[0001] Die Erfindung betrifft eine mengengeregelte Brennkraftmaschine mit den Merkmalen
aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
[0002] Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 30 00 145 A1, von der diese Erfindung ausgeht, ist eine Vorrichtung zur Aufladung einer Brennkraftmaschine
bekannt, insbesondere eines Viertakt-Ottomotors, dessen Einlassseite von einem vorgeschalteten,
mit der Auslassseite der Brennkraftmaschine in Wirkverbindung stehenden Druckerhöher
(Ladersystem) ein über dem Atmosphärendruck liegender Ladedruck zugeführt ist. Diese
Vorrichtung zur Aufladung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Lader eine modifizierte
Rotationskolbenmaschine (Trochoidenmaschine) ist, die eingangsseitig als Kompressionsmaschine
und gleichzeitig ausgangsseitig, jeweils auf die Brennkraftmaschine bezogen, als Expansionsmaschine
arbeitet, wobei die Rotationskolbenmaschine für ihren Kompressionsbereich und für
ihren Expansionsbereich über jeweils getrennte Einlass- und Auslassöffnungen verfügt
und wobei die Rotationskolbenmaschine mit der Brennkraftmaschine drehfest verbunden
ist.
[0003] Die Rotationskolbenmaschine ist stirnseitig an die Brennkraftmaschine angeordnet,
wodurch sich in nachteiliger Weise relativ lange Wege für die Ansaugluft bzw. für
das Abgas ergeben.
[0004] Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 101 16 264 A1 ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine bekannt, mit einem im Ansaugtrakt
angeordneten mechanischen Kompressor, der über eine Koppeleinrichtung über die Kurbelwelle
antreibbar ist. Bei diesem Verfahren wird Verbrennungsluft in einen Motoreinlass gefördert.
Weiterhin ist eine Einrichtung zur variablen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses
im Brennraum vorgesehen, über die im Teillastbereich der Brennkraftmaschine ein höheres
Verdichtungsverhältnis und im Volllastbereich ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis
einstellbar ist. Darüber hinaus ist der vom Kompressor zu fördernde Luftmassenstrom
variabel einstellbar, wobei im Teillastbereich unterhalb eines Referenzlastwertes
der Kompressor zur Einstellung eines Unterdrucks im Lufteinlass im Drossel- bzw. Expanderbetrieb
betrieben wird.
[0005] In der
DE 101 16 264 A1 wird jedoch nicht offenbart oder diskutiert, wie ein derartiger Kompressor, der im
Drossel- bzw. Expanderbetrieb betreibbar ist, an die Brennkraftmaschine angeordnet
werden könnte.
[0006] Weiter sind aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2009 028 086 A1 eine Rotationskolbenmaschine sowie eine Aufladeeinrichtung bekannt. Es handelt sich
um eine Rotationskolbenmaschine mit einem Gehäuse, das eine Kammer aufweist, in weicher
mindestens ein Rotationskolben exzentrisch drehbar gelagert ist, der die Kammer in
eine erste Teilkammer und eine zweite Teilkammer aufteilt. Dabei ist vorgesehen, dass
die Außenkontur des Rotationskolbens - im Querschnitt gesehen - eine zweibogige Hypotrochoide
ist. Weiterhin ist eine derartige Aufladeeinrichtung, insbesondere für den Betrieb
einer Brennkraftmaschine oder einer Brennstoffizellenanordnung beschrieben.
[0007] Diese Aufladeeinrichtung ist mit zwei Rotationskolbenmaschinen realisiert. Die erste
Rotationskolbenmaschine wird in dem dargestellten Beispiel als Verdichter und die
zweite Rotationskolbenmaschine als Expander verwendet. Die
DE 10 2009 028 086 A1 offenbart somit eine Rotationskolbenmaschine mit der ein Fluid komprimier- oder expandierbar
ist.
[0008] Aus der deutschen, noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung mit dem amtlichen
Aktenzeichen
DE 10 2011 006 388.9 ist ein Verfahren zum Betrieb einer mengengeregelten Brennkraftmaschine bekannt,
mit einem Ansaugtrakt und einem Abgasstrang, wobei in dem Ansaugtrakt in Strömungsrichtung
der Verbrennungsluft vor einem Einlassventil der Brennkraftmaschine eine Expansionsmaschine
angeordnet ist, deren Abtriebswelle mit einer Abtriebswelle der Brennkraftmaschine
oder mit einer Antriebswelle einer elektrischen Maschine koppelbar ist, wobei ein
an den Abgasstrang anordenbarer Wärmetauscher vorgesehen ist, das dadurch gekennzeichnet
ist, dass die Verbrennungsluft, bevor sie durch die Expansionsmaschine strömt, in
dem Wärmetauscher von dem Abgas der Brennkraftmaschine aufgeheizt wird.
[0009] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine
eine Gesamtgeometrie aufzuzeigen, die effizient arbeitet und kompakt baut.
[0010] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 gelöst.
[0011] Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung bzw. Gesamtanordnung wird das beste Verhältnis
von Ansaugluftförderung zu Bauraum erzielt.
[0012] Mit der Anordnung einer Dichtung an der Kuspe gemäß Patentanspruch 2 wird in vorteilhafter
Weise eine ruhende, sehr einfach zu kühlende Dichtung möglich. Aufgrund der relativ
geringen auftretenden Druckdifferenzen (≤ 3 bar) in der Trochoidenmaschine kann die
Dichtung problemlos und dauerhaft dicht ausgelegt werden.
[0013] Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 kann in vorteilhafter Weise die Ansaugluftmenge
reguliert werden, so dass die Brennkraftmaschine über ein sehr breites Drehzahl- und/oder
Lastband betreibbar ist. Die Ansaugluft kann somit in vorteilhafter Weise expandiert
(verdünnt für niedrige Last) oder komprimiert (verdichtet für hohe Last, Aufladefall)
werden.
[0014] Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 wird gewährleistet, dass beispielsweise
aufgrund von Pulsationen im Ansaugsystem keine Ladeluft in die Trochoidenmaschine
zurückgefördert wird. Weiter dient diese Ausgestaltung als Rückschlagklappe im Aufladefall.
[0015] Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 sind Wirkungsgradverbesserungen erzielbar,
wie sie in der deutschen, noch nicht offengelegten Patentanmeldung mit dem amtlichen
Aktenzeichen
DE 10 2011 006 388.9 beschrieben sind.
[0016] Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 6 lässt sich der Außenradius der Trochoidenmaschine
deutlich verringern, wodurch der Bauraum nochmals verringert wird.
[0017] Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in
zwei Figuren näher erläutert.
- Fig. 1
- zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mengengeregelte Brennkraftmaschine.
- Fig. 2
- zeigt schematisch einen Einströmquerschnitt A für eine Ansaugluft an einer Trochoidenmaschine
über die Zeit für eine kleine und eine große Last der mengengeregelten Brennkraftmaschine.
[0018] Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mengengeregelte Brennkraftmaschine
1, im vorliegenden Fall eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine.
[0019] Die Brennkraftmaschine 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel zumindest zwei in einer
Reihe angeordnete Zylinder 2 auf, deren Längsachsen 2' eine Ebene senkrecht zur Zeichnungsebene,
einer Brennkraftmaschinenlängsachse aufspannen. Die Brennkraftmaschinenlängsachse
entspricht auch der Erstreckungsrichtung einer nicht dargestellten Kurbelwelle. Selbstverständlich
kann die Brennkraftmaschine 1 auch nur einen einzigen oder mehrere in Reihe angeordnete
Zylinder 2 aufweisen. Eine nicht dargestellte Brennstoffeinbringung kann in einem
Ansaugsystem 3 und/oder direkt in die Zylinder 2 erfolgen, wobei in dem Ansaugsystem
3 als Lastregelorgan eine Trochoidenmaschine 4 mit einem Rotationskolben 5 angeordnet
ist. Unter der Last versteht man die Belastung einer Brennkraftmaschine zwischen Nulllast
(z.B. Leerlauf) über die Teillast bis zur Volllast und auch den Schiebebetrieb.
[0020] Die gewünschte Last (Lastregelung, Laststeuerung) wird beim konventionellen Ottomotor
durch die Gemischmasse eingestellt (Quantitätsregelung oder Mengenregelung der Kraftstoff/Luftmasse).
Die Gemischmasse wiederum wird durch ein Steuerorgan vorgegeben. Das Steuerorgan ist
in der Regel eine Drosselklappe, im vorliegenden Fall erfindungsgemäß die Trochoidenmaschine
4 in Verbindung mit einem Drehschieber 11.
[0021] Der Rotationskolben 5 beschreibt eine Planetenbewegung und dreht mit halber Welfendrehzahl
um seine Rotationskolbenachse 5', die wiederum mit Wellendrehzahl dreht und drehfest,
beispielsweise mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine oder
einer separaten elektrischen Maschine gekoppelt ist. Durch diese Drehung wird eine
Ansaugluft komprimiert oder expandiert, wobei die Luftmenge über den Drehschieber
11 einstellbar ist. Eine Luftströmungsrichtung ist durch dicke Pfeile angedeutet,
in Fig. 1 also nach einer axialen Zuströmung (senkrecht zur Zeichnungsebene) radial
in die Trochoidenmaschine 4. Weiter weist die Brennkraftmaschine 1 für einen Ladungswechsel
ein Gaswechseleinlassventil 6 und ein Gaswechselauslassventil 7 sowie je Zylinder
2 einen Kolben 13 auf. In anderen Ausführungsbeispielen können auch mehrere Gaswechseleinlass-
bzw. Gaswechselwechselauslassventile 6, 7 pro Zylinder 2 vorgesehen sein. Eine Zündeinrichtung
für die Brennkraftmaschine 1 ist mit 14 beziffert.
[0022] Der Rotationskolben 5 der Trochoidenmaschine 4 ist im Querschnitt eine zweibogige
Hypotrochoide (= Ellipse), wobei eine Rotationskolbenachse 5' weitgehend parallel
zu der von den Zylinderlängsachsen 2' aufgespannten Ebene ausgerichtet ist und eine
Zufuhr und eine Abfuhr der Ansaugluft in die und aus der Trochoidenmaschine 4 weitgehend
radial erfolgt.
[0023] Für eine einfache, kostengünstige, kühlbare und dauerhaft dichte Abdichtung der Trochoidenmaschine
4 ist in der Trochoidenmaschine 4 zwischen einer Ansaugluftzuführöffnung 8 und einer
Ansaugluftabführöffnung 9 eine zur Rotationskolbenachse 5' parallel angeordnete Dichtung
10 an einer Kuspe der Hüllkurve, einem Teilabschnitt einer verlängerten Epitrochoide,
vorgesehen.
[0024] Wie bereits erwähnt ist in Strömungsrichtung der Ansaugluft vor der Ansaugluftzuführöffnung
8 der Drehschieber 11 zur Ansaugluftmengensteuerung angeordnet.
[0025] Damit beispielsweise durch Druckpulsationen im Ansaugsystem 3 ein Rückströmen der
Ansaugluft in die Trochoidenmaschine 4 verhindert ist, ist in Strömungsrichtung der
Ansaugluft nach der Ansaugluftabführöffnung 9 in dem Ansaugsystem 3 ein Rückströmsperrelement
12 angeordnet, bei dem es sich im einfachsten Fall um eine Klappe handeln kann oder
auch um gesteuerte oder geregelte Klappenmechanismen. Im Aufladefall, d. h. wenn die
Ansaugluft komprimiert wird, dient dieses Rückströmsperrelement 12 auch als Rückschlagklappe.
[0026] In einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in Fig. 1 nicht dargestellt ist, kann
die Ansaugluft in Strömungsrichtung vor der Ansaugluftzuführöffnung 8 auch von einem
Abgas der Brennkraftmaschine 1 in einem Wärmetauscher aufgeheizt werden. Durch diese
Maßnahme können extrem hohe Wirkungsgrade für die Brennkraftmaschine erzielt werden.
[0027] Bevorzugt erstreckt sich die Trochoidenmaschine 4 in axialer Richtung über die Breite
von zumindest einem Zylinder 2. Hierdurch kann der Außendurchmesser der Trochoidenmaschine
deutlich verringert werden, was der Bauform, bzw. dem Package nochmals zugutekommt.
[0028] Fig. 2 zeigt schematisch einen Einströmquerschnitt A für die Ansaugluft über die
Zeit (bzw. dem Drehwinkel des Drehschiebers 11) in die Trochoidenmaschine 4. Für kleine
Luftmengen ist die Linie durchgezogen dargestellt und eine große Last und/oder Drehzahl
ist die Linie gestrichelt dargestellt.
[0029] Mit anderen Worten:
Es wird somit eine erfindungsgemäße Laststeuerung für die mengengeregelte Brennkraftmaschine
1 vorgeschlagen, bei der als Expander oder Kompressor der Ansaugluft die Trochoidenmaschine
4, eine Rotationskolbenmaschine, verwendet wird, deren Einlass drosselfrei (im Wesentlichen
über die Länge der Öffnungsdauer, siehe Bild 2) geregelt wird. Die Trochoidenmaschine
4 ist mechanisch mit der Brennkraftmaschine 1 oder einem Antriebsstrang gekoppelt,
um die von den in der Teillast z. B. von 1 bar auf 0,3 bar expandierten Frischgasen
geleistete Arbeit abzunehmen.
[0030] An der Ansaugluftabführöffnung 9 genügt eine passive Steuerung (wie beispielsweise
dargestellt, das Rückströmsperrelement 12, im einfachsten Fall eine Klappe) um ein
Rückströmen der ausgeschobenen Frischgase in die Trochoidenmaschine 4 zu verhindern.
Dies ist vor allem im Aufladebetrieb (Kompressorbetrieb) wichtig. In diesem Fall verhindert
das Rückströmsperrelement 12 ein Rückströmen der komprimierten Ansaugluft in die Trochoidenmaschine
4. Gegebenenfalls kann hier ebenfalls eine aktive Querschnittssteuerung der Ansaugluftabführöffnung
9, ähnlich der Ansaugluftzuführöffnung 8 mit dem Drehschieber 11, erfolgen. Verfügt
die Trochoidenmaschine 4 über einen geeigneten Durchsatz (der Volumendurchsatz der
Trochoidenmaschine 4 ist größer als das Volumen der Brennkraftmaschine 1 je Zeiteinheit),
kann bei entsprechend weit geöffnetem Einlassquerschnitt, der Ansaugluftzuführöffnung
8 auch eine Aufladung der Brennkraftmaschine 1 (unter Energieaufnahme aus dem Antriebsstrang)
erreicht werden.
[0031] In Fig. 1 ist eine beispielhafte, mögliche Anordnung dargestellt:
Der Rotationskolben 5 der Trochoidenmaschine 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine
zweibogige, verkürzte Hypotrochoide (= Ellipse), der mit halber Wellendrehzahl, die
Welle ist gestrichelt dargestellt, um ihre Rotationskolbenachse 5' rotiert, welche
mit Wellendrehzahl um den Wellendrehpunkt 4' rotiert. Die passende Hüllkurve ist in
diesem einfachen Fall ebenfalls eine Trochoide, nämlich ein Teilabschnitt einer geeignet
verlängerten Epitrochoide. Der Schlankheitsgrad ist dabei ein frei wählbarer Parameter,
entsprechend der Verkürzung bzw. Verlängerung der Trochoiden. Es sind vier Stellungen
eingezeichnet, um die Bewegung zu verdeutlichen. Die aktuelle Lage ist mittels eines
durchgezogenen Striches dargestellt, die drei weiter gedrehten möglichen Lagen sind
gestrichelt dargestellt. Ein schwarzer Pfeil deutet hierbei die Drehrichtung des Rotationskolbens
5 an.
[0032] Die Einlasssteuerung erfolgt von radial über einen rotierenden Drehschieber, mit
verstellbarem Abdeckschieber (Doppelpfeil), wobei in axialer Richtung in den zylindrisch
oder konisch zu denkenden rotierenden Drehschieber eingeströmt wird.
[0033] An der Kuspe der Hüllkurve kann in einfacher Weise eine ruhende, kühlbare Dichtung
10 angebracht werden.
[0034] Die vorgeschlagene Geometrie zeichnet sich durch besonders hohen Luftdurchsatz bezüglich
Bauraum aus (nur ein Läufer, kein Innen- und Außenläufer und Gehäuse) und geringe
schädliche Kolbenflächen im Querschnitt im Vergleich zu höheren Trochoiden. Die radiale
Zuströmung der Ansaugluft passt hervorragend zum Bauraum einer Reihen-Brennkraftmaschine,
da in der Baulänge (quer zur Zeichnungsebene) skalierbar.
[0035] Neben Bauraumvorteilen werden auch Verbrauchsvorteile durch Vorschalten der beschriebenen
Anordnung an übliche Hubkolben-Brennkraftmaschinen 1 erschlossen. Trochoidenmaschinen
4 können bei geeigneter Geometrie auch in Heißgasmaterial (Keramik o. ä) mit Spaltabdichtungen
an der umlaufenden Dichtstelle dargestellt werden und ermöglichen so die Nutzung der
Abgaswärme.
Bezugszeichenliste:
[0036]
- 1.
- Brennkraftmaschine
- 2.
- Zylinder
- 2'
- Längsachse
- 3.
- Ansaugsystem
- 4.
- Trochoidenmaschine
- 4'
- Wellendrehpunkt
- 5.
- Rotationskolben
- 5'
- Rotationskolbenachse
- 6.
- Gaswechseleinlassventil
- 7.
- Gaswechselauslassventil
- 8.
- Ansaugluftzufuhröffnung
- 9.
- Ansaugluftabfuhröffnung
- 10.
- Dichtung
- 11.
- Drehschieber
- 12.
- Rückströmsperrelement
- 13.
- Kolben
- 14.
- Zündvorrichtung
- 15.
- Abgastrakt
1. Mengengeregelte Brennkraftmaschine (1), insbesondere eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine,
mit zumindest einem Zylinder (2), dessen Längsachse (2') mit einer Brennkraftmaschinenlängsachse
eine Ebene aufspannt, mit einer Brennstoffeinbringung in ein Ansaugsystem (3) und/oder
in den Zylinder (2), wobei in dem Ansaugsystem (3) als Lastregelorgan eine Trochoidenmaschine
(4) mit einem Rotationskolben (5) angeordnet ist, die drehfest mit einer Welle der
Brennkraftmaschine gekoppelt ist und mit der eine Ansaugluft komprimier- oder expandierbar
ist und mit zumindest einem Gaswechseleinlass- (6) und Gaswechselauslassventil (7)
je Zylinder (2) für einen Ladungswechsel, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskolben (5) im Querschnitt eine zweibogige Hypotrochoide ist, wobei eine
Rotationskolbenachse (5') parallel zu der Ebene und weitgehend senkrecht zur Längsachse
(2') ausgerichtet ist und eine Zufuhr und eine Abfuhr der Ansaugluft in die Trochoidenmaschine
(4) weitgehend radial erfolgt.
2. Mengengeregelte Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass für den Rotationskolben (5) in der Trochoidenmaschine (4) zwischen einer Ansaugluftzufuhröffnung
(8) und einer Ansaugluftabfuhröffnung (9) eine zur Rotationskolbenachse parallel angeordnete
Dichtung (10) vorgesehen ist.
3. Mengengeregelte Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung der Ansaugluft vor der Ansaugluftzufuhröffnung (8) ein Drehschieber
(11) zur Ansaugluftmengensteuerung angeordnet ist.
4. Mengengeregelte Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung der Ansaugluft nach der Ansaugluftabfuhröffnung (9) in dem Ansaugsystem
(3) ein Rückströmsperrefernent (12) angeordnet ist.
5. Mengengeregelte Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugluft in Strömungsrichtung vor der Ansaugluftzufuhröffnung (8) von einem
Abgas der Brennkraftmaschine (1) in einem Wärmetauscher aufheizbar ist.
6. Mengengeregelte Brennkraftmaschine nach einem der zuvor genannten Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die Trochoidenmaschine (4) in axialer Richtung über die Breite von zumindest
zwei Zylindern (2) erstreckt.