AT397838B - Hubkolben-brennkraftmaschine - Google Patents

Description

AT 397 838 B

Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Hauptzylindern, deren Arbeitstakte gegeneinander verschoben sind, die Einlaßventile aufweisen und die über Zwischenventile mit einem gemeinsamen Nebenzylinder verbunden sind, der im Zweitaktrhythmus arbeitet und in einem Takt abwechselnd der Nachexpansion der Abgase der beiden Hauptzylinder und im darauf folgenden Takt der Verdrängung des Abgases über mindestens ein an ihm vorgesehenes Auslaßventil dient, sowie ein Mehrfaches des Volumens eines Hauptzylinders aufweist, wobei der Nebenzylinder vor der Beaufschlagung mit dem Abgas eines Hauptzylinders mit vom anderen Hauptzylinder vorkomprimierter Frischluft oder vorkomprimiertem Frischluft-Kraftstoff-Gemisch ladbar ist.

Bei konventionellen Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschinen wird etwa je ein Drittel der im Kraftstoff enthaltenen Primärenergie an das Abgas und an das Kühlsystem abgegeben. Vom restlichen Drittel, das in mechanische Leistung umgewandelt wird, geht durch aerodynamische und hydraulische Verluste im Motor so viel verloren, daß die Nutzleistung am Motorausgang nur mehr etwa ein Viertel der investierten Primärenergie beträgt. Für Otto-Motoren ist überdies kennzeichnend, daß im Betriebszustand mit geringstem spezifischen Kraftstoffverbrauch der Anteil an Stickoxiden im Abgas hoch ist; im Betriebszustand höchster spezifischer Leistung steigt der Kraftstoffverbrauch infolge unvollständiger Verbrennung. Eine Abgas-Nachbehandlung zur Verringerung der Schadstoffemission erhöht ebenso den spezifischen Kraftstoffverbrauch.

Beim optimal arbeitenden Diesel-Motor ist sowohl der Kraftstoffverbrauch als auch die Schadstoffemission geringer als beim Otto-Motor gleicher Leistung. Es werden aber auch bei dieser Brennkraftmaschine mehr als 50% der chemischen Primärenergie an das Abgas und an das Kühlsystem abgegeben.

Durch den Einsatz einer Abgasturbine kann ein Teil der Restenergie des Abgases zum Aufladen des Motors genützt und zurückgewonnen werden. Wird die Abgasturbine an den Motorausgang gekoppelt, ist wegen ihrer hohen Drehzahl ein aufwendiges Untersetzungsgetriebe erforderlich, das bei Fahrzeugmotoren zusätzlich regelbar sein muß und zu mechanischen Verlusten führt.

Im weiteren ist es bekannt, die Kühlmittelverluste beim "adiabaten" Motor durch Wärmeisolation zu verringern. Ein Großteil der dadurch gewonnenen Energie resultiert aber in einer Erhöhung der Restenergie des Abgases, die mit Hilfe von Abgasturbinen nur aufwendig genutzt werden kann.

Andere Lösungsversuche (US-PS 4 289 097 und 4 367 000, DE-OS 32 40 563) sehen Sechstaktmotoren vor, die nur einen kleinen Teil der im Kühlsystem verlorenen Energie nutzen. Die im Abgas enthaltene Energie geht verloren oder wird vergrößert, da das über einen Sechstakt-Zyklus summierte Kompressionsvolumen gleich oder größer dem Expansionsvolumen ist. Ebensowenig kann bei diesen Motoren die Schadstoff-Emission wesentlich verringert werden.

Schließlich sind Hubkolben-Brennkraftmaschinen mit mindestens zwei Viertakt-Hauptzylindern und einem daran angebauten Zweitakt-Nebenzylinder zur Nutzung der nach dem Arbeitstakt der Hauptzylinder noch vorhandenen Expansionsenergie des Abgases bekannt. Der Druckabfall im Nebenzylinder ist hiebei jedoch so hoch, daß die Restexpansionsenergie nur schlecht genutzt werden kann. Außerdem ist eben (so wie bei konventionellen Motoren) im Motor eine vollständige Verbrennung nicht möglich und die Schadstoff-Emission ist nicht verringert. Eine solche Maschine ist in der EP-OS 6 747 beschrieben.

Bei den in der DE-PS 363 855 und der DE-PS 299 978 beschriebenen Verbund- und Brennkraftmaschinen arbeiten je zwei Hochdruck-Hauptzylinder mit einem gemeinsamen, zwischen jenen angeordneten Zweitakt-Niederdruck-Nebenzylinder zusammen, der in einem Takt abwechselnd der Nachexpansion der Abgase eines der beiden Hauptzylinder und im darauffolgenden Takt der Verdrängung des Abgases über ein an ihm vorgesehenes Abgasventil (DE-PS 299 978) bzw. einen Auspuffschlitz (DE-PS 363 855) dient. Alle Zylinder des bekannten Motors arbeiten auf eine gemeinsame Kurbelwelie. Der Nebenzylinder dieses bekannten Motors wird nicht mit von einem Hauptzylinder vorkomprimiertem Medium geladen, sondern komprimiert die Frischluft für die in ihm stattfindende Nachverbrennung selbst.

Schließlich arbeiten beim bekannten Motor die Hauptzylinder ausschließlich im Viertakt.

Die in der DE-OS 2 947 146 beschriebene Brennkraftmaschine hat nur einen Hochdruck-Hauptzylinder und diesem ist ein größerer Nebenzyiinder zur Niederdruck-Nachverbrennung nachgeschaltet. Der Nebenzylinder arbeitet im gleichen Takt wie der Hauptzylinder. In dem Hochdruck-Hauptzylinder im weiteren angebauten Zylinder findet keine Verbrennung statt und dieser dient nur als Ladepumpe für die Verbrennungsluft des Hauptzylinders.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst einfache Brennkraftmaschine ohne die erwähnten Nachteile bekannter Maschinen mit erhöhtem Wirkungsgrad und minimierter Schadstoff-Emission zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art, die sowohl nach dem Prinzip des Otto- als auch nach dem Prinzip des Diesel-Motors arbeiten kann, dadurch gelöst, daß der Nebenzylinder auf eine eigene Kurbelwelle arbeitet, deren Winkelgeschwindigkeit zwei Drittel der Winkelge- 2

AT 397 838 B schwindigkeit der Kurbelwelle(n) der Hauptzylinder beträgt, daß die Kurbelwellen der Hauptzylinder und des Nebenzylinders über ein im Verhältnis zwei zu drei arbeitendes Getriebe verbunden sind und daß die beiden Hauptzylinder gegeneinander um drei Takte verschoben, im Sechstaktrhythmus betreibbar sind, wobei auf den jeweils in Verbindung mit dem Nebenzylinder durchgeführten Nachexpansionstakt, der auf drei, den ersten drei Takten eines Viertaktrhythmus entsprechende Takte folgt, als fünfter Takt ein Ansaugtakt für Frischluft oder Frischluft-Kraftstoff-Gemisch durchführbar ist, welche(s) im sechsten Takt des Hauptzylinders zwecks nachfolgender Ladung des Nebenzylinders vorkomprimierbar ist.

Das Laden des Nebenzylinders mit Frischluft erfolgt etwa bis zu jenem Druck, der im Hauptzylinder am Ende des Vorexpansionstaktes herrscht. Dadurch werden Druckverluste am Beginn des Nachexpansionstaktes vermieden.

Die im fünften und sechsten Takt der Hauptzylinder durchgeführte Zwischenspülung mit Luft verringert die Kühlverluste. Die Nachverbrennung und Nachexpansion im Nebenzylinder, dessen Volumen das zwei-bis fünffache des Volumens eines Hauptzylinders beträgt, verringert die Abgasverluste. Der Primärenergieverbrauch des erfindungsgemäßen Motors ist daher entscheidend verringert und der Wirkungsgrad der Umwandlung von chemischer in mechanische Energie erhöht.

Bei der erfindungsgemäßen Hubkolben-Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, daß kurz vor dem Ende des Nachexpansionstaktes alle Zylinder über die Zwischenventile zwecks Abgasrückführung aus dem am Ende des Nachexpansionstaktes befindlichen einen Hauptzylinders und aus dem Nebenzylinder in den am Ende des ersten Ansaugtaktes befindlichen anderen Hauptzylinder verbindbar sind, wobei durch die Abgasrückführung das effektive Saugvolumen des Hauptzylinders einstellbar ist. Damit ist eine Steuerung des Drehmoments bei minimierter Stickoxid- und Kohlenmonoxid-Emission möglich.

Die erfindungsgemäße Konstruktion der Brennkraftmaschine ermöglicht es, daß die Verbrennung während des Vorexpansionstaktes in den Hauptyzlindern unter Sauerstoffmangel und im Nebenzylinder während des Nachexpansionstaktes unter Sauerstoffüberschuß durchführbar ist (während des Vorexpansionstaktes, welcher dem Arbeitstakt des üblichen Viertaktrhythmus nach dem Ansaug- und nach dem Kompressionstakt entspricht), wobei die auf hohem Temperaturniveau ablaufende Verbrennung im Hauptzylinder zu einer Minimierung der Oxidation des Stickstoffes der Luftführt. Im Nebenzylinder herrscht wegen der Vorladung Sauerstoffüberschuß und es kann dort eine vollständige, mechanisch genutzte Nachverbrennung auf niedrigerem Temperaturniveau stattfinden. Wegen der niedrigeren Temperatur ist auch dort die Bildung von Stickoxiden minimiert. Die vollständige Verbrennung minimiert den Ausstoß an übrigen Schadstoffen.

Weiters ist es möglich, mehrere erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen- Einheiten mit mindestens je zwei Hauptzylindern und einem Nebenzylinder zu einer auf eine Welle arbeitenden Anordnung zusammenzufassen.

Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung schematisch samt Volumsdiagramm dargestellten Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Hubkolben-Brennkraftmaschine näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein Schema des Motors, Fig. 2 ein Volumsdiagramm für die drei Zylinder desselben und die Hg. 3.1 bis 3.8 verschiedene Arbeitszustände des Motors in einer Darstellung ähnlich Fig. 1.

In Fig. 1 sind zwei Hauptzylinder HZ 1 bzw. HZ 2 mit je einem Einlaßventil EV 1 bzw. EV 2 ersichtlich. Die beiden Hauptzylinder der HZ 1 und HZ 2 sind über an ihnen vorgesehene Zwischenventile ZV 1 bzw. ZV 2 mit einem gemeinsamen Nebenzylinder NZ verbunden. Der Nebenzylinder NZ weist ein - für das gesamte System von Zylindern HZ 1, HZ 2 und NZ gemeinsames - Auslaßventil AV auf. Sein Volumen beträgt das drei- bis vierfache des Volumens eines Hauptzylinders HZ 1 bzw. HZ 2.

Der Nebenzylinder NZ arbeitet auf eine eigene Kurbelwelle NK, welche über ein Getriebe G mit den Kurbelwellen K1 bzw. K2 der Hauptzylinder HZ 1 bzw. HZ 2 verbunden ist.

Die in Fig.1 eingezeichneten Kolben- und Ventilstellungen entsprechen denjenigen der Fig.3.1, d.h. des in Fig.2 mit 1 bezeichneten Zeitpunktes. Die Kolbenstellungen an den gegenüberliegenden Totpunkten sind gestrichelt eingezeichnet.

In Fig.2, welche das Volumsdiagramm der drei Zylinder HZ1, HZ2, NZ zeigt (oben: HZ1; Mitte NZ; unten: HZ 2), ist das jeweils genützte Zylindervolumen V (t) in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt (bei konstanter Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwellen K1, K2, NK).

Die einzelnen Bezeichnungen bedeuten: 3

AT 397 838 B 1T... bis ... 6T OT... Oberer Totpunkt A... Ansaugen VE... Vorexpandieren VK... Vorkomprimieren RE... Restexpandieren ARF... Abgas-Rückführen I.Takt... bis ... 6.Takt UT... Unterer Totpunkt K. .. Komprimieren NE... Nachexpandieren L. .. Laden V... Verdrängen

Die in den Fig.3.1 bis 3.8 dargestellten Arbeits2ustände des Motors zeigen die Kolben- und Ventilstellungen der Haupt2ylinder HZ1 und HZ2 sowie des Nebenzylinders NZ zu ausgewählten Zeitpunkten, wie sie in der Zeitachse t der Fig.2 mit 1 bis 8 bezeichnet sind.

Man sieht in Fig.2 folgende Taktfolge der beiden Hauptzylinder HZ1 und HZ2, die mit einer Taktdifferenz von drei arbeiten und abwechselnd auf den Hubraum des Nebenzylinders NZ wirken: 2. Takt (UT nach OT) 3. Takt (OT nach UT) 4. Takt (UT nach OT) 5 .Takt (OT nach UT) 6.Takt (UT nach OT) 1 .Takt (OT nach UT): Ansaugen von Frischluft bzw. Frischluft-Kraftstoff-Gemisch; Möglichkeit zur Rückführung von Abgas aus dem anderen Hauptzylinder und aus dem Nebenzylinder in den am Ende des 1 .Taktes befindlichen Hauptzylinder Komprimieren Vorexpandieren

Nachexpandieren in den Nebenzylinder Ansaugen von Frischlauft bzw. Frischluft-Kraftstoff-Gemisch Vorkomprimieren und Laden des Nebenzylinders Der Nebenzylinder NZ arbeitet gemäß Fig.2 mit folgender Taktfolge: I.Takt (OT nach UT): a) Laden am OT aus dem einen Hauptzylinder b) Nachexpandieren und gegebenenfalls Nachverbrennen in Verbindung mit dem anderen Hauptzylinder

c) Restexpandieren bis UT 2.Takt (UT nach OT):

a) Verdrängen der Abgase durch das Abgasventil AV b) Laden am OT aus dem anderen Hauptzylinder 1 .Takt (OT nach UT): wie 1 .Takt oben, aber mit vertauschten Hauptzylindern 2.Takt (UT nach OT): wie 2.Takt oben, aber mit anderem Hauptzylinder Für die in den Fig.3.1 bis 3.8 dargestellten Zeitpunkte gilt im einzelnen folgendes:

Fig.3.1. Der Hubkolben des Hauptzylinders HZ1 befindet sich an seinem oberen Totpunkt und saugt während seines ersten Taktes Frischluft oder ein Frischluft-Kraftstoff-Gemisch an. Der Hauptzylinder HZ2 ist über das geöffnete Zwischenventil ZV2 mit dem aufgeladenen Nebenzylinder NZ verbunden: der Nachexpansionstakt aus dem Hauptzylinder HZ2 in den Nebenzylinder NZ beginnt; Nachverbrennung kann einsetzen.

Fig.3.2. Der Hubkolben des Hauptzylinders HZ1 befindet sich nahe dem unteren Totpunkt, der Hubkolben des Hauptzylinders HZ2 nahe dem oberen Totpunkt. Alle Zylinder HZ1, HZ2, NZ sind zu diesem Zeitpunkt über die Zwischenventile ZV2, ZV1 verbunden, so daß in den Hauptzylinder HZ1 am Ende von dessen Ansaugtakt Abgas geleitet wird (Abgas-Rückführung), während sich dessen Hubkolben auf den unteren Totpunkt zubewegt. Die Abgas-Rückführung ist selbstverständlich auch entbehrlich, in weichem Fall ZV1 geschlossen ist.

Fig.3.3. Die Hubkolben der Hauptzylinder HZ1, HZ2 haben ihre jeweiligen Totpunkte erreicht. Die Zwischenventile ZV1, ZV2 werden geschlossen, das Einlaßventil EV2 wird geöffnet. Im Hauptzylinder HZ1 beginnt der Kompressionstakt, im Hauptzylinder HZ2 ein weiterer Ansaugtakt. Im Nebenzylinder NZ erfolgt auf dem Weg von dessen Hubkolben zum unteren Totpunkt Restexpansion.

Fig.3.4 Der Hubkolben des Nebenzylinders NZ hat seinen unteren Totpunkt erreicht, das Abgasventil AV ist geöffnet, die Verdrängung der Abgase beginnt. In den Hauptzylindern HZ 1, HZ2 wird der Kompressions- bzw. Ansaugtakt fortgesetzt.

Fig.3.5. Die Hubkolben der Hauptzyiinder HZ1, HZ2 haben ihren oberen bzw, unteren Totpunkt erreicht. Im Hauptzylinder HZ1 beginnt unter Verbrennung des Kraftstoffes der Vorexpansionstakt. Das Einlaßventil EV2 des Hauptzylinders HZ2 ist geschlossen worden, die Vorkompression setzt dort ein. Der Hubkolben des Nebenzylinders NZ befindet sich etwa an der Stelle seines halben Aufwärtshubes, die Verdrängung der Abgase wird fortgesetzt. 4

Claims (3)

1. AT 397 838 B Fig.3.6. Die Hubkolben der Hauptzylinder HZ1, HZ2 haben etwa die Hälfte ihrer jeweiligen Hube zurückgelegt. Der Hubkolben des Nebenzylinders NZ hat sich seinem oberen Totpunkt genähert, das Abgas ist größtenteils verdrängt. Das Abgasventil AV ist geschlossen worden, das Zwischenventil ZV2 des Hauptzylinders HZ2 geöffnet. Es folgt die Ladung des Nebenzylinders NZ aus dem Hauptzylinder HZ2, Die Vorexpansion im Hauptzylinder HZ1 wird fortgesetzt. Fig.3.7. Die Hubkolben der Hauptzylinder HZ1, HZ2 haben ihren unteren bzw. oberen Totpunkt erreicht. Die Ladung des Nebenzylinders NZ ist abgeschlossen, sein Hubkolben befindet sich - noch nahe des oberen Totpunktes - am Weg zum unteren Totpunkt. Das Zwischenventil ZV1 ist geöffnet, das Zwischenventil ZV2 geschlossen worden, wogegen das Einlaßventil EV2 geöffnet worden ist. Der nächste Nachexpansionstakt beginnt; Nachverbrennung im Nebenzyiinder NZ kann einsetzen. Die Situation entspricht Fig.3.1., aber mit vertauschten Hauptzylindern HZ1 und HZ2. Fig.3.8. Die Situation entspricht Fig.3.2, aber mit vertauschten Hauptzylindern HZ1, HZ2. Patentansprüche 1. Hubkolben-Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Hauptzylindern (HZ1, HZ2), deren Arbeitstakte gegeneinander verschoben sind, die Einlaßventile (EV) aufweisen und die über Zwischenventile (ZV) mit einem gemeinsamen Nebenzylinder (NZ) verbunden sind, der im Zweitaktrhythmus arbeitet und in einem Takt abwechselnd der Nachexpansion der Abgase der beiden Hauptzylinder (HZ1, HZ2) und im darauf folgenden Takt der Verdrängung des Abgases über mindestens ein an ihm vorgesehenes Auslaßventil (AV) dient, sowie ein Mehrfaches des Volumens eines Hauptzylinders (HZ1, HZ2) aufweist, wobei der Nebenzylinder (NZ) vor der Beaufschlagung mit dem Abgas eines Hauptzylinders (HZ1, HZ2) mit vom anderen Hauptzylinder (HZ2, HZ1) vorkomprimierter Frischluft oder vorkomprimiertem Frischluft-Kraftstoff-Gemisch ladbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenzylinder (NZ) auf eine eigene Kurbelwelle (NK) arbeitet, deren Winkelgeschwindigkeit zwei Drittel der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle(n) (K1 bzw. K2) der Hauptzyiinder (HZ1, HZ2) beträgt, daß die Kurbelwellen der Hauptzylinder (HZ1, HZ2) und des Nebenzylinders (NZ) über ein im Verhältnis zwei zu drei arbeitendes Getriebe (G) verbunden sind und daß die beiden Hauptzylinder (HZ1, HZ2) gegeneinander um drei Takte verschoben, im Sechstaktrhythmus betreibbar sind, wobei auf den jeweils in Verbindung mit dem Nebenzylinder (NZ) durchgeführten Nachexpansionstakt, der auf drei, den ersten drei Takten eines Viertaktrhythmus entsprechende Takte folgt, als fünfter Takt ein Ansaugtakt für Frischluft oder Frischluft-Kraftstoff-Gemisch durchführbar ist, welche(s) im sechsten Takt des Hauptzylinders (HZ1, HZ2) zwecks nachfolgender Ladung des Nebenzylinders (NZ) vorkomprimierbar ist.
2. 2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß kurz vor dem Ende des Nachexpansionstaktes alle Zylinder (HZ1, HZ2, NZ) über die Zwischenventile (ZV) zwecks Abgasrückführung aus dem am Ende des Nachexpansionstaktes befindlichen einen Hauptzylinders (HZ2 bzw. HZ1) und aus dem Nebenzylinder (NZ) in den am Ende des ersten Ansaugtaktes befindlichen anderen Hauptzylinder (HZ1 bzw. 2) verbindbar sind, wobei durch die Abgasrückführung das effektive Saugvolumen des Hauptzylinders (HZ1 bzw. HZ2) einstellbar ist.
3. 3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung während des Vorexpansionstaktes in den Hauptyzlindem (HZ1, HZ2) unter Sauerstoffmangel und im Nebenzylinder (NZ) während des Nachexpansionstaktes unter Sauerstoffüberschuß durchführbar ist. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 5