DE3908288A1 - Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine und einrichtung zur ausfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere Viertaktbrennkraftmaschine, wobei jedem Zylinder in einem vorbestimmten Drehwinkelbereich der Kurbelwelle Gas entnommen wird, dieses Gas in einen Zwi­ schenspeicher gebracht und sodann in einem anderen Drehwinkel­ bereich dem Zylinder wieder zugeführt wird. Weiters bezieht sich die Erfindung auf eine Einrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens.

Bei bekannten Verfahren der genannten Art wird dem Zylinder in einer Phase hohen Druckes Gas entnommen und in einen Zwischen­ behälter übergeleitet. Dieses Gas wird entweder zur Einbrin­ gung des Kraftstoffes in den Brennraum (Gemischeinblasung) oder, bei direkter Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum, zur Verbesserung der Verbrennung verwendet, indem das Gas dem Einspritzstrahl nachgeblasen wird. Das Speichervolumen ist in beiden Fällen im Vergleich zum Hubvolumen im Hinblick auf die Aufgabe, die es zu erfüllen hat, verhältnismäßig klein.

Die angestrebte Realisierung hoher Aufladung und hoher Ver­ dichtung ist in vielen Fällen eine positive Maßnahme zur Ver­ besserung der Verbrennung bei Viertaktmotoren, insbesondere bei Dieselmotoren. Verbessert werden dabei, wie bekannt, ins­ besondere die Leistung, der Wirkungsgrad und das Verbrennungs­ geräusch des Motors. Die Grenzen dieser hohen Aufladung sind bekannterweise gegeben durch die festigkeitsbedingten Zylin­ derdruckmaxima und die negative Auswirkung auf die Gemischbil­ dung, unter anderem dadurch, daß ein optimales hohes Zylinder­ druckniveau während des Arbeitstaktes zu wenig lange aufrecht erhalten wird. Dies gilt auch für die obengenannten bekannten Verfahren.

Zur Verbesserung der Verbrennung bei Dieselmotoren, ins­ besondere zur Reduktion des Partikelausstoßes, ist die Zufuhr von Sauerstoff in welcher Form immer (rein, Frischluft, Luft-Verbrennungsgas-Gemisch) in der Expansionsphase des Mo­ tors eine bekannte zielführende Maßnahme.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zu hohe Zylin­ derdrücke zu vermeiden und dafür ein höheres Druckniveau im Zylinder während des Arbeitstaktes so lange als möglich auf­ recht zu erhalten und gleichzeitig durch Nachverbrennung in der Expansionsphase den Ausstoß von Schadstoffen, insbesondere Ruß, entscheidend zu vermindern.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Gas dem Zylinder während des Verdichtungs- bzw. Verbrennungstaktes entnommen und während der Expansionsphase wieder zugeführt wird. Dabei wird verhältnismäßig hoch ver­ dichtetes Gas, welches noch ausreichend Sauerstoff enthält, für die Nachverbrennung in der Expansionsphase verwendet, in­ dem es in einem Zwischenspeicher von der Verdichtungs- bzw. Verbrennungsphase bis zur Expansionsphase gespeichert wird.

Eine bevorzugte Einrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens be­ steht darin, daß der Zwischenspeicher mit einem Überströmkanal zum Zylinder von einem am Zylinderkopf der Brennkraftmaschine sitzenden Gehäuse gebildet ist und zur Steuerung des Über­ strömkanals zwei Ventile im Gehäuse vorgesehen sind, von denen das im Durchmesser größere Hauptventil federbelastet ist, sei­ nen Sitz im lnneren des Gehäuses hat und in Richtung zum Zwi­ schenspeicher öffnet, und das im Sitzdurchmesser kleinere Aus­ gleichsventil auf der Stirnfläche des Hauptventils seine Sitz­ fläche hat und in Richtung zum Zylinder öffnet. Die Einrich­ tung besteht also aus einer am Zylinderkopf angebrachten Ein­ heit, welche leicht gewartet werden kann. Eine geeignete Aus­ legung von Überströmquerschnitt, Volumen des Zwischenspeichers und Öffnungsdrücken bestimmt den Einfluß auf den Zylinder­ druckverlauf, welcher je nach Motorbetriebszustand in unter­ schiedlicher Form vorliegt.

ln weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der im Gehäuse axial gleitbare Schaft des Hauptventiles axiale Ausnehmungen aufweisen, die über eine axiale Bohrung im Schaft des Haupt­ ventiles miteinander verbunden sind und den Zwischenspeicher bilden. Auf diese Weise ergibt sich eine einfache und kompakte Bauform bei kürzest möglichen Strömungswegen.

Für den Fall, daß ein Ansprechen des Ausgleichsventil schon bei geringem Überdruck im Zwischenspeicher gegenüber dem Zy­ linderraum erwünscht ist, kann, nach einem weiteren Merkmal der Erfindung, das Ausgleichsventil ein Kugelventil sein, wo­ bei sich die beiden Sitze der Kugel an der Stirnfläche des Schaftes des Hauptventils und am Eintritt in den Überströmka­ nal zum Zylinder befinden. Dabei müssen zur Gewährleistung des Überströmens vom Zwischenspeicher in den Zylinder neben dem Sitz der Kugel am Eintritt in den Überströmkanal Durchtritts­ querschnitte frei bleiben.

Wenn das Überströmen aus dem Zwischenspeicher in den Zylinder bei einem größeren, allenfalls einstellbaren, Druck erwünscht ist, kann erfindungsgemäß das Ausgleichsventil ebenfalls fe­ derbelastet sein und dessen Schaft den im Schaft des Hauptven­ tils angeordneten Teil des Überströmkanals mit Spiel axial durchsetzen, wobei sich dessen Sitzfläche auf der Stirnfläche des Schaftes des Hauptventiles befindet und das in Richtung zum Zylinder öffnet.

Vorteilhaft ist es, wenn, nach einem weiteren Merkmal der Er­ findung, der Schaft des Hauptventils auf der seiner Sitzfläche abgewendeten Seite eine von den axialen Ausnehmungen freie Zone aufweist, mit der er im Gehäuse geführt ist und z.B. in Verbindung mit einem Kolbenring, abdichtet.

Vorteilhafterweise kann weiters der Schaft des Hauptventils anschließend an die von den axialen Ausnehmungen freie Zone einen Flansch aufweisen, der zur Abstützung der zueinander ko­ axial angeordneten das Hauptventil und das Ausgleichsventil belastenden Druckfedern dient. Von besonderem Vorteil ist da­ bei, daß die Federn aus dem Bereich mit den hohen Temperaturen herausgerückt und gut zugänglich sind.

Es kann dabei vorteilhaft die das Hauptventil belastende Druckfeder, z.B. eine Tellerfeder, an einem Deckel des Gehäu­ ses, z.B. einem auf das Gehäuse aufschraubbaren Deckel, und die das Ausgleichsventil belastende Druckfeder an einem am Schaft des Ausgleichsventils befestigten Federteller abge­ stützt sein.

Bei einer anderen Ausführung gemäß der Erfindung ist der Dec­ kel von einem im Gehäuse gleitbar und dichtend geführten Kol­ ben gebildet und seine axiale Stellung durch ein Steuerorgan, z.B. einer Nocke, bestimmt. Durch diese externe Ansteuerung ist eine gezielte Abspeicherung von verdichteter Luft in der Kompressionsphase und eine vom Zeitpunkt her optimale Zufuhr der Luft in der Expansionsphase der Brennkraftmaschine ermög­ licht.

Die Erfindung wird anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Anordnung einer erfindungsgemäßen Einrich­ tung in Ansicht,

Fig. 2 die Einrichtung in vergrößertem Maßstab im Mit­ telschnitt nach der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 ein Detail einer zweiten Ausführungsform in der Darstellung gemäß Fig. 2,

Fig. 5 eine Ansicht nach Pfeil V in Fig. 4,

Fig 6 die Darstellung des Zylinderdruckverlaufes mit und ohne die erfindungsgemäße Einrichtung,

Fig. 7 eine dritte Ausführungsform nach der Erfindung im Axialschnitt und

Fig. 8 dazu die Darstellung des Zylinderdruckverlaufes mit und ohne die erfindungsgemäße Einrichtung nach Fig. 7.

Die in Fig. 1 dargestellte Viertaktbrennkraftmaschine ist zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgerüstet. Es ist der Zylinder mit 1, der Kolben mit 2 und der Zylinderkopf mit 3 bezeichnet. Der Ladungswechsel des Zylinderraumes 4 er­ folgt über den durch das Einlaßventil 5 gesteuerten Einlaß­ kanal 6 bzw. über den Auslaßkanal 7, welcher durch das Auslaß­ ventil 8 gesteuert wird. Die in den Zylinderkopf 3 einge­ schraubte Einrichtung zur Ausübung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ist generell mit 9 bezeichnet. Der lnnenraum dieser Einrichtung ist in noch näher zu beschreibender Weise als Zwi­ schenbehälter ausgebildet, der über den Überströmkanal 10 mit dem Brennraum 4 in gesteuerter Verbindung steht.

Die erfindungsgemäße Einrichtung 9 ist in Fig. 2 und 3 in ver­ größertem Maßstab dargestellt. Sie besteht aus einem Ge­ häuse 11, welches in den Zylinderkopf 3 mit Hilfe des Gewin­ deansatzes 12 einschraubbar ist. Das Gehäuse 11 weist einen Deckel 13 auf, der auf dieses unter Zwischenlage der Dich­ tung 14 aufgeschraubt ist. Im Gehäuse 11 befindet sich das Hauptventil 15 sowie koaxial dazu das Ausgleichsventil 16. Das Hauptventil 15 weist einen zylindrischen Schaft 18 auf, der über den größten Teil seiner Länge mit axialen Ausnehmungen 19 versehen ist, die miteinander über den zentralen Überströmka­ nal 20 in Verbindung stehen und das Volumen des Zwischenspei­ chers 21 bilden. An seinem unteren Ende weist der zylindrische Schaft 18 eine etwa kegelförmige Sitzfläche 22 auf, die mit einer entsprechenden Gegenfläche am Gewindeansatz 12 des Ge­ häuses 11 zusammenarbeitet. Der obere von axialen Ausnehmun­ gen 19 freie Teil des zylindrischen Schaftes 18 ist mit 18′ bezeichnet und dient zur Führung des zylindrischen Schaftes 18 in der Bohrung 17. Zur Abdichtung ist an dieser Stelle ein Kolbenring 23 angeordnet.

Die von axialen Ausnehmungen 19 freie Zone 18′ des zylin­ drischen Schaftes 18 weist anschließend einen Flansch 24 auf, der zur Abstützung der zueinander koaxial angeordneten das Hauptventil 15 und das Ausgleichsventil 16 belastenden Druck­ federn 25 bzw. 26 auf, von welchen die erstere als Tellerfeder ausgebildet ist. Diese Druckfeder 25 stützt sich an der oberen Seite am Deckel 13 ab. Der zylindrische Schaft 27 des Aus­ gleichsventils 16 durchsetzt den Überströmkanal 20 in seiner Längsrichtung und weist an seinem dem Überströmkanal 10 zuge­ kehrten Ende einen Kopf 28 auf, der anschließend an den Schaft 27 eine kegelige Sitzfläche 30 aufweist, welche mit ei­ ner entsprechenden Gegenfläche am unteren Teil des zylindri­ schen Schaftes 18 des Hauptventils 15 zusammenarbeitet. Der zylindrische Schaft 27 weist ferner in seinem oberen Teil einen Federteller 29 auf, gegen welchen sich die Druckfeder 26 abstützt, die andererseits in eine zentrale Ausnehmung 31 im Flansch 24 eingesetzt ist.

Eine Ausführungsvariante der Einrichtung ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Dabei ist das Ausgleichsventil durch die vor­ zugsweise aus feuerfestem Keramikmaterial bestehende Kugel 32 gebildet, die mit der kegeligen Sitzfläche 30 am unteren Teil des zylindrischen Schaftes 18 zusammenarbeitet. In der ge­ zeichneten Stellung liegt die Kugel 32 an der Mündungsstelle des Überströmkanals 10 auf, wobei jedoch der Übertritt von Gas aus dem Zwischenspeicher 21 in den Zylinderraum 4 durch Nu­ ten 33 im Überströmkanal 10 gewährleistet ist.

Die Wirkungsweise der Einrichtung nach Fig. 2 und 3 ist fol­ gende: Die Ventilanordnung mit integriertem Zwischenspei­ cher 21 zweigt aus dem Zylinderraum 4 über den als Drosselboh­ rung wirkenden Überströmkanal 10 verdichtete Luft plus Teil­ verbranntes während des Verdichtungs- bzw. Verbrennungstaktes ab, wobei das Hauptventil 15 gegen die Druckfeder 25 angehoben wird. ln der Expansionsphase wird das gespeicherte Gas wieder in den Zylinderraum 10 geleitet, wobei das Ausgleichsventil 16 durch den Überdruck im Zwischenspeicher 21 gegenüber dem Druck im Zylinderraum 4 angehoben wird. Eine geeignete Auslegung von Überströmquerschnitt, Speichervolumen und Öffnungsdrücken, welche durch die Druckfedern 25 und 26 bestimmt werden, erge­ ben den Einfluß auf den Zylinderdruckverlauf, welcher je nach Motorbetriebszustand verschieden ist.

In Fig. 6 ist der Zylinderdruckverlauf mit und ohne die erfin­ dungsgemäße Einrichtung vergleichsweise dargestellt. Die voll gezogene Linie 34 stellt den Druckverlauf im Zylinder für eine konventionelle Brennkraftmaschine dar, wogegen die strichliert gezeichnete Linie 35 den Druckverlauf darstellt, wie er sich bei dieser Brennkraftmaschine bei Einsatz der er­ findungsgemäßen Einrichtung einstellt. Ziel war dabei, den vorgegebenen Zylinderdruck Pmax _soll angenähert zu erreichen, jedenfalls nicht wesentlich zu überschreiten.

Die Ausführung nach Fig. 7 unterscheidet sich von jener nach den Fig. 2 und 3 hauptsächlich dadurch, daß das Gehäuse 36 einen zylindrischen Ansatz am Zylinderkopf 3 darstellt und der Deckel von einem Kolben 37 gebildet ist, der an der zylindri­ schen Innenfläche 38 gleiten kann. Der Speicherraum 21 ist durch mindestens einen Kolbenring 39 nach außen abgedichtet. Es ist eine externe Steuereinheit vorgesehen, welche hier als Nocke 40 dargestellt ist, die auf den Kolben 37 kraftschlüssig einwirkt.

Diese Ausbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung bezweckt, ausschließlich den positiven Effekt der Nachverbrennung durch Zufuhr von möglichst reiner verdichteter Luft in der Expansi­ onsphase der Verbrennung auszunützen. Die externe Steuerein­ heit (Nocke 40) blockiert zum geeigneten Zeitpunkt, also knapp vor Ende der Verdichtung und vor Beginn der Verbrennung über den Kolben 37 das Hauptventil 15. Mit einer durch die Feder 26 bestimmten zeitlichen Verzögerung erfolgt wiederum bei Vorlie­ gen eines entsprechenden Druckgefälles in der Expansionsphase, der Druckausgleich zwischen Speicherraum 21 und Zylinderraum 4 über das Ausgleichsventil 16.

In Fig. 8 sind über °KW die Druckverläufe im Zylinder P _zyl vergleichsweise bei einer konventionellen Brennkraftmaschine (voll ausgezogene Linie 41) und derselben Brennkraftmaschine ausgerüstet mit der erfindungsgemäßen Einrichtung, (gestri­ chelt ausgezogene Linie 42). In dem mit 43 bezeichneten Be­ reich erfolgt das Abspeichern und in dem mit 44 bezeichneten Bereich wird das Gas aus dem Zwischenspeicher dem Zylinderraum wieder zugeführt. Die gestrichelte Linie zeigt die gewünschte Zylinderdruckveränderung, welche durch geeignete Abstimmung der Nocke 40 und der Ventile bzw. deren Belastungsfedern er­ reicht werden kann.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbeson­ dere Viertaktbrennkraftmaschine, wobei jedem Zylinder in einem vorbestimmten Drehwinkelbereich der Kurbelwelle Gas entnommen wird, dieses Gas in einen Zwischenspeicher ge­ bracht und sodann in einem anderen Drehwinkelbereich dem Zylinder wieder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas dem Zylinder während des Verdichtungs- bzw. Verbrennungstaktes entnommen und während der Expansions­ phase wieder zugeführt wird.

2. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenspeicher (21) mit einem Überströmkanal (10) zum Zylinder (1) von einem am Zylinderkopf (3) der Brennkraftmaschine sitzenden Ge­ häuse (11, 36) gebildet ist und zur Steuerung des Über­ strömkanals (10) zwei Ventile (15, 16) im Gehäuse (11, 36) vorgesehen sind, von denen das im Durchmesser größere Hauptventil (15) federbelastet ist, seinen Sitz (22) im Inneren des Gehäuses hat und in Richtung zum Zwischen­ speicher (21) öffnet, und das im Sitzdurchmesser kleinere Ausgleichsventil (16) auf der Stirnfläche des Hauptven­ tils (15) seine Sitzfläche (30) hat und in Richtung zum Zylinder (1) öffnet.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der im Gehäuse (11, 36) axial gleitbare Schaft (18) des Hauptventiles (15) axiale Ausnehmun­ gen (19) aufweist, die über eine axiale Bohrung (20) im Schaft (18) des Hauptventiles (15) miteinander verbunden sind und den Zwischenspeicher (21) bilden.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Ausgleichsventil (16) ein Kugelventil ist, wobei sich die beiden Sitze der Kugel (32) an der Stirn­ fläche des Schaftes (18) des Hauptventiles (15) und am Eintritt in den Überströmkanal (10) zum Zylinder befinden.

5. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Ausgleichsventil (16) ebenfalls federbelastet ist und dessen Schaft (27) den im Schaft (18) des Hauptventiles (15) angeordneten Teil des Überströmkana­ les (20) mit Spiel axial durchsetzt, dessen Sitzflä­ che (30) sich auf der Stirnfläche des Schaftes (18) des Hauptventiles (15) befindet und das in Richtung zum Zy­ linder (1) öffnet.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schaft (18) des Hauptventiles (15) auf der seiner Sitzfläche (22) angewendeten Seite eine von den axialen Ausnehmungen (19) freie Zone (18′) aufweist, mit der er im Gehäuse (11) geführt ist und z.B. in Verbin­ dung mit einem Kolbenring (23), abdichtet.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schaft (18) des Hauptventiles (15) anschließend an die von den axialen Ausnehmungen (19) freie Zone (18′) einen Flansch (24) aufweist, der zur Ab­ stützung der zueinander koaxial angeordneten das Haupt­ ventil (15) und das Ausgleichsventil (16) belastenden Druckfedern (25, 26) dient.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die das Hauptventil (15) belastende Druckfeder (25), z.B. eine Tellerfeder, an einem Deckel des Gehäuses (11), z.B. einem auf das Gehäuse (11) aufschraubbaren Deckel (13), und die das Ausgleichsventil (16) belastende Druck­ feder (26) an einem am Schaft (27) des Ausgleichsven­ tils (16) befestigten Federteller (29) abgestützt sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel von einem im Gehäuse (36) gleitbar und dichtend geführten Kolben (37) gebildet ist und seine axiale Stel­ lung durch ein Steuerorgan, z.B. einer Nocke (40), be­ stimmt wird.