DE19757407A1

DE19757407A1 - Energierückgewinnung während des Bremsvorganges bei Kraftfahrzeugen mit nockenwellenlosen Brennkraftmotoren mit optimierter Ventil-Einzel- oder -Gruppensteuerung

Info

Publication number: DE19757407A1
Application number: DE19757407A
Authority: DE
Inventors: Albrecht Dr Med Guenther
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-12-16
Filing date: 1997-12-16
Publication date: 1998-07-09
Anticipated expiration: 2017-12-17
Also published as: DE19757407C2

Description

Energierückgewinnung während des Bremsvorganges bei Kraftfahrzeugen mit nockenwellen losen Brennkraftmotoren mit optimierter Ventil-Einzel- oder -Gruppensteuerung.

Bisher erfolgt die Beladung und Entsorgung der Zylinder beim Viertakt-Kolbenhubmotor bekanntlich durch Ventile, die über eine oder mehrere Nockenwellen in einem konstruktionsbedingt festen Verhältnis zur Stellung von Kurbelwelle und Kolben geöffnet und geschlossen werden. Motoren mit elektronisch gesteuerter Öffnungs- und Schließfunktion, bei denen die Nockenwelle und weitere mechanische Übertragungselemente, Stößel und eventuell Kipphebel, entfallen, befinden sich in der Entwicklung. Zeitpunkt und Qualität der Ventilfunktion können damit drehzahl- und leistungsgerecht optimiert werden.

Der Einsatz des Motors zum Bremsen eines Fahrzeugs erfolgt heute, indem eine höhere Drehzahl, als sie der zugeführten Leerlaufmenge an Luft und Brennstoff entspricht, passiv über die Antriebsräder und das Getriebe herbeigeführt wird (Schubbetrieb). Dadurch wird kinetische oder Schwerkraft-Energie verbraucht. - Seit vielen Jahren wird dabei auch das Prinzip der "Motorbremse" bei Omnibussen und Lastkraftwagen angewandt: Durch Veränderung der Ventilstellung - unvollständige Schließfunktion - wird ein größerer Pumpaufwand des passiv angetriebenen Motors und damit eine stärkere Bremswirkung als bei antriebsgerechter Ventil funktion herbeiführt. - Wird eine stärkere Verzögerung des Fahrzeugs erforderlich, dann wird die Bewegungs- bzw. Lagenenergie bisher ohne ökonomischen Wert durch die Bremsanlagen unter Inkaufnahme erheblichen Verschleißes in Abwärme umgewandelt.

Die Befreiung der Motorventile von der lebenslangen fixen Kopplung von Öffnung und Schließung an die Stellung der Kurbelwelle und die Bewegungsrichtung des Kolbens eröffnet neben der Optimierung der antriebsbezogenen Funktion auch neue Möglichkeiten des Einsatzes des Kolbenmotor-Prinzips für eine Rückgewinnung von Energie aus dem Abbau von kinetischer oder Schwerkraft-Energie des Fahrzeugs:
Der Motor sollte, wie heute bereits häufig verwirklicht, mit zwei Einlaßventilen pro Zylinder ausgestattet sein. Er wird über eine Veränderung der Ventilsteuerung, die ohne Nockenwelle nahezu in beliebiger Weise möglich ist, bei der Einleitung des Bremsvorganges in einen Kompressor umgewandelt:
Die Kraftstoffeinspritzung wird unterbrochen. Nach etwa 2 Kurbelwellenumdrehungen zur Spülung der Zylinderräume werden die Auslaßventile geschlossen und die beiden Einlaßventile derart umgesteuert, daß durch eines Frischluft angesaugt und durch das andere komprimierte Luft abgegeben wird.

Zugleich werden die Ventile doppelt so häufig angesteuert, so daß das Viertaktmotor- Prinzip vorübergehend aufgegeben wird und das Aggregat nunmehr als Kompressor mit Effektivität bei jedem Kolbenhub arbeitet.

Diese Umsteuerung erfolgt durch Impulse bei der Anfangsbewegung des Bremspe dals - am besten progressiv zur Dosierung der geforderten Verzögerung. Sie wird bei Bremsvorgängen des Fahrzeugs während der Leerlaufstellung des Schaltgetriebes blockiert sowie kurz vor dem Stillstand der Kurbelwelle aufgehoben.

Der Dieselmotor arbeitet bei dieser Steuerung wegen des kleineren Verbrennungsraumes, entsprechend der höheren Verdichtung, effektiver als der Ottomotor.

Die erzeugte Druckluft wird einem Druckspeicher zugeführt. Die notwendige und sinnvolle Kapazität des Behältersystems ergibt sich aus dem Hubraum des Motors und dem Optimum der gespeicherten Druckluftmenge in Bezug auf ihre spätere Verwendung, Überschüsse werden abgeblasen und der Schalldämpfung im Abgassystem zugeführt. Da der so umgesteuerte Motor hierbei Saug- und Kompressionsarbeit in viel höherem Maße leisten muß, ist die Bremswirkung wesentlich stärker als beim bisherigen langsamen Auslauf eines Fahrzeugs mit konventioneller Steuerung der Ventile. Gleichwohl bleibt diese Funktion ohne Betätigung des Bremspedals erhalten und ermöglicht ggf. die bisherige Anpassung der Fahrgeschwindigkeit an den aktuellen Verkehrsfluß.

Reicht die Bremswirkung bei stärker notwendiger Verzögerung nicht aus, so setzt nach circa 20 mm Bremspedalbewegung, etwa nach einem leichten Druckpunkt, die Wirkung der üblichen Fahrzeugbremsen ein, um eine Voll- oder Notbremsung zu ermöglichen. Der Motor arbeitet währenddessen weiterhin gleichzeitig energiespeichernd als Kompressor.

Die gespeicherte Druckluft wird bei der anschließenden Beschleunigung des Fahrzeugs eingesetzt, indem sie zur Aufladung des Motors bereits aus der Leerdrehzahl heraus dient. Je nach Fahrweise ist ein ökonomie- oder ein leistungsbezogener Einsatz der Speicherenergie möglich. Darüber hinaus ist der Betrieb weiterer pneumo-mechanischer Systeme im Fahrzeug mit der aufgebauten Druckluft, etwa Servolenkung oder -bremse, zumindest unterstützend, sowie ein weiterer Einsatz unter Entlastung des Generator-Batterie-Systems möglich.

Der technische Aufwand für eine solche Einrichtung, wenn man erst einmal einen nockenwellenlosen Motor betreibt, ist sehr gering, ebenso wie das dadurch bedingte Mehrgewicht: Die entsprechende Differenzierung der Ventilsteuerungseinheit erfolgt nahezu gewichtsneutral. Zusätzliche, gering mechanisch bewegte Teile sind lediglich steuernde und regelnde Elemente im Ansaug- und Druckluftsystem. Sie sind marktgängig oder leicht für die speziellen Belange zu entwickeln. Ein gewisses Mehrgewicht bringen der Druckspeicher, der den räumlichen Gegebenheiten des Fahrzeugs angepaßt werden kann, ggf. auch in Einzelelementen, und die erforderlichen Rohrleitungen. Die Gewichtsbelastung dürfte jedoch kaum die bisherige für die mechanischen Steuerelemente der Motorventile erreichen oder übersteigen.

Der Hauptvorteil der vorgeschlagenen Bau- und Steuerungsweise liegt in der Verfügbarkeit eines multivalenten Energiedepots in Form von komprimierter Luft, dessen Aufbau unmittelbar unter Entlastung des Bremssystems durch einen geradezu lächerlich geringen technischen Aufwand in Sekundenbruchteilen eingeleitet und ebenso schnell unterbrochen werden kann. Er erfolgt auch immer nur dann, wenn überschüssige, bisher vernichtete Energie anfällt. Dem Prinzip des Kolbenmotors ist mit Hilfe frei wählbarer Ventil- Aktivitäten diese Rolle nach über hundertjähriger Entwicklung sprunghaft zugefallen.

Insbesondere bei Stadt- und Landstraßenfahrten mit häufigerem Geschwindigkeitswechsel, immer dann, wenn die konventionelle "Gas-weg-Funktion" nicht ausreicht, ergeben sich die Vorteile dieser Energierückgewinnung bei deutlich vermindertem Bremsenverschleiß.

Die Speicherung und Verwertung der gewonnenen Druckluft kann dem Stande der Technik entsprechend gestaltet werden.

Eine Verführung zu umweltbelastender Fahrweise mit bewußt vermehrter Inanspruchnahme der Bremsfunktion ist durch Anwendung dieses Prinzips nicht gegeben, da die im Gesamtsystem vorhandene Energie naturgemäß auch weiterhin im Kraftstofftank sinnvoller gespeichert ist als in Druckluft, die unter Inanspruchnahme der ersteren erzeugt wird.

Claims

Es handelt sich um
Energie-Rückgewinnung während des Bremsvorganges bei Fahrzeugen mit nockenwellenlosen Brennkraftmotoren mit optimierter Ventil- Einzel- oder -Gruppensteuerung,
dadurch gekennzeichnet,
- 1. daß bei Einleitung des Bremsvorganges die Einlaßventile bei gleichzeitiger Stillegung des/der Auslaßventile(s) und der Kraftstoffeinspritzdüsen derart umgesteuert werden,
  daß der durch kinetische oder Schwerkraft-Energie passiv bewegte Motor als Kompressor arbeitet und dadurch die Speicherung von Druckluft ermöglicht als Energie, die bisher mit Hilfe des Bremssystems quantitativ in Abwärme verwandelt wurde,
  ferner dadurch gekennzeichnet,
- 2. daß die Umsteuerung des Motors durch die Anfangsbewegung des Bremspedales erfolgt, zur Dosierung der Bremsleistung progressiv, bei niedriger Umdrehungszahl der Kurbelwelle aufgehoben wird und in Leerlaufstellung des Schaltgetriebes unterbleibt,
  ferner dadurch gekennzeichnet,
- 3. daß durch die Ventil-Umsteuerung der Viertaktmotor in einen bei jedem Kolbenhub arbeitenden Kompressor umgewandelt wird,
  und schließlich dadurch gekennzeichnet,
- 4. daß bei Umstellung auf die Kompressorfunktion je nach Erfordernis eine geringe, angemessene Anzahl von Kolbenhüben (1-2) ohne Kraftstoffeinspritzung zur Spülung der Zylinderräume vorgeschaltet wird.