtung). Mit Frühverdichtung ist der beginnende Teil der Restverdichtung im Ladungswechseltakt gemeint. Dieser Motortyp eignet sich aufgrund seiner Eigenschaften überall dort, wo zur Zeit Viertakt Otto- und Dieselmotoren eingesetzt werden.

Description

Bei einem Vergleich des Kolbenmotors mit der Gasturbine stellt man fest, dass die Vorgänge im Kolbenmotor nacheinander im selben Raum ablaufen, während sie bei einer Gasturbine gleichzeitig an verschiedenen Stellen des Triebwerkes stattfinden. Bei der Gasturbine wird im Gegensatz zum Kolbenmotor mit kontinuierlicher Verbrennung gearbeitet. Dies führt zu einer besseren Nutzung und damit zu einer kleineren Leistungsmasse der Gasturbine. Durch die Kombination der Eigenschaften eines Verdichters einer Gasturbine mit einem Kolbenmotor entfallen bei einem Viertaktmotor die beiden Takte Ansaugen und Verdichten. Das entspricht einer 360°-Drehung der Kurbelwelle und der Wegfall der Reibleistung von Kurbeltrieb und Einlassventilsteuerung sowie geminderte Wärmeverluste. Die Nachteile wie beispielsweise die Abnahme des Drehmomentes bei niedrigen oder höheren Drehzahlen, verursacht durch fehlende Gasdynamik bzw. Verkürzung der Einströmzeiten, sowie Spülverluste entfallen. Grund genug das nun ca. 140 Jahre alte Arbeitsverfahren zu überdenken. Im Folgenden wird ein Motor beschrieben, der nach seinen Arbeitsverfahren als Zweitaktmotor eingestuft werden kann.
Der Zweitaktmotor benötigt für ein Arbeitsspiel zwei Kolbenhübe bzw. eine Kurbelwellenumdrehung. Ein Arbeitsspiel beschreibt die Bewegung des Kolbens vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT) und umgekehrt. Das neue daran, bei diesem Motor wird die gesamte Verbrennungsluft unter Druck mittels einem Druckluftinjektor in den Zylinder eingeblasen. Der Einblasvorgang erfolgt in den optimierten Auslasstakt. Der ursprüngliche Auslasstakt wird zum Ladungswechseltakt. Aufgrund des geänderten Übersetzungsverhältnisses, Kurbelwelle-Auslassnockenwelle, von 2-1 auf nun 1-1 passen sich die Auslasssteuerzeiten diesem Arbeitsverfahren an. Durch das positive Spülgefälle (steigender Zylinderinnendruck höher als Abgasgegendruck) wird die Ladungswechselarbeit wesentlich erleichtert. Die Entkoppelung des Ansaug- und Verdichtungstaktes vom Arbeitsverfahren ist charakterisierend für diesen Motor. Über den gesamten Betriebsbereich, vom Leerlauf bis zur Volllast, arbeitet er als aufgeladenen Motor. Bislang lief ein herkömmlich aufgeladene Motor im Leerlauf- und unteren Teillastbereich im Saugbetrieb. Das System gleicht vom Aufbau her der Common-Rail-Einspritzung.
Ein Luftverdichter befüllt während des Betriebes einen Druckluftspeicher. Der Druckluftspeicher ersetzt den Ansaugkrümmer. Die Druckluftinjektoren sind entweder direkt oder indirekt über Rohrleitungen mit dem Druckluftspeicher verbunden. Die Druckluftinjektoren ersetzen die Einlassventile und werden elektromagnetisch betrieben sowie vom Motorsteuergerät angesteuert. Hierfür ist ein eigenes Kennfeld hinterlegt. Durch einen Druckluftinjektor mit variabler Düse können unterschiedliche Zylinderdrücke in verschiedenen Lastbereichen gefahren werden. Dies kommt einer vorher variablen Verdichtung gleich. Durch die mit Druck und hoher Geschwindigkeit an dem Druckluftinjektor austretende Luft wird der Umgebung viel Wärme entzogen, was die innere Kühlung verbessert und wodurch die Klopfneigung (bei Benzinbetrieb) abnimmt.
Der Motor mit Verbrennungslufteinblasung hat folgende Merkmale:

– Betrieb mit Benzin, Gas und Diesel
– Innere Gemischbildung Während des Ladungswechseltaktes gelangt das Abgas vom Zylinder in den Abgaskrümmer und Verbrennungsluft über den Druckluftinjektor in den Zylinder. Das Kraftstoffluftgemisch wird durch Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder während des Ladungswechseltaktes gebildet.
– Gleichraumverbrennung bei Benzin und Gasbetrieb
– Gleichdruckverbrennung bei Dieselbetrieb
– Quantitätsregelung Die Menge der Verbrennungsluft regelt nicht mehr die Drosselklappe, sondern die zeitliche Ansteuerung der Druckluftinjektoren sowie deren Öffnungsquerschnitt. (Abweichung vom Ottomotor)
– Qualitätsregelung Die Menge des eingespritzten Kraftstoffes wird durch die Ansteuerzeit der Einspritzventile verändert (wie beim Dieselmotor).
– Druckluftinjektoren als Ersatz für Einlassventil
– Druckluftspeicher mit Sensoren
– Motorsteuergerät mit Verbrennungsluftkennfeld
– Zylinderkopf mit drei Auslassventilen (Regelfall)
– Abgasturbolader mit zusätzlichen Axialverdichter
– Mehrstufiger Abgasturbolader
– Abgasturbolader mit Elektroantrieb

1. Arbeitsweise des Verbrennungsmotors mit Verbrennungslufteinblasung-Benzinbetrieb
Ladungswechseltakt:
Das Auslassventil öffnet ca. 40–90° vor UT. Durch den am Ende des Arbeitstaktes noch vorhandenen Verbrennungsrestdruckes von 3–5 bar puffen die bis zu 900°C heißen Abgase mit Schallgeschwindigkeit aus dem Zylinder. Im Bereich des unteren Totpunktes öffnet der Druckluftinjektor und bläst einen kurzen aber kräftigen Spülluftstrom abwärtsgerichtet zum Kolbenboden, durch dessen Form er umgelenkt und in Richtung Auslassventil geführt wird. Das Auslassventil schließt ca. 20–40°KW nach UT. Beim jetzt aufwärts gehenden Kolben öffnet der Druckluftinjektor ein zweites Mal und füllt den Zylinder mit nur soviel Verbrennungsluft, dass sich je nach Drehzahl und Drehmoment ein zündfähiges Gemisch von fett über stöchiometrisch bis mager einstellt. Nach dem Schließen des Druckluftinjektors wird in den entstandenen Luftwirbel Kraftstoff fein zerstäubt eingespritzt. Das sich dann bildende Kraftstoffluftgemisch wird mittels Funke je nach Drehzahl 0–40°KW (Kurbelwinkel) vor OT entflammt. Die Ansteuerung des Druckluftinjektors wird bei immer höheren Drehzahlen und damit immer kürzer werdenden Zeitspannen bis hin zu einer Ansteuerung verschoben. Der Spülluftstrom geht dann durch Schließen des Auslassventils in den Füllluftstrom über.
Arbeitstakt:
Die Verbrennung wird durch das Überspringen des Zündfunkens an den Elektroden der Zündkerze eingeleitet. Die Expansion der bis 2500°C heißen Gase treibt den Kolben zum unteren Totpunkt, die Wärmeenergie wird in mechanische Energie umgewandelt. Der Verbrennungshöchstdruck von 30–60 bar steht 4–10°KW nach OT zur Verfügung.
1.1. Anlassvorgang beim Motor mit Benzinbetrieb (Mehrzylindermotor)
Nach dem Einschalten der Zündung läuft ein Elektromotor an, der z. B. einen zweistufigen Axialverdichter antreibt. Der Axialverdichter sitzt unmittelbar vor dem Radialverdichter eines Abgasturboladers und kann über eine Freilaufkupplung mit ihm gekoppelt werden. Dieser Axialverdichter fördert jetzt einige Sekunden lang Verbrennungsluft in den Druckluftspeicher bis hin zur Stopfgrenze. Über den Druckluftsensor am Speicher erkennt das Motorsteuergerät den vorprogrammierten Wert (Soll-Ist-Vergleich), steuert den entsprechenden Druckluftinjektor (Kolben im Arbeitstakt) an, misst den Kraftstoff zu und löst die Zündung aus. Der vor dem Turbolader angeordnete, eventuell mehrstufige, Verdichter wird immer dann zugeschalten, wenn der Druck im Druckluftspeicher einen bestimmten Wert unterschreitet. Das wird in der Regel im Leerlauf bei nicht ausreichenden Abgasvolumenstrom zum Beispiel der Fall sein. Die Kurbelwellenstellung muss vor dem Neustart so getroffen werden, dass der Kolben im Arbeitstakt den höchsten Verbrennungsdruck vor oder mit dem Tangieren der Pleuelstange hat.
2. Arbeitsweise des Verbrennungsmotors mit Verbrennungslufteinblasung-Dieselbetrieb
Arbeitstakt:
Die Verbrennung wird durch das Erreichen der Selbstzündungstemperatur des Dieselkraftstoffes in der hochverdichteten Luft ausgelöst. Durch den hohen Verbrennungsdruck von bis zu 160 bar bewegt sich der Kolben nach UT. Dabei wird Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgewandelt.
Ladungswechseltakt:
Das Auslassventil öffnet 30–60° vor UT. Durch den am Ende des Arbeitstaktes noch vorhandenen Druck von 4–6 bar puffen die 550–750°C heißen Abgase aus dem Zylinder. im Bereich des unteren Totpunktes öffnet der Druckluftinjektor und blast einen kurzen aber kräftigen Spülluftstrom abwärtsgerichtet zum Kolbenboden, durch dessen spezielle Form er umgelenkt und in Richtung Auslassventil geführt wird. Das Auslassventil schließt 20–40°KW nach UT. Beim jetzt aufwärts gehenden Kolben öffnet der Druckluftinjektor ein zweites Mal und füllt den Zylinder mit Verbrennungsluft. Beim jetzt geschlossenem Druckluftinjektor wird die eingeschlossene Verbrennungsluft durch den aufwärts gehenden Kolben nach verdichtet. Die Ansteuerung des Druckluftinjektors wird bei immer höheren Drehzahlen und damit immer kürzer werdenden Zeitspannen bis hin zu einer Ansteuerung verschoben. Oder anders gesagt, der Spülluftstrom geht durch Schließen des Auslassventils in den Füllluftstrom über. Kurz vor dem oberen Totpunkt wird die Luft auf den 14–24. Teils des ursprünglichen Zylinderraumes nach verdichtet. Dabei erwärmt sich die Luft auf 600–900°C. Da sich die Luft bei der hohen Temperatur und Kolbenstellung unmittelbar vor OT nicht ausdehnen kann, steigt der Verdichtungsdruck auf das Doppelte (30–55 bar) an. Etwa 15–30°KW vor OT wird Dieselkraftstoff unter hohem Druck fein zerstäubt eingespritzt. In der heißen Luft verdampft der Kraftstoff und vermischt sich mit der Luft. Da die Temperatur der verdichteten Luft höher als die Selbstentzündungstemperatur des Dieselkraftstoffes von 320–380°C ist, wird die Verbrennung ausgelöst. Die Gemischbildung dauert dabei über den Brennbeginn hinaus an.
2.1. Anlassvorgang beim Motor mit Dieselbetrieb (Mehrzylindermotor)
Nach dem Abstellen des Motors pendelt die Kurbelwelle aus. Der Kolben vom Zylinder mit Ladungswechseltakt und Schließen des Auslassventils kommt auf ca. 2/3 bis 3/4 der Hubhöhe durch die nun entstehende Verdichtungsarbeit zum Stehen. Der Kolben vom Zylinder mit Arbeitstakt befände sich 1/3 bis 1/4 vor dem unteren Totpunkt. Bei einem Neustart wäre diese Konstellation denkbar ungünstig. Deshalb muss die Kurbelwellenstellung entweder schon beim Abstellen des Motors oder beim Neustart so getroffen werden, dass der Kolben vom Zylinder mit Arbeitstakt unmittelbar nach dem oberen Totpunkt zum stehen kommt. Babel kann die Fixierung der Kurbelwelle entweder mit programmiertere Verbrennungslufteinblasung oder beim Abstellvorgang über ein Rastergetriebe erfolgen. Der nun für einen Neustart optimal stehende Kolben im Zylinder mit Arbeitstakt könnte beim jetzt einsetzenden Arbeitsverfahren genügend Kraft auf die Kurbelwelle ausüben und ein Drehmoment erzeugen. Die eingeblasene Verbrennungsluft würde sich in diesen geringen Volumen durch die Glühkerze schnell auf Selbstentzündungstemperatur erhitzen und eine Zündung des eingespritzten Dieselkraftstoffes sicherstellen.

Claims

Wärmekraftmaschine mit Verbrennungslufteinblasung mittels Druckluftinjektor.
Druckluftspeicher für Zylinderbefüllung.
Verbrennungsluftkennfeld im Motorsteuergerät.
Spülluftstrom zwecks Abgasrestentleerung.
Füllluftstrom zwecks Zylinderfüllung.
Ladungswechseltakt (kombinierter Auslasstakt mit Restverdichtungstakt).
Aufgeladener Motor auch im Leerlauf- und unteren Teillastbereich bis hin zum Volllastbereich.
Variable Verdichtung beruhend auf unterschiedlichen Füllungsgrad bei konstanten Zylindervolumen durch variable Ansteuerungszeiten der Druckluftinjektoren und variablen Öffnungsquerschnitten.
Arbeitsverfahren bestehend aus Ladungswechseltakt mit Verbrennungslufteinblasung und konventioneller Kraftstoffeinspritzung sowie Zündauslösung mittels Zündkerze und darauffolgenden Arbeitstakt (Benzinbetrieb).
Arbeitsverfahren bestehend aus Ladungswechseltakt mit Verbrennungslufteinblasung und konventioneller Kraftstoffeinspritzung mit hoher Restverdichtung und dadurch Zündauslösung (Dieselbetrieb) sowie darauffolgenden Arbeitstakt.
Anlassfunktion: mit Einleitung des Arbeitsverfahrens.
Quantitätsregelung bei Benzin- und Gasbetrieb durch variable Ansteuerzeiten der Druckluftinjektoren und gegebenenfalls variablen Öffnungsquerschnitt.
Aufladung mit Abgasturbolader (ein- oder mehrstufig) sowie Elektroantrieb oder mechanischer Lader, beides in Verbindung mit Verbrennungslufteinblasung.