BRENNKRAFTMASCHINE

Beschreibung

Bezug zu verwandten Anmeldungen

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2005 041 992.5, hinterlegt am 5. September 2005, deren Offenbarungsgehalt hiermit ausdrücklich auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ge- macht wird.

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Viertakt-Brennkraftmaschine, die durch einen Kleinkom- pressor aufgeladen wird. In diesem Zusammenhang bedeutet Kleinkompressor, dass dessen Hubraum kleiner dimensioniert ist als der einzylindrige Hubraum der Brennkraftmaschine.

Stand der Technik

Während bei PKW-Motoren im Hochleistungsbereich Lader Stand der Technik sind, wird im Zweiradsektor aus Gründen der Fördercharakteristik und der Produktionskosten das Hochdrehzahlkonzept bevorzugt.

Aus der WO 02/20958 A 1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem durch ein Membranventil vorgesteuerten Einlasskanal vorbekannt, in den ein durch ein federbelastetes Ventil gesteuerter Ladekanal mündet. Der Zylinderkopf der Brennkraftmaschine weist ein Einlassventil auf.

Die WO 02/084089 A 1 zeigt eine durch einen Kompressor aufgeladene Brennkraftmaschine. Der Kompressor und die Brennkraftmaschine sind durch einen Ladekanal direkt verbunden. Bei Aufladung ist daher der Hubraum des Kompressors größer

dimensioniert als der Hubraum der Brennkraftmaschine. Diese Bauart führt zu größeren oszillierenden Kompressormassen als bei einem Kleinkompressor.

DE 27 46 022 A1 zeigt eine mehrzylindrtge Viertakt-Brennkraftmaschine mit Lader, wobei ein kurbelgesteuerter Kleinkompressor durch separat angeordnete Ladekanäle Luft fördert. Die Ladekanäle werden nicht gesondert gesteuert.

Aus der US 5,785,015 A ist eine Brennkraftmaschine mit kurbelgesteuertem Kompressor bekannt. Er wird zur Gemischbildung bei einer Zweitakt-Brennkraftmaschine eingesetzt und hat keine primäre Ladefunktion.

CH 539 198 A zeigt eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit Schiebersteuerung. Die Anordnung hat keine primäre Ladefunktion.

US 4,106,445 A zeigt eine Brennkraftmaschine mit zusätzlichem kolbengesteuertem Einlass. Der steuernde Kolben hat keine primäre Ladefunktion.

GB 1 549 969 A offenbart eine Brennkraftmaschine mit sehr kleinem Kolben im Zylinderkopf. Er hat keine primäre Ladefunktion.

In der US 6,295,965 B1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Einlasskanal und einem Auslasskanal gezeigt. Weitere Kanäle der Brennkraftmaschine sind schlitzgesteuert.

US 1 ,555,454 offenbart eine Brennkraftmaschine mit zusätzlicher Kolben- und Ventilanordnung. Das System hat keine primäre Ladefunktion.

Aufgabenstellung

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine durch einen Kleinkompressor aufgeladene, hochdrehzahlfähige Viertakt- Brennkraftmaschine zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Ein von der Nockenwelle der Brennkraftmaεchine gesteuertes, federbelastetes KoI- bensystem bildet das oszillierende Element eines Kleinkompressors. Der Hubraum des Kleinkompressors umfasst zum Beispiel ein Fünftel des Hubvolumens der Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine wird durch den Kompressor so aufgeladen, dass beispielsweise nur ein Bruchteil der Ladung für einen Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine vorverdichtet und über einen separaten Ladekanal mit Hilfe ei- nes von der Nockenwelle gesteuerten kurzhubigen Ventils nach Einlassschluss der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Der konventionelle Einlasspfad einer Brennkraftmaschine bleibt dabei erhalten. Der Kompressor mit seinem gesondert gesteuerten Ladekanal weist eine gute Fördercharakteristik bei gutem Wirkungsgrad auf. Das vorgeschlagene Aufladesystem trägt durch Turbulenzen beim Ladevorgang zu einer verbesserten Gemischbildung bei. In der Folge darf von einer günstigen Wirkung auf die Verbrennung und die Rohemissionen ausgegangen werden.

Das Kolbensystem hat die Anordnung eines Hubventils zum Vorbild. An Stelle des Ventiltellers befindet sich der Leichtmetallkolben. Der Ventilschaft eines Hubventils wird durch eine ovale Drehsicherung ergänzt, die Ventilfeder, ihr Zubehör und gegebenenfalls der Tassenstößel bleiben erhalten.

Vorzugsweise ist der Einlass des Kleinkompressors schlitzgesteuert. Der Einlass der Brennkraftmaschine wird durch zwei oder drei Einlassventile gesteuert, wobei jeweils ein kurzhubiges Ventil den Ladekanal steuert.

Abhängig vom Hubraum des Kleinkompressors und den oszillierenden Massen kann ein kurbelgesteuerter Kolben vorgesehen werden. Der Antrieb des Kleinkompressors erfolgt dabei vorzugsweise in Kombination mit der Nockenwelle und mit identischer Drehzahl.

Um bei dieser Ausführungsart den Ansaugvorgang nicht durch eine überlagernde Strömung aus dem Ladekanal zu stören, ist ein federbelastetes Ventil im Zylinder-

kopf des Kleinkompressors vorgesehen. Dieses Ventil leitet den taktgerechten Ladevorgang ein. Danach öffnet das nockengesteuerte, kurzhubige Ladeventil im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine. Die Kurbelhausentlüftung der Maschine erfolgt bei dieser Bauart über den Kleinkompressor.

Bei Mehrzylindermotoren wird die Drehzahl des Kleinkompressors taktgerecht angehoben.

Die vorgeschlagene Maschine lässt bei der • der Literleistung,

• dem Drehmoment,

• dem Wirkungsgrad,

• den Rohemissionen und

• den Kosten pro Kilowatt konkurrenzfähige Kennwerte erwarten.

Der Kleinkompressor kann somit ein werbewirksames Alleinstellungsmerkmal für eine Hochleistungsmaschine darstellen.

Kurzbeschreibung der Figuren

Im Folgenden wird die Erfindung an Hand eines in den beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt des in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine integrierten Kleinkompressors,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Zylinderkopfs einer Brennkraftmaschine mit gesondertem Einlasskanal und kurzhubigem Einlassventil, Fig. 3 eine beispielhafte gemeinsame Anordnung der Fig. 1 und 2 zueinander oh- ne vollständigen Ladekanal.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird jetzt beispielhaft unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Allerdings handelt es sich bei den Ausführungsbeispielen nur um Beispiele, die nicht das erfinderische Konzept auf eine bestimmte Anordnung beschränken sollen.

Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, das sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Brennkraftmaschine sowie die jeweiligen Verfahrens- schritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.

Figur 1 zeigt das Kompressorgehäuse 1 und die Nockenwelle 2 der Brennkraftmaschine zur Steuerung des Kompressorkolbens 3. Er weist in bekannter Weise einen Kompressionsring (nicht gezeichnet) und einen ölabstreifring (nicht gezeichnet) auf. Der Kolben 3 wird mit Hilfe des Nockens 4, des Tassenstößels 5, des Kolbenschaftes 6, seiner ovalen Drehsicherung 7 und der Feder 8 betätigt. Der Kompressorkolben 3 und die Drehsicherung 7 sind durch eine gesicherte Verschraubung 9 verbunden. Zum Schutz des Kolbensystems bei überdrehzahlen ist ein Widerlager 10 im Zylinderkopf 11 des Kompressors vorgesehen.

Der Einlass des Kompressors erfolgt über Einlassbohrungen 12 im Kompressorzylinder 13. Der Auslass erfolgt über den Ladekanal 14.

Die Viertakt-Brennkraftmaschine weist wenigstens einen Zylinder mit einem Zylin- derkopf 16 sowie wenigstens eine Nockenwelle 2 auf und wird in bekannter Weise mit einer Druckumlaufschmierung und gegebenenfalls einem Lader betrieben. Ein in Fig. 1 dargestellter Kleinkompressor fördert Luft in die Brennkraftmaschine und arbeitet taktgerecht mit einem nockengesteuerten Ladeventil 15 zusammen. Wenigs-

tens ein von anderen Einlasskanälen separierter Ladekanal 14 vom im Zylinderkopf 16 der Brennkraftmaschine angeordneten kurzhubigen Ladeventil 15 wird nach Ein- lassschluss so gesteuert, dass der Saug-/Ladetakt des Viertaktverfahrens ganz oder teilweise erhalten bleibt.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel arbeitet wie folgt:

Die Brennkraftmaschine gemäß Fig. 2 und der Kompressor saugen über ihre Einlasskanäle, geregelt durch die Drosselklappen (nicht gezeichnet), die Ladeluft an. Die Drosselklappen können elektronisch vernetzt sein. Dabei wird der übergang vom Saug- in den Ladebereich von der elektronisch geregelten Drosselklappe des Kompressors (nicht gezeichnet) bewirkt.

Vorzugsweise ist der Einlass des Kleinkompressors schlitzgesteuert. Der Einlass der Brennkraftmaschine wird durch zwei oder drei Einlassventile gesteuert, wobei jeweils ein kurzhubiges Ventil den Ladekanal 14 steuert.

Im Einlasskanal der Brennkraftmaschine ist beispielsweise eine Niederdruckeinspritzung vorgesehen.

Der Kompressor saugt über die Einlassbohrungen 12 eine im Vergleich zur Brennkraftmaschine kleine Menge Ladeluft an, verdichtet sie im Kompressorzylinder 13 und führt sie über den Ladekanal 14 und ein kurzhubiges, separates Einlassventil 15 der Brennkraftmaschine zu. Der begonnene Arbeitszyklus setzt sich in bekannter Weise fort.

Das vorbeschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Maschine mit kleinen oszillierenden Massen. Ihr nockengesteuerter Kleinkompressor kann direkt, das heißt ohne zusätzliches Ventil im Zylinderkopf 11 des Kleinkompressors, taktgerecht mit der Brennkraftmaschine zusammenarbeiten und ist besonders für Kleinmotoren geeignet.

Bei größeren Hubräumen ist abhängig vom Hubraum des Kleinkompressors und den oszillierenden Massen ein kurbelgesteuerter Kompressor vorgesehen. Eine z.B. einzylindrige Brennkraftmaschine weist dann zur Vorsteuerung der Ladeluft ein vorzugsweise federbelastetes Venti! im Zylinderkopf i i des Kompressors auf. Eine No- ckensteuerung dieses Ventils ist nicht erforderlich. Allerdings sind dem Fachmann auch andere Möglichkeiten zur Ansteuerung dieses Ventils bekannt. Der Antrieb des Kleinkompressors erfolgt dabei vorzugsweise in Kombination mit der Nockenwelle und vorzugsweise mit identischer Drehzahl, wobei auch andere Drehzahlen möglich sind und/oder erforderlich sein können.

Um bei dieser Ausführungsart den Ansaugvorgang nicht durch eine überlagernde Strömung aus dem Ladekanal zu stören, ist ein federbelastetes Ventil im Zylinderkopf des Kleinkompressors vorgesehen. Dieses Ventil leitet den taktgerechten Ladevorgang ein. Danach öffnet das nockengesteuerte, kurzhubige Ladeventil 15 im Zy- linderkopf 16 der Brennkraftmaschine. Die Kurbelhausentlüftung der Maschine erfolgt bei dieser Bauart über den Kleinkompressor.

Eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine kann von einem einzylindrigen oder mehr- zylindrigen Kompressor geladen werden. In diesem Fall ist eine taktgerechte Dreh- zahlanpassung/Drehzahlerhöhung erforderlich. Die Versteuerung der Ladeluft erfolgt dann durch Ventile im Zylinderkopf 11 des Kompressors. Diese Ventile werden durch die Nockenwelle der Brennkraftmaschine oder von Nocken, die an rotierenden Maschinenteilen des Kompressors vorgesehen sind, taktgerecht betätigt und können auch federbelastet sein. Dem Fachmann sind auch andere Möglichkeiten bekannt, wie er diese Ventile bedarfsweise erfindungsgemäß ansteuern kann..

Bei den beschriebenen Bauweisen trägt das vorliegende Ladesystem durch Turbulenzbildung beim Ladevorgang zu einer verbesserten Gemischbildung bei. In der Folge darf von einer günstigen Wirkung auf die Verbrennung und die Rohemissionen ausgegangen werden.

Das Kurbelhaus der Brennkraftmaschine kann sowohl über den Einlasskanal der Brennkraftmaschine als auch über den Einlasskanal des Kompressors entlüftet werden.

Im Sinne der Vereinfachung können der kurbelgesteuerte Kompressor und die Brennkraftmaschine einen gemeinsamen Riemen- oder Kettentrieb aufweisen. Sie können auch eine gemeinsame Kurbelwelle aufweisen. Auch können an Stelle eines Hubkolbenkompressors andere Kompressor-/Laderbauarten vorgesehen werden.

Die jeweiligen Ausführungsarten können, abhängig von der Ladeluftmenge, mit oder ohne Ladeluftkühler dargestellt werden. Dabei kann ein Dieselmotor bauartbedingt ein wesentlich größeres Kompressorvolumen als ein vergleichbarer Ottomotor aufweisen. In diesem Zusammenhang sei auch darauf hingewiesen, dass der Kompressor eine variable Geometrie aufweisen kann.

Zum Zweck des Massenausgleichs kann ferner der Kleinkompressor über eine parallel zur Kurbelwelle liegende, zahnradgetriebene Welle angetrieben werden.

Am Beginn der Beschreibung wurde das Verfahren als Viertakt-Verfahren bezeich- net. Bei genauer Betrachtung ergibt sich aufgrund der vorliegenden Ausführungen ein differenzierteres Bild.

Die Maschine weist einen Ansaug-, Lade-, Verdichtungs-, Arbeits- und Ausstoßtakt auf. Genaugenommen ist der Ladetakt damit ein Nachladetakt. Im Gegensatz hierzu wird bei herkömmlicher Aufladung der Ansaugtakt durch den Aufladetakt ersetzt.

Das herkömmliche Aufladeverfahren kann gegebenenfalls zusätzlich zum vorbeschriebenen Verfahren angewandt werden.

Es versteht sich von selbst, dass diese Beschreibung verschiedensten Modifikationen, änderungen und Anpassungen unterworfen werden kann, die sich im Bereich von äquivalenten zu den anhängenden Ansprüchen bewegen.

Bezugszeichenliste

1 Kompressorgehäuse

2 Nockenwelle

3 Kompressorkolben

4 Nocken

5 Tassenstößel

6 Kolbenschaft

7 ovale Drehsicherung

8 Feder

9 Verschraubung

10 Widerlager

11 Zylinderkopf

12 Einlassbohrung

13 Kompressorzylinder

14 Ladekanal (ohne Vorsteuerung)

15 Kurzhubiges Ventil

16 Zylinderkopf der Brennkraftmaschine