DE102005025446A1

DE102005025446A1 - Luftspülung für einen Freikolbenmotor

Info

Publication number: DE102005025446A1
Application number: DE102005025446A
Authority: DE
Inventors: Lixin Peng; Peter Dr. Hofbauer; Kevin Fuqua; Adrain Tusinean
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2025-06-03
Also published as: GB2415747B; DE102005025446B4; US6941904B1; GB2415747A; GB0510011D0

Abstract

Freikolbenmotor (10) mit einem Paar gegenüberliegender Motorzylinder (44, 144), die an entgegengesetzten Seiten einer Fluidpumpenanordnung (12) angeordnet sind. Eine Innenkolbenanordnung (200) weist ein Paar Innenkolben (202, 220) auf, die jeweils in einem der Motorzylinder (44, 144) wirksam angeordnet sind, wobei eine Schubstange (240) zwischen den Innenkolben (202, 220) mit diesen verbunden ist. Die Schubstange (240) erstreckt sich durch eine Innenpumpenkammer (306) in der Fluidpumpenanordnung (12) hindurch und bildet einen Fluidplunger (242) innerhalb dieser Kammer. Eine Außenkolbenanordnung (250) weist ein Paar Außenkolben (252, 275) auf, die jeweils in einem der Motorzylinder (44, 144) wirksam angeordnet sind, wobei wenigstens eine Zugstange (293, 294) zwischen den Außenkolben (252, 275) mit diesen verbunden ist. Die Zugstange (293, 294) erstreckt sich durch eine Außenpumpenkammer (314, 318) in der Fluidpumpenanordnung (12) hindurch und bildet einen Fluidplunger (295, 296) innerhalb dieser Kammer. Jeder Außenkolben (252, 275) wirkt mit einer integrierten Spülpumpe (74, 174) zusammen, um die Ladeluft zu komprimieren, wodurch die Ladungsdichte der Luft in den Motorzylindern (44, 144) für jeden Hub des Motors beträchtlich erhöht wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Freikolbenmotor, und insbesondere einen Freikolbenmotor mit einer Konfiguration gegenüberliegender Kolben und Zylinder.

Herkömmlich arbeiteten Verbrennungsmotoren mit der mechanisch festgelegten Kolbenbewegung. Zum Beispiel weist ein herkömmlicher Verbrennungsmotor für ein Motorfahrzeug eine Kurbelwelle und eine Pleuelstangenanordnung auf, welche die Bewegung jedes Kolbens in dessen jeweiligem Zylinder mechanisch bestimmen. Dieser Motortyp ist erwünscht, da die Position jedes Kolbens für jeden vorgegebenen Punkt in dem Motorzyklus bekannt ist, was die Zeitsteuerung und den Betrieb des Motors vereinfacht. Während bei diesen herkömmlichen Motortypen aufgrund des Wesens der Motoren in den letzten Jahren deutliche Verbesserungen in der Effizienz erkennbar waren, ist diese Effizienz noch begrenzt. Insbesondere ist die Leistungsdichte begrenzt, da die mechanisch festgelegte Kolbenbewegung das Verdichtungsverhältnis festlegt. Darüber hinaus erzeugen alle beweglichen Teile, welche die Bewegung der Kolben (und auch der Nockenwellen und Motorventile) führen, eine große Menge an Reibung, wodurch Energie von dem Motor selbst weggenommen wird. Die daraus resultierende geringere Leistungsdichte bedeutet, dass der Motor größer und schwerer wird, als erwünscht ist. Ebenso ist die Flexibilität in der Gestaltung und Unterbringung des Motors wegen allen herzustellenden mechanischen Verbindungen begrenzt.

Demzufolge ist es aus Umwelt- und anderen Gründen erwünscht, einen Motor mit einer höheren Leistungsdichte als diese herkömmlichen Motoren zu schaffen. Die Vorteile von geringerem Relativgewicht, geringerer Gehäusegröße und verbesserter Kraftstoffeffizienz können ein großer Vorteil bei Anwendungen sowohl in der Fahrzeug- als auch Stationärantriebherstellung sein.

Ein anderer Verbrennungsmotortyp ist ein Freikolbenmotor. Dies ist ein Motor, bei dem die Bewegung der Kolben in den Zylindern nicht mechanisch festgelegt ist. Die Bewegung wird durch den Ausgleich von Kräften gesteuert, die auf jeden Kolben in einer vorgegebenen Zeit einwirken. Da die Bewegung nicht festgelegt ist, können die Motoren variable Verdichtungsverhältnisse haben, was mehr Flexibilität in der Gestaltung der Betriebsparameter des Motors ermöglicht. Ebenso tritt, da es keine herkömmlichen Kurbelwellen und an diesen angebrachte Pleuelstangen gibt, die kolbenseitige Kräfte verursachen, generell weniger Reibung auf, die während des Motorbetriebs erzeugt wird.

Ebenso ist eine Konfiguration eines Freikolbenmotors mit gegenüberliegenden Kolben und Zylindern (OPOC) aufgrund dessen generell in sich ausgeglichenen Betriebs mit einem kompakten Aufbau erwünscht. Ein besonders vorteilhafter Weg, einen solchen Motor zu betreiben, ist ein Zweitaktverbrennungszyklus, welcher ein Mittel zum Zuführen ausreichender Luft zu dem Zylinder benötigt. Darüber hinaus kann es erwünscht sein, in einem Zweitaktmodus mit einer Verbrennung der homogenen Kompressionszündung (HCCI) zu arbeiten, welcher beste Vorteile in der Fähigkeit bringt, den Motor mit einem variablen Verdichtungsverhältnis zu betreiben, um weiter die Leistungsdichte des Motors zu erhöhen und die Emissionen und den Kraftstoffverbrauch des Motors zu reduzieren. Der HCCI-Betrieb mit mageren Luft/Kraftstoffverhältnissen (44:1 oder magerer) reduziert die NOx-Emissionen auf einen niedrigen Wert, jedoch erfordert dies eine noch größere Fähigkeit, die Ansaugluft für jeden Motorhub zu maximieren, um eine maximale Abtriebsleistung zu erzeugen. Diese Fähigkeit, große Mengen Luft anzusaugen, ist dann erwünscht, während noch ein relativ kompakter und leichter Motor erhalten bleibt.

Bei einem herkömmlichen Zweitaktmotor wird die Rückseite des Kolbens, die in das Kurbelgehäuse gerichtet ist, gelegentlich als eine Spülpumpe verwendet. Jedoch gibt es bei einem OPOC-Freikolbenmotor keine Kurbelwelle, und ferner kann die Querschnittsfläche der Rückseite des Kolbens keine ausreichende Pumpenleistung bereitstellen, um die gewünschte Luftladung in dem Verbrennungszylinder zu erreichen.

Nach deren Ausführungsformen weist die Erfindung einen Freikolbenmotor mit einer Anordnung zur Speicherung und Steuerung von Energie, die eine erste Seite aufweist, und eine erste Verbrennungszylinderanordnung auf, die benachbart zu der ersten Seite der Anordnung zur Speicherung und Steuerung von Energie angeordnet ist und eine erste Zylinderlaufbuchse aufweist, die einen im Wesentlichen kreisförmigen ersten Motorzylinder definiert, welcher um eine Bewegungsachse zentriert ist, wobei der erste Motorzylinder einen Zylinderdurchmesser hat. Der Motor weist ferner eine Außenkolbenanordnung mit einem ersten Außenkolben auf, der in dem ersten Motorzylinder entlang der Bewegungsachse teleskopisch verschiebbar angeordnet ist und einen ersten Außenkolbenkopf aufweist, welcher der ersten Seite zugewandt ist, wobei der erste Außenkolben eine erste Kolbenbrücke aufweist, die an einem dem Kopf entgegengesetzten Ende des ersten Außenkolbens angeordnet ist, wobei die erste Kolbenbrücke eine ovale Außenfläche mit einem maximalen Durchmesser aufweist, der größer als der Zylinderdurchmesser des ersten Motorzylinders ist, und wobei die Außenkolbenanordnung eine erste Außenstange aufweist, die an der ersten Kolbenbrücke montiert ist und mit der Anordnung zur Speicherung und Steuerung von Energie wirksam in Eingriff steht. Der Motor weist auch eine erste Spülpumpe auf, die mit dem ersten Verbrennungszylinder in Eingriff steht und ein erstes Spülpumpengehäuse aufweist, welches eine Lufteinlassöffnung und eine Luftauslassöffnung definiert und eine Wand aufweist, die eine Hauptpumpenkammer definiert, die mit der Lufteinlassöffnung und der Luftauslassöffnung wahlweise verbindbar ist, wobei die Hauptpumpenkammer die erste Kolbenbrücke darin teleskopisch aufnimmt und die Wand in der Form zylindrisch ist und einen ovalen Querschnitt hat, so dass die ovale Außenfläche der ersten Kolbenbrücke gegen die Wand abdichtet.

Ein Vorteil einer Ausführungsform der Erfindung ist, dass die Konfiguration eines Freikolbenmotor mit gegenüberliegenden Kolben und Zylindern (OPOC) einen in sich ausgeglicheneren Freikolbenmotor ermöglicht, als andere mögliche Konfigurationen von Freikolbenmotoren. Darüber hinaus hat der OPOC-Freikolbenmotor, der mit relativ wenig beweglichen Hauptteilen konfiguriert ist, während des Motorbetriebs im Allgemeinen weniger Gesamtreibung als ein Kurbelwellenmotor zu überwinden. Die integrierten Spülpumpen ermöglichen eine adäquate Zufuhr von Luft zu den Zylindern.

Ein anderer Vorteil einer Ausführungsform der Erfindung ist, dass die kompakte integrierte Gestaltung der Spülpumpe eine höhere Leistungsdichte ermöglicht, während ein relativ kompakter und leichter Motor erhalten bleibt. Eine externe Spülpumpe ist nicht erforderlich.

Ein weiterer Vorteil einer Ausführungsform der Erfindung ist, dass das Verhältnis des Motorkolbens zu dem Spülpumpenkolben trotz der Einbeziehung in den Motor größer als 1:1 ist.

Ein zusätzlicher Vorteil einer Ausführungsform der Erfindung ist, dass ein variables Verdichtungsverhältnis nicht nur einem wirksameren Motorbetrieb mit homogener Kompressionszündung (HCCI) dienlich ist, sondern auch ermöglicht, dass die Strategie der Motorsteuerung für einen weiten Bereich von unterschiedlichen Kraftstoffen, die für die Verbrennung verwendet werden, anpassbar ist. Der OPOC-Freikolbenmotor kann die für die HCCI-Verbrennung benötigte Kompressionsenergie erreichen, während die Erzeugung eines negativen Arbeitstaktes mit Frühzündung leichter als bei einem Kurbelwellenmotor vermieden wird. Die integrierte Spülpumpe erhöht bedeutend den Lufteinlass zu den Zylindern für jeden Motorhub, wodurch der HCCI-Betrieb besser durchführbar ist.

Ein weiterer Vorteil einer Ausführungsform der Erfindung ist, dass die von dem Motor abgegebene Energie als druckbeaufschlagtes Fluid oder stattdessen als elektrische Energie gespeichert werden kann, wenn es gewünscht wird.

Die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Freikolbenmotors mit gegenüberliegenden Kolben und Zylindern mit hydraulischer Steuerung und hydraulischem Abtrieb gemäß der Erfindung;
2 eine Vorderansicht des Motors aus 1;
3A und 3B jeweils eine Draufsicht des Motors aus 1;
4A und 4B jeweils eine Seitenansicht des Motors aus 1;
5A einen Schnitt des Motors entlang der Linie 5A-5A in 3A;
5B einen Schnitt des Motors entlang der Linie 5B-5B in 3B;
6A einen Schnitt des Motors entlang der Linie 6A-6A in 4A;
6B einen Schnitt des Motors entlang der Linie 6B-6B in 4B;
7 eine perspektivische Ansicht eines Teils des Motors aus 1, und insbesondere der Oberseite einer Hydraulikpumpenblockanordnung und einer Innenkolbenanordnung;
8 eine perspektivische Ansicht wie in 7, jedoch von der Unterseite der Hydraulikpumpenblockanordnung und der Innenkolbenanordnung betrachtet;
9 eine perspektivische Ansicht einer Zylinderlaufbuchse des Motors aus 1;
10 eine schematische Ansicht des Hydraulikschaltkreises des Motors aus 1;
11 eine schematische Ansicht eines Teils des Elektronikschaltkreises, der bei dem Motor aus 1 angewendet wird; und
12 eine perspektivische Explosionsansicht einer Spülpumpe gemäß der Erfindung;
13 eine perspektivische Ansicht eines Spülpumpengehäuses gemäß der Erfindung;
14 eine perspektivische Ansicht eines Außenkolbens und einer Kolbenbrücke gemäß der Erfindung; und
15 eine perspektivische Ansicht einer Außenkolbenanordnung gemäß der Erfindung.
1 bis 15 zeigen einen hydraulischen Freikolbenmotor 10 mit gegenüberliegenden Kolben und Zylindern. Der Motor 10 weist eine Hydraulikpumpenblockanordnung 12 mit einer ersten Kolben/Zylinderanordnung 14, die sich von dieser erstreckt, und einer zweiten Kolben/Zylinderanordnung 16 auf, die sich von der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 in der entgegengesetzten Richtung erstreckt, so dass diese in einer Linie sind. Die Zeitsteuerung der ersten Kolben/Zylinderanordnung 14 ist entgegengesetzt zu der Zeitsteuerung der zweiten Kolben/Zylinderanordnung 16. Daher ist, wenn die eine Anordnung in dem oberen Totpunkt ist, die andere Anordnung in dem unteren Totpunkt. Darüber hinaus verläuft die Bewegung entlang oder parallel zu einer einzigen Bewegungsachse. Diese Konfiguration des Freikolbenmotors ermöglicht einen in sich ausgeglicheneren Motor.
Die erste Kolben/Zylinderanordnung 14 weist einen ersten Zylindermantel 18 auf, welcher an der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 montiert ist. Der erste Zylindermantel 18 weist eine erste Abgasspirale 20 auf, welche benachbart zu der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 angeordnet ist. Das Innere der ersten Abgasspirale 20 definiert einen inneren Abgaskanal 22, der sich am Umfang um den ersten Zylindermantel 18 herum und radial nach außen zu einem ersten Abgasflansch 24 erstreckt. Der Abgasflansch 24 ist mit einem Abgassystem (nicht gezeigt) zum Abführen des Abgases während des Motorbetriebs verbindbar. Das Abgassystem kann von irgendeiner gewünschten Art sein, so lange wie es die Abgase ausreichend behandelt und diese anführt. Das Abgassystem kann zum Beispiel einen Auspuffkrümmer, einen Schalldämpfer, einen Katalysator, einen Turbolader oder eine Kombination dieser und möglicher anderer Bauteile aufweisen.
Der erste Zylindermantel 18 weist auch eine Kühlmitteleinlassöffnung 26 auf, welche benachbart zu der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 liegt und sich in eine insgesamt am Umfang erstreckende Kühlmittelpassage 28 erstreckt. Die Kühlmitteleinlassöffnung 26 ist mit einem Kühlmittelkühlsystem (nicht gezeigt) verbunden, welches zum Beispiel einen Wärmetauscher, wie einen Kühler, zum Entziehen von Wärme aus dem Motorkühlmittel, eine Wasserpumpe zum Pumpen des Kühlmittels durch das Kühlsystem hindurch, einen Temperatursensor und ein Strömungsventil zum Halten des Kühlmittels in einem gewünschten Temperaturbereich, Kühlmittelleitungen, die sich zwischen den Bauteilen erstrecken, oder eine Kombination dieser und möglicher anderer Bauteile aufweist. Das Kühlsystem kann von irgendeiner gewünschten Art eines Motorkühlsystems sein, so lange wie es dem Motor die ausreichende Wärmemenge entzieht.
An dem der Abgasspirale 20 entgegengesetzten Ende des ersten Zylindermantels 18 erstreckt sich am Umfang ein Luftansaugring 30, dessen Inneres einen Luftansaugkanal 31 definiert. Der erste Zylindermantel 18 bildet benachbart zu dem Luftansaugring 30 einen Kraftstoffeinspritzvorrichtungsansatz 32, in dem eine erste Kraftstoffeinspritzvorrichtung 34 montiert ist. Die erste Kraftstoffeinspritzvorrichtung 34 ist mit einer elektronischen Steuereinrichtung 35 elektrisch verbunden, welche ein Signal zur Steuerung des Zeitpunktes und der Dauer des Öffnens der Kraftstoffeinspritzvorrichtung bereitstellt. Die erste Kraftstoffeinspritzvorrichtung 34 ist auch mit einer Kraftstoffeinspritzvorrichtungsschiene 37 verbunden, welche Kraftstoff von einem Kraftstoffsystem 39 zuführt (nur schematisch gezeigt). Das Kraftstoffsystem 39 kann zum Beispiel einen Kraftstoffbehälter, eine Kraftstoffpumpe, Kraftstoffleitungen, die zu der Kraftstoffschiene führen, oder eine Kombination dieser und möglicher anderer Bauteile aufweisen. Irgendeine Art von Kraftstoffsystem, das eine angemessene Menge an Kraftstoff unter dem gewünschten Druck an die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 34 liefern kann, ist generell akzeptabel. Vorzugsweise weist die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsschiene 37 auch einen Kraftstoffdrucksensor 41 auf, der mit der Steuereinrichtung 35 elektrisch verbunden ist. Die Steuereinrichtung 35 wird vorzugsweise von einem elektrischen System mit einer Batterie (nicht gezeigt), einem elektrischen Generator oder einer Lichtmaschine betrieben, welche vorzugsweise durch Energie, die von dem Motor 10 abgegeben wird, oder irgendeiner anderen angemessenen elektrischen Energieversorgung angetrieben wird. Ebenso kann, obwohl die Steuereinrichtung 35 hier in der Einzahl genannt ist, diese mehrere elektronische Prozessoren in Verbindung miteinander aufweisen, wenn es erwünscht ist.
Ungefähr in der Mitte zwischen der ersten Abgasspirale 20 und dem Luftansaugring 30 bildet der erste Zylindermantel 18 einen Drucksensormontageansatz 36, in dem ein erster Zylinderdrucksensor 38 montiert ist. Der erste Zylinderdrucksensor 38 ist vorzugsweise mit der Steuereinrichtung 35 elektrisch verbunden. Der erste Zylinderdrucksensor 38 ist optional, d.h. wenn dieser nicht in dem Motor angewendet wird, würde auch der Drucksensormontageansatz 36 weggelassen werden. Sowohl der Kraftstoffeinspritzvorrichtungsansatz 32 als auch der Drucksensormontageansatz 36 erstrecken sich durch den ersten Zylindermantel 18 hindurch zu einer Hauptbohrung 40, die sich längs des ersten Zylindermantels 18 erstreckt. Die Kühlmittelpassage 28, der innere Abgaskanal 22 und der Luftansaugring 30 münden auch alle in die Hauptbohrung 40.
Die erste Kolben/Zylinderanordnung 14 weist auch eine erste Zylinderlaufbuchse 42 auf, welche sich durch die Hauptbohrung 40 des ersten Zylindermantels 18 hindurch erstreckt und vorzugsweise in diese eingepresst ist. Die erste Zylinderlaufbuchse 42 weist eine zylindrisch geformte Hauptbohrung auf, die sich durch diese hindurch erstreckt und den ersten Motorzylinder 44 definiert. Die Mittelachse des ersten Motorzylinders 44 verläuft vorzugsweise längs der Bewegungsachse. Die erste Zylinderlaufbuchse 42 weist auch eine Reihe von am Umfang im Abstand voneinander angeordneten Abgasöffnungen 46 auf, welche sich zwischen dem ersten Motorzylinder 44 und dem inneren Abgaskanal 22 des ersten Zylindermantels 18 erstrecken und diese miteinander verbinden.
Die erste Zylinderlaufbuchse 42 liegt benachbart zu den Abgasöffnungen 46 an der Kühlmittelpassage 28 in dem ersten Zylindermantel 18 an. Die Kühlmittelpassage 28 ist mit einer Reihe von im Abstand voneinander angeordneten schraubenförmigen Rippen 48 verbunden, die sich von der ersten Zylinderlaufbuchse 42 radial nach außen erstrecken und an der Hauptbohrung 40 des ersten Zylindermantels 18 unter Bildung einer Reihe von Zylinderkühlmittelpassagen 50 anliegen. Innerhalb dieser Rippen 48 erstreckt sich ein Zylinderdrucksensorgewindeansatz 52 von dem ersten Motorzylinder 44 zu dem Drucksensormontageansatz 36 an dem ersten Zylindermantel 18. Dadurch kann der erste Zylinderdrucksensor 38 zu dem ersten Motorzylinder 44 freigelegt werden, während der Zylinderdrucksensor 38 von dem Motorkühlmittel abgedichtet ist.
Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung 54 ist zu dem Kraftstoffeinspritzvorrichtungsansatz 32 ausgerichtet und erstreckt sich durch die Rippen 48 hindurch zu dem ersten Motorzylinder 44. Dadurch kann die erste Kraftstoffeinspritzvorrichtung 34 Kraftstoff direkt in den ersten Motorzylinder 44 einspritzen.
Die erste Zylinderlaufbuchse 42 weist auch eine Reihe von am Umfang im Abstand voneinander angeordneten Luftansaugöffnungen 56 auf, die zu dem Luftansaugring 30 des ersten Zylindermantels 18 ausgerichtet sind und in den ersten Motorzylinder 44 münden. Benachbart zu den Luftansaugöffnungen 56 ist eine Reihe von im Abstand voneinander angeordneten Ölnebellöchern 58, die am Umfang um die erste Zylinderlaufbuchse 42 herum liegen.
Die erste Kolben/Zylinderanordnung 14 weist auch einen ersten Luftgürtel 60 auf. Der Luftgürtel 60 ist um die erste Zylinderlaufbuchse 42 herum montiert und liegt an dem ersten Zylindermantel 18 an der Stelle des Luftansaugringes 30 an. Ein Öleinlassrohr 62 steht von dem ersten Luftgürtel 60 vor und erstreckt sich durch diesen hindurch und ist mit einem Ölnebelring 64 verbunden. Der Ölnebelring 64 liegt an der Stelle der Ölnebellöcher 58 an der ersten Zylinderlaufbuchse 42 an und erstreckt sich am Umfang um diese herum. Ein Ölversorgungssystem (nicht gezeigt) ist mit dem Öleinlassrohr 62 verbunden, um das Öl an den Ölnebelring 64 zu liefern. Das Ölversorgungssystem kann zum Beispiel einen Ölsumpf, eine Ölpumpe, einen Ölfilter, einen Ölkühler oder Ölleitungen zum Übertragen des Öls durch das System hindurch, oder eine Kombination dieser und möglicher anderer Bauteile aufweisen. Das Ölversorgungssystem kann irgendein solches System sein, das mit den Motorbauteilen zusammenwirken kann, um Schmieröl dem Motor während dessen Betriebs ausreichend zuzuführen.
Ebenso liegt ein Kühlmittelring 66 an der ersten Zylinderlaufbuchse 42 an und erstreckt sich am Umfang um diese herum. Der Kühlmittelring 66 ist mit den Zylinderkühlmittelpassagen 50 und auch mit einer Kühlmittelaustrittsöffnung 68 verbunden, die sich von dem ersten Luftgürtel 60 erstreckt. Die Kühlmittelaustrittsöffnung 68 ist mit dem Kühlmittelkühlsystem (nicht gezeigt) verbunden, welches oben erläutert wurde. Der erste Luftgürtel 60 weist auch ein Paar Zugstangenpassagen 70 und eine Ansaugluftpassage 72 auf, die mit dem Luftansaugring 30 des ersten Zylindermantels 18 in Verbindung stehen.
Die erste Kolben/Zylinderanordnung 14 enthält auch eine erste Spülpumpe 74. Die Spülpumpe 74 weist ein Spülpumpengehäuse 76 auf, das an dem ersten Luftgürtel 60 und um das Ende der ersten Zylinderlaufbuchse 42 herum montiert ist. Das Spülpumpengehäuse 76 weist eine Hauptpumpenkammer 78 mit Einlassöffnungen 80, die zu einer Einlasskammer 82 führen, und Auslassöffnungen 84 auf, die zu einer Auslasskammer 86 führen. Die Hauptpumpenkammer 78 hat eine zylindrische Form mit einem im Wesentlichen elliptischen Querschnitt. Das Spülpumpengehäuse 76 weist auch Kühlrippen 96 auf, die sich von drei Flächen erstrecken, um die Wärme von der ersten Spülpumpe 74 wegzuführen.
An der Einlasskammer 82 sind eine Einlasszungenventilanordnung 88 und ein Spülpumpeneinlassdeckel 90 mittels Befestigungselementen 87 montiert. Die Einlasszungenventilanordnung 88 weist eine Zungenanordnung 94 auf, die an einer Stützplatte 97 montiert ist. Die Zungenanordnung 94 ist derart ausgerichtet, dass sie einen Luftstrom von dem Einlassdeckel 90 in die Einlasskammer 82 hinein ermöglicht, jedoch ein Luftstrom in der entgegengesetzten Richtung verhindert. Dichtungen 98 dichten die Bauteile zueinander ab. Der Einlassdeckel 90 weist eine Lufteinlassöffnung 92 auf, welche vorzugsweise mit einem Lufteinlasssystem (nicht gezeigt) verbunden ist. Das Lufteinlasssystem kann zum Beispiel einen Einlasskrümmer, der vorzugsweise Luft von irgendeiner Art eines Turboladers oder mechanischen Kompressors aufnimmt, ein Luftdrosselventil, einen Massenluftstromsensor, einen Umgebungslufttemperatursensor, einen Luftfilter oder eine Kombination dieser und möglicher anderer Bauteile aufweisen. Das Lufteinlasssystem kann irgendein solches System sein, das ein gewünschtes Volumen an Luft mit einem gewünschten Druck an die Lufteinlassöffnung 92 für die jeweiligen Motorbetriebszustände liefert.
An der Auslasskammer 86 sind eine Auslasszungenventilanordnung 89 und ein Spülpumpenauslassdeckel 91 mittels Befestigungselementen 99 montiert. Die Auslasszungenventilanordnung 89 weist eine Zungenanordnung 95 auf, die an einer Stützplatte 83 montiert ist. Dichtungen 81 dichten die Bauteile zueinander ab. Der Auslassdeckel 91 weist eine Lufteinlasspassage 93 auf, die von der Auslasszungenventilanordnung 89 über die Ansaugluftpassage 72 in dem ersten Luftgürtel 60 zu dem Luftansaugkanal 31 des ersten Zylindermantels 18 führt. Die Zungenanordnung 95 ist derart ausgerichtet, dass sie einen Luftstrom aus der Auslasskammer 86 zu der Lufteinlasspassage 93 ermöglicht, jedoch einen Luftstrom in der entgegengesetzten Richtung verhindert. Der Einlassdeckel 90 und der Auslassdeckel 91 können auch Kühlrippen 85 aufweisen, um die Kühlfähigkeit der ersten Spülpumpe 74 weiter zu verbessern. Diese Konfiguration der Spülpumpe 74 ermöglicht eine mit dem ersten Zylindermantel 18 übereinstimmende Größe und Form, was die Einbindung in die erste Kolben/Zylinderanordnung 14 unter Beibehaltung der Kompaktheit des gesamten Motors ermöglicht.
Die zweite Kolben/Zylinderanordnung 16 weist einen zweiten Zylindermantel 118 auf, welcher an der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 montiert ist. Der zweite Zylindermantel 118 weist eine zweite Abgasspirale 120 auf, welche benachbart zu der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 angeordnet ist. Das Innere der zweiten Abgasspirale 120 definiert einen inneren Abgaskanal 122, der sich am Umfang um den zweiten Zylindermantel 118 herum und radial nach außen zu einem zweiten Abgasflansch 124 erstreckt. Der Abgasflansch 124 ist mit dem Abgassystem (nicht gezeigt) verbindbar, das oben kurz erläutert ist. Der zweite Zylindermantel 118 weist auch eine Kühlmitteleinlassöffnung 126 auf, welche benachbart zu der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 liegt und sich in eine insgesamt am Umfang erstreckende Kühlmittelpassage 128 erstreckt. Die Kühlmitteleinlassöffnung 126 ist mit einem Kühlmittelkühlsystem (nicht gezeigt) verbunden.
An dem der Abgasspirale 120 entgegengesetzten Ende des zweiten Zylindermantels 118 erstreckt sich am Umfang ein Luftansaugring 130, dessen Inneres einen Luftansaugkanal 131 definiert. Der zweite Zylindermantel 118 bildet benachbart zu dem Luftansaugring 130 einen Kraftstoffeinspritzvorrichtungsansatz 132, in dem eine zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung 134 montiert ist. Die zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung 134 ist mit der elektronischen Steuereinrichtung 35 elektrisch verbunden, welche ein Signal zur Steuerung des Zeitpunktes und der Dauer des Öffnens der Kraftstoffeinspritzvorrichtung bereitstellt. Die zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung 134 ist auch mit der Kraftstoffeinspritzvorrichtungsschiene 37 verbunden, welche Kraftstoff von dem Kraftstoffsystem 39 zuführt. Das Kraftstoffsystem 39 kann zum Beispiel einen Kraftstoffbehälter, eine Kraftstoffpumpe und Kraftstoffleitungen aufweisen, die zu der Kraftstoffschiene führen. Vorzugsweise weist die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsschiene 37 auch einen Kraftstoffdrucksensor 141 auf, der mit der Steuereinrichtung 35 elektrisch verbunden ist.
Ungefähr in der Mitte zwischen der zweiten Abgasspirale 120 und dem Luftansaugring 130 bildet der zweite Zylindermantel 118 einen Drucksensormontageansatz 136, in dem ein zweiter Zylinderdrucksensor 138 montiert ist. Der zweite Zylinderdrucksensor 138 ist optional. Sowohl der Kraftstoffeinspritzvorrichtungsansatz 132 als auch der Drucksensormontageansatz 136 erstrecken sich durch den ersten Zylindermantel 118 hindurch zu einer Hauptbohrung 140, die sich längs des zweiten Zylindermantels 118 erstreckt. Die Kühlmittelpassage 128, der innere Abgaskanal 122 und der Luftansaugring 130 münden auch alle in die Bohrung 140.
Die zweite Kolben/Zylinderanordnung 16 weist auch eine zweite Zylinderlaufbuchse 142 auf, welche sich durch die Hauptbohrung 140 des zweiten Zylindermantels 118 hindurch erstreckt und vorzugsweise in diese eingepresst ist. Die zweite Zylinderlaufbuchse 142 weist eine zylindrisch geformte Hauptbohrung auf, die sich durch diese hindurch erstreckt und den zweiten Motorzylinder 144 definiert. Die Mittelachse des zweiten Motorzylinders 144 verläuft vorzugsweise längs der Bewegungsachse. Die zweite Zylinderlaufbuchse 142 weist auch eine Reihe von am Umfang im Abstand voneinander angeordneten Abgasöffnungen 146 auf, welche sich zwischen dem zweiten Motorzylinder 144 und dem inneren Abgaskanal 122 des zweiten Zylindermantels 118 erstrecken und diese miteinander verbinden.
Die zweite Zylinderlaufbuchse 142 liegt benachbart zu den Abgasöffnungen 146 an der Kühlmittelpassage 128 in dem zweiten Zylindermantel 118 an. Die Kühlmittelpassage 128 ist mit einer Reihe von im Abstand voneinander angeordneten schraubenförmigen Rippen 148 verbunden, die sich von der zweiten Zylinderlaufbuchse 142 erstrecken und an der Hauptbohrung 140 des zweiten Zylindermantels 118 unter Bildung einer Reihe von Zylinderkühlmittelpassagen 150 anliegen. Innerhalb dieser Rippen 148 erstreckt sich ein Zylinderdrucksensorgewindeansatz 152 von dem zweiten Motorzylinder 144 zu dem Drucksensormontageansatz 136 an dem zweiten Zylindermantel 118. Dadurch kann der zweite Zylinderdrucksensor 138 zu dem zweiten Motorzylinder 144 freigelegt werden, während der Zylinderdrucksensor 138 von dem Motorkühlmittel abgedichtet ist.
Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung ist zu dem Kraftstoffeinspritzvorrichtungsansatz 132 ausgerichtet und erstreckt sich durch die Rippen 148 hindurch zu dem zweiten Motorzylinder 144. Dadurch kann sich die zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung 134 durch den zweiten Motorzylinder 144 hindurch erstrecken und Kraftstoff in diesen einspritzen.
Die zweite Zylinderlaufbuchse 142 weist auch eine Reihe von am Umfang im Abstand voneinander angeordneten Luftansaugöffnungen 156 auf, die zu dem Luftansaugring 130 des zweiten Zylindermantels 118 ausgerichtet sind und in den zweiten Motorzylinder 144 münden. Benachbart zu den Luftansaugöffnungen 156 ist eine Reihe von im Abstand voneinander angeordneten Ölnebellöchern 158, die am Umfang um die zweite Zylinderlaufbuchse 142 herum liegen.
Die zweite Kolben/Zylinderanordnung 16 weist auch einen zweiten Luftgürtel 160 auf. Der Luftgürtel 160 ist um die zweite Zylinderlaufbuchse 142 herum montiert und liegt an dem zweiten Zylindermantel 118 an der Stelle des Luftansaugringes 130 an. Ein Öleinlassrohr 162 steht von dem zweiten Luftgürtel 160 vor und erstreckt sich durch diesen hindurch und ist mit einem Ölnebelring 164 verbunden. Der Ölnebelring 164 liegt an der Stelle der Ölnebellöcher 158 an der zweiten Zylinderlaufbuchse 142 an und erstreckt sich am Umfang um diese herum. Das Ölversorgungssystem (nicht gezeigt) ist mit dem Öleinlassrohr 162 verbunden, um das Öl an den Ölnebelring 164 zu liefern.
Ebenso liegt ein Kühlmittelring 166 an der zweiten Zylinderlaufbuchse 142 an und erstreckt sich am Umfang um diese herum. Der Kühlmittelring 166 ist mit den Zylinderkühlmittelpassagen 150 und auch mit einer Kühlmittelaustrittsöffnung 168 verbunden, die sich von dem zweiten Luftgürtel 160 erstreckt. Die Kühlmittelaustrittsöffnung 168 ist mit dem Kühlmittelkühlsystem (nicht gezeigt) verbunden, das oben erläutert ist. Der zweite Luftgürtel 160 weist auch ein Paar Zugstangenpassagen 170 und eine Ansaugluftpassage 172 auf, die mit dem Luftansaugring 130 des zweiten Zylindermantels 118 in Verbindung stehen.
Die zweite Kolben/Zylinderanordnung 16 enthält auch eine zweite Spülpumpe 174. Die Spülpumpe 174 weist ein Spülpumpengehäuse 176 auf, das an dem zweiten Luftgürtel 160 und um das Ende der zweiten Zylinderlaufbuchse 142 herum montiert ist. Das Spülpumpengehäuse 176 weist eine Hauptpumpenkammer 178 mit Einlassöffnungen 180, die zu einer Einlasskammer 182 führen, und Auslassöffnungen 184 auf, die zu einer Auslasskammer 186 führen. Die Hauptpumpenkammer 178 hat eine zylindrische Form mit einem im Wesentlichen elliptischen Querschnitt. An der Einlasskammer 182 sind eine Einlasszungenventilanordnung 188 und ein Spülpumpeneinlassdeckel 190 montiert. Der Einlassdeckel 190 weist eine Lufteinlassöffnung 192 auf, welche vorzugsweise mit dem Einlasskrümmer (nicht gezeigt) verbunden ist, der vorzugsweise Luft von irgendeiner Art eines Kompressors oder Turboladers (nicht gezeigt) aufnimmt. In der Einlasszungenventilanordnung 188 ist eine Zungenanordnung 194 derart ausgerichtet, dass ein Luftstrom von dem Einlassdeckel 190 in die Einlasskammer 182 ermöglicht wird, jedoch ein Luftstrom in der entgegengesetzten Richtung verhindert wird.
An der Auslasskammer 186 sind eine Auslasszungenventilanordnung 189 und ein Spülpumpenauslassdeckel 191 montiert. Der Auslassdeckel 191 weist eine Lufteinlasspassage 193 auf, die von der Auslasszungenventilanordnung 189 über die Ansaugluftpassage 172 in dem zweiten Luftgürtel 160 zu dem Luftansaugkanal 131 des zweiten Zylindermantels 118 führt. In der Auslasszungenventilanordnung 189 ist eine Zungenanordnung 195 derart ausgerichtet, dass sie einen Luftstrom aus der Auslasskammer 186 zu der Lufteinlasspassage 193 ermöglicht, jedoch einen Luftstrom in der entgegengesetzten Richtung verhindert.
In den beiden Kolben/Zylinderanordnungen 14 und 16 sind zwei Kolbenanordnungen, d.h. eine Innenkolbenanordnung 200 und eine Außenkolbenanordnung 250 enthalten. Die Innenkolbenanordnung 200 weist einen ersten Innenkolben 202 auf, der innerhalb des ersten Motorzylinders 44 montiert ist, wobei der Kopf 210 des ersten Innenkolbens 202 von der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 weg gerichtet ist und die Rückseite 211 zu der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 hin gerichtet ist. Der erste Innenkolben 202 ist in dem ersten Motorzylinder 44 mit einem geringen Abstand zwischen dessen Außendurchmesser und der Wand des ersten Motorzylinders 44 montiert. Dementsprechend weist der erste Innenkolben 202 auch vorzugsweise drei Ringnuten um dessen Umfang herum auf, wobei die erste Nut einen ersten Verdichtungsring 204, die zweite Nut einen zweiten Verdichtungsring 206 und die dritte Nut einen Ölabstreifring 208 aufnimmt. Alle drei Ringe 204, 206 und 208 sind derart bemessen, dass sie gegen die Wand des ersten Motorzylinders 44 abdichten.
Der erste Innenkolben 202 weist auch vorzugsweise eine Reihe von Bohrungen 212 auf, die sich axial von der Rückseite 211 des Innenkolbens 202 zu dem Kopf 210 hin erstrecken. Jede Bohrung 212 ist bevorzugt teilweise mit einer Natriumverbindung gefüllt und weist eine Kappe 214 zum Abdichten der Natriumverbindung in der Bohrung 212 auf.
Die Innenkolbenanordnung 200 weist ferner einen zweiten Innenkolben 220 auf, der innerhalb des zweiten Motorzylinders 144 montiert ist, wobei der Kopf 222 des zweiten Innenkolbens 220 von der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 weg gerichtet ist und die Rückseite 223 zu der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 hin gerichtet ist. Der zweite Innenkolben 220 ist in dem zweiten Motorzylinder 144 mit einem geringen Abstand zwischen dessen Außendurchmesser und der Wand des zweiten Motorzylinders 144 montiert. Dementsprechend weist der zweite Innenkolben 220 auch vorzugsweise drei Ringnuten um dessen Umfang herum auf, wobei die erste Nut einen ersten Verdichtungsring 224, die zweite Nut einen zweiten Verdichtungsring 226 und die dritte Nut einen Ölabstreifring 228 aufnimmt. Alle drei Ringe 224, 226 und 228 sind derart bemessen, dass sie gegen die wand des zweiten Motorzylinders 144 abdichten.
Der zweite Innenkolben 220 weist auch vorzugsweise eine Reihe von Bohrungen 230 auf, die sich axial von der Rückseite 223 des Innenkolbens 220 zu dem Kopf 222 hin erstrecken. Jede Bohrung 230 ist bevorzugt teilweise mit einer Natriumverbindung gefüllt und weist eine Kappe 232 zum Abdichten der Natriumverbindung in der Bohrung 230 auf.
Der erste Innenkolben 202 weist eine mittig gelegene, sich axial durch diesen hindurch erstreckende Bohrung 216 auf, die ein Befestigungselement 218 aufnimmt, und der zweite Innenkolben 220 weist auch eine mittig gelegene, sich axial durch diesen hindurch erstreckende Bohrung 234 auf, die ein Befestigungselement 236 aufnimmt. Die Befestigungselemente 218 und 236 sind jeweils mit einem Ende einer Schubstange 240 verschraubt, die sich durch die Hydraulikpumpenblockanordnung 12 hindurch erstreckt. Die Schubstange 240, die an jedem Innenkolben 202 und 220 fixiert ist, bewirkt, dass sich die beiden Kolben 202 und 220 übereinstimmend, vorzugsweise entlang der Bewegungsachse bewegen. Die Schubstange 240 weist auch einen Bereich mit vergrößertem Durchmesser auf, welcher einen Innenplunger 242 bildet. Der Innenplunger 242 ist in der Mitte zwischen den beiden Kolben 202 und 220 angeordnet. Der Zweck des Innenplungers 242 wird unten mit Bezug auf die Hydraulikpumpenblockanordnung 12 erläutert.
Die Innenkolbenanordnung 200 weist auch vorzugsweise eine erste Führungsstange 244 und eine zweite Führungsstange 245 auf, die sich jeweils durch die Hydraulikpumpenblockanordnung 12 hindurch erstrecken, um die Rückseiten 211 und 223 des ersten und des zweiten Innenkolbens 202 und 220 miteinander zu verbinden. Die Führungsstangen 244 und 245 verhindern die Drehung der Innenkolbenanordnung 200 während des Motorbetriebs. Wenigstens eine, und vorzugsweise beide Führungsstangen 244 und 245 weisen auch Positionssensorzeichen auf, die zum Bestimmen der axialen Position der Innenkolbenanordnung 200 während des Motorbetriebs angewendet werden können. Solche Zeichen können die Form eines ersten Satzes von Kupferringen 246 haben, die um die erste Führungsstange 244 herum fixiert sind. Die zweite Führungsstange 245 weist auch vorzugsweise Zeichen, wie einen zweiten Satz von Kupferringen 247, auf. Die zweite Führungsstange 245 kann dann als Teil eines Positionsabgleichsensors angewendet werden, um sicherzustellen, dass der Positionssensor an der ersten Führungsstange 244 die axiale Position der Innenkolbenanordnung 200 genau liest.
Die Außenkolbenanordnung 250 weist einen ersten Außenkolben 252 auf, der innerhalb des ersten Motorzylinders 44 montiert ist, wobei der Kopf 254 des ersten Außenkolbens 252 zu dem Kopf 210 des ersten Innenkolbens 202 hin gerichtet ist und die Rückseite 256 zu der ersten Spülpumpenhauptkammer 78 hin gerichtet ist. Der erste Außenkolben 252 ist innerhalb des ersten Motorzylinders 44 mit einem geringen Abstand zwischen dessen Außendurchmesser und der Wand des ersten Motorzylinders 44 montiert. Dementsprechend weist der erste Außenkolben 252 auch vorzugsweise drei Ringnuten um dessen Umfang herum auf, wobei die erste Nut einen ersten Verdichtungsring 258, die zweite Nut einen zweiten Verdichtungsring 260 und die dritte Nut einen Ölabstreifring 262 aufnimmt. Alle drei Ringe 258, 260 und 262 sind derart bemessen, dass sie gegen die wand des ersten Motorzylinders 44 abdichten.
An der Rückseite 256 des ersten Außenkolbens 252 ist eine erste Kolbenbrücke 264 montiert. Die erste Kolbenbrücke 264 weist einen äußeren, im Wesentlichen elliptisch geformten Abschnitt 266 auf, der mit der Wand der Hauptpumpenkammer 78 der ersten Spülpumpe 74 in Gleitkontakt steht und gegen diese abdichtet. Der kleine Durchmesser des elliptischen Abschnitts 266 ist vorzugsweise etwas kleiner als der Durchmesser des Kopfes 254 des ersten Außenkolbens 252, während der große Durchmesser des elliptischen Abschnitts 266 bedeutend größer als der Durchmesser des Kopfes 254 ist. Ein erster Zugstangenansatz 268 und ein zweiter Zugstangenansatz 269 sind entlang des großen Durchmessers des elliptischen Abschnitts 266 von dem Außendurchmesser des ersten Außenkolbens 252 radial nach außen angeordnet.
Die erste Kolbenbrücke 264 bewegt sich mit dem ersten Außenkolben 252 und bildet im Wesentlichen einen Teil des ersten Außenkolbens 252. Daher sind keine zusätzlichen Anordnungen zum Übertragen der Verbrennungskolbenkräfte auf die Spülpumpe erforderlich. Darüber hinaus ermöglicht die ovale Form der ersten Kolbenbrücke 264 und der zugehörigen Hauptpumpenkammer 78, dass die Zugstangen (unten beschrieben) außerhalb der Motorzylinder 44 und 144 liegen können, während das Gewicht der Außenkolbenanordnung 250 minimiert wird. Mit dieser Konfiguration wirkt der erste Außenkolben 252 als ein Verbrennungskolben in dem ersten Motorzylinder 44, während die erste Kolbenbrücke 264 als ein Spülpumpenkolben in der Hauptpumpenkammer 78 der ersten Spülpumpe 74 wirkt. Somit erreicht man ein Verhältnis der Querschnittsfläche des Außenkolbens zu der Querschnittsfläche des Spülpumpenkolbens von größer als 1:1.
Ein Führungsstabansatz 270 ist in der Mitte der ersten Kolbenbrücke 264 angeordnet. Ein erster Führungsstab 271 ist an dem ersten Spülpumpengehäuse 76 fixiert und erstreckt sich von diesem. Der erste Führungsstab 271 gleitet auch teleskopisch innerhalb des Führungsstabansatzes 270. Der Führungsstabansatz 270 gleitet dann während des Motorbetriebs an dem Führungsstab 271 unter Beibehaltung einer genauen Ausrichtung des ersten Außenkolbens 252, wenn dieser in dem ersten Motorzylinder 44 gleitet.
Ein Stegabschnitt 267 der ersten Kolbenbrücke 264 ist um den Führungsstabansatz 270 herum offen, jedoch benachbart zu den Zugstangenansätzen 268 und 269 geschlossen. Die offene Fläche des Stegabschnitts 267 bildet eine Öffnung zwischen dem Inneren des hohlen ersten Außenkolbens 252 und der Hauptpumpenkammer 78, wodurch das Volumen der Hauptpumpenkammer 78 wirksam erhöht wird. Die geschlossenen Bereiche des Stegabschnitts 267 liegen von dem Außendurchmesser des ersten Außenkolbens 252 radial nach außen. Die geschlossenen Bereiche des Stegabschnitts 267 ermöglichen die Schaffung einer Sekundärpumpenfunktion, bei der Luft durch die Zugstangenpassagen 70 hindurch und zu dem Luftansaugkanal 31 gepumpt wird, wenn sich die erste Kolbenbrücke 264 zu dem oberen Totpunkt hin bewegt.
Die Außenkolbenanordnung 250 weist auch einen zweiten Außenkolben 275 auf, der innerhalb des zweiten Motorzylinders 144 montiert ist, wobei der Kopf 276 des zweiten Außenkolbens 275 zu dem Kopf 222 des zweiten Innenkolbens 220 hin gerichtet ist und die Rückseite 277 zu der zweiten Spülpumpenhauptkammer 178 hin gerichtet ist. Der zweite Außenkolben 275 ist innerhalb des zweiten Motorzylinders 144 mit einem geringen Abstand zwischen dessen Außendurchmesser und der Wand des zweiten Motorzylinders 144 montiert. Dementsprechend weist der zweite Außenkolben 275 auch vorzugsweise drei Ringnuten um dessen Umfang herum auf, wobei die erste Nut einen ersten Verdichtungsring 278, die zweite Nut einen zweiten Verdichtungsring 279 und die dritte Nut einen Ölabstreifring 280 aufnimmt. Alle drei Ringe 278, 279 und 280 sind derart bemessen, dass sie gegen die Wand des zweiten Motorzylinders 144 abdichten.
An der Rückseite 277 des zweiten Außenkolbens 275 ist eine zweite Kolbenbrücke 282 montiert. Die zweite Kolbenbrücke 282 weist einen äußeren, im Wesentlichen elliptisch geformten Abschnitt 283 auf, der mit der Wand der Hauptpumpenkammer 178 der zweiten Spülpumpe 174 in Gleitkontakt steht und gegen diese abdichtet. Der kleine Durchmesser des elliptischen Abschnitts 283 ist vorzugsweise etwas kleiner als der Durchmesser des Kopfes 276 des zweiten Außenkolbens 275, während der große Durchmesser des elliptischen Abschnitts 283 bedeutend größer als der Durchmesser des Kopfes 276 ist. Ein erster Zugstangenansatz 284 und ein zweiter Zugstangenansatz 285 sind entlang des großen Durchmessers des elliptischen Abschnitts 283 von dem Außendurchmesser des zweiten Außenkolbens 275 radial nach außen angeordnet. Der zweite Außenkolben 275 wirkt als ein Verbrennungskolben in dem zweiten Motorzylinder 144, während die zweite Kolbenbrücke 282 als ein Spülpumpenkolben in der Hauptpumpenkammer 178 der zweiten Spülpumpe 174 wirkt.
Ein Führungsstabansatz 286 ist in der Mitte der zweiten Kolbenbrücke 282 angeordnet. Ein zweiter Führungsstab 287 ist an dem zweiten Spülpumpengehäuse 176 fixiert und erstreckt sich von diesem. Der zweite Führungsstab 287 gleitet auch teleskopisch innerhalb des Führungsstabansatzes 286. Der Führungsstabansatz 286 gleitet dann während des Motorbetriebs an dem Führungsstab 287 unter Beibehaltung einer genauen Ausrichtung des zweiten Außenkolbens 275, wenn dieser in dem zweiten Motorzylinder 144 gleitet.
Der zweite Führungsstab 287 bildet auch einen Teil einer Positionssensoranordnung 288. Die Positionssensoranordnung 288 weist eine Sensorstange 289 auf, welche wenigstens eine Indexstelle 290 aufweist und die an dem zweiten Außenkolben 275 angebracht und mit diesem verschiebbar ist. Ein Sensor 291 ist um die Sensorstange 289 herum montiert und erstreckt sich durch das zweite Spülpumpengehäuse 176 hindurch, wo ein elektrischer Steckverbinder 292 den Sensor 291 mit der elektronischen Steuereinrichtung 35 verbindet. Die Steuereinrichtung 35 kann die Ausgabe von dem Sensor 291 verwenden, um die Position und die Geschwindigkeit der Außenkolbenanordnung 250 zu bestimmen.
Die zweite Kolbenbrücke 282 weist einen Stegabschnitt 265 auf, der um den Führungsstabansatz 286 herum offen und benachbart zu den Zugstangenansätzen 284 und 285 geschlossen ist. Die offene Fläche des Stegabschnitts 265 bildet eine Öffnung zwischen dem Inneren des hohlen zweiten Außenkolbens 275. Die geschlossenen Bereiche des Stegabschnitts 265 ermöglichen die Schaffung einer Sekundärpumpenfunktion, bei der Luft durch die Zugstangenpassagen 170 hindurch und in den Luftansaugkanal 131 hinein gepumpt wird, wenn sich die zweite Kolbenbrücke 282 zu dem oberen Totpunkt hin bewegt.
Die Außenkolbenanordnung 250 weist auch eine erste Zugstange 293 und eine zweite Zugstange 294 auf. Die erste Zugstange 293 ist zwischen dem ersten Zugstangenansatz 268 an der ersten Kolbenbrücke 264 und dem ersten Zugstangenansatz 284 an der zweiten Kolbenbrücke 282 mit diesen verbunden. Da die Kolbenbrücken 264 und 282 elliptisch sind, kann die erste Zugstange 293 zwischen diesen gekuppelt werden und eine Bewegung parallel zu der Bewegungsachse ermöglichen, ohne den Betrieb der Motorzylinder zu beeinträchtigen.
Die erste Zugstange 293 weist einen Bereich mit vergrößertem Durchmesser auf, welcher einen ersten Außenplunger 295 bildet. Der erste Außenplunger 295 ist in der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 in der Mitte zwischen der ersten Kolbenbrücke 264 und der zweiten Kolbenbrücke 282 angeordnet. Eine erste Zugstangenhülse 272 erstreckt sich um die erste Zugstange 293 herum zwischen der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 und dem ersten Zylindermantel 18, und eine zweite Zugstangenhülse 274 erstreckt sich um die erste Zugstange 293 herum zwischen der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 und dem zweiten Zylindermantel 118. Die Zugstangenhülsen 272 und 274 stellen sicher, dass die erste Zugstange 293 vollständig von Motorbauteilen umschlossen ist, wodurch verhindert wird, dass Verunreinigungen die erste Zugstange 293 kontaktieren und deren Betrieb beeinträchtigen.
Die zweite Zugstange 294 ist zwischen dem zweiten Zugstangenansatz 269 an der ersten Kolbenbrücke 264 und dem zweiten Zugstangenansatz 285 an der zweiten Kolbenbrücke 282 mit diesen verbunden. Die zweite Zugstange 294 weist einen Bereich mit vergrößertem Durchmesser auf, welcher einen zweiten Außenplunger 296 bildet. Der zweite Außenplunger 296 ist in der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 in der Mitte zwischen der ersten Kolbenbrücke 264 und der zweiten Kolbenbrücke 282 angeordnet. Eine dritte Zugstangenhülse 273 erstreckt sich um die zweite Zugstange 294 herum zwischen der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 und dem ersten Zylindermantel 18, und vorzugsweise eine Positionserfassungszugstangenhülse 281 erstreckt sich um die zweite Zugstange 294 herum zwischen der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 und dem zweiten Zylindermantel 118. Die Zugstangenhülsen 273 und 281 stellen sicher, dass die zweite Zugstange 294 vollständig von Motorbauteilen umschlossen ist, wodurch verhindert wird, dass Verunreinigungen die zweite Zugstange 294 kontaktieren und deren Betrieb beeinträchtigen.
Außerdem sind an der zweiten Zugstange 294 vorzugsweise im Abstand voneinander angeordnete Kupferringe 298 montiert, die innerhalb der Positionserfassungszugstangenhülse 281 liegen. Die Positionserfassungszugstangenhülse 281 weist vorzugsweise eine Sensoranordnung 297 auf, die in enger Nähe zu den Kupferringen 298 angeordnet ist. Die Sensoranordnung 297 ist dann mit der Steuereinrichtung 35 verbunden und erfasst die Position der Kupferringe 298. Die Steuereinrichtung 35 kann dann die Ausgabe von der Sensoranordnung 297 verwenden, um den anderen Sensor 291 zu kalibrieren, wodurch eine genaue Messung der Position und der Geschwindigkeit der Außenkolbenanordnung 250 sichergestellt wird.
Es wird bevorzugt, dass der Motor 10 ausgeglichen wird, um optimale Betriebscharakteristika sicherzustellen. Für den auszugleichenden Motor muss die Gesamtmasse der Außenkolbenanordnung 250, d.h. aller Teile, die sich mit den Außenkolben 252 und 275 bewegen, gleich der Gesamtmasse der Innenkolbenanordnung 200, d.h. aller Teile, die sich mit den Innenkolben 202 und 220 bewegen, sein. Ebenso ist vorzugsweise für einen ausgeglichenen Motor die Hydraulikfläche des Innenplungers 242 der Schubstange 240 gleich der Summe der Hydraulikflächen der Außenplunger 295 und 296 der Zugstangen 293 und 294, wobei die Hydraulikfläche des ersten Außenplungers 295 gleich der Hydraulikfläche des zweiten Außenplungers 296 ist. Dementsprechend werden die Werkstoffe für die verschiedenen Bauteile in den Kolbenanordnungen 200 und 250 derart ausgewählt, dass sie die thermischen und Festigkeitscharakteristika ausreichend sicherstellen, während auch die Massen der Anordnungen ausgeglichen werden. Zum Beispiel können die Innenkolben 202 und 220, die Schubstange 240 und auch die Zugstangen 293 und 294 aus Gusseisen hergestellt werden, während die Außenkolben 252 und 275 aus Aluminium und die elliptisch geformten Kolbenbrücken 264 und 282 aus Stahl hergestellt werden. Trotzdem können andere geeignete Werkstoffe angewendet werden, wenn es gewünscht wird. Darüber hinaus ermöglicht die ovale Form der Kolbenbrücken 264 und 282, dass die Zugstangen 292 und 294 außerhalb der Motorzylinder 44 und 144 abgestützt werden können, was das Gewicht der Außenkolbenanordnung 250 minimiert.
Wie oben erläutert, ist die Hydraulikpumpenblockanordnung 12 zwischen der ersten Kolben/Zylinderanordnung 14 und der zweiten Kolben/Zylinderanordnung 16 montiert. Die Hydraulikpumpenblockanordnung 12 weist einen Pumpenblock 302 auf, der vorzugsweise aus Stahl hergestellt ist, durch welchen hindurch verschiedene Hydraulikanschlüsse und Hydraulikpassagen, Kühlwasserpassagen und Schmierölbehälter und Schmierölpassagen ausgebildet sind.
Der Pumpenblock 302 weist eine Schubstangenbohrung 304 auf, durch welche sich die Schubstange 240 hindurch erstreckt. Der Innenplunger 242 dichtet den Umfang um die Schubstangenbohrung 304 herum ab. Beide Enden der Schubstangenbohrung 304 dichten auch gegen die Schubstange 240 ab, wobei das eine Ende einen Dichtungsstöpsel 309 benutzt, um die Dichtung zu bilden. Diese Dichtungen bilden eine Innenpumpenkammer 306 an der einen Seite des Innenplungers 242 und eine Innenkupplungspumpenkammer 308 an der anderen Seite des Innenplungers 242.
Der Pumpenblock 302 weist auch eine erste Zugstangenbohrung 310, durch welche sich die erste Zugstange 293 hindurch erstreckt, und eine zweite Zugstangenbohrung 312 auf, durch welche sich die zweite Zugstange 294 erstreckt. Der erste Außenplunger 295 dichtet den Umfang um die erste Zugstangenbohrung 310 herum ab, und der zweite Außenplunger 296 dichtet den Umfang um die zweite Zugstangenbohrung 312 herum ab. Die erste Zugstangenbohrung 310 ist derart geformt, dass sie an jedem Ende gegen die erste Zugstange 293 abdichtet, wobei wieder ein Dichtungsstöpsel 311 an dem einen Ende zum Abdichten angewendet wird. Die erste Zugstangenbohrung 310 bildet in Verbindung mit der ersten Zugstange 293 eine erste Außenpumpenkammer 314 an der einen Seite des ersten Außenplungers 295 und eine erste Außenkupplungspumpenkammer 316 an der anderen Seite des ersten Außenplungers 295. Die zweite Zugstangenbohrung 312 ist derart geformt, dass sie an jedem Ende gegen die zweite Zugstange 294 abdichtet, wobei wieder ein Dichtungsstöpsel 313 an dem einen Ende zum Abdichten angewendet wird. Die zweite Zugstangenbohrung 312 bildet in Verbindung mit der zweiten Zugstange 294 eine zweite Außenpumpenkammer 318 an der einen Seite des zweiten Außenplungers 296 und eine zweite Außenkupplungspumpenkammer 320 an der anderen Seite des zweiten Außenplungers 296.
Die Innenkupplungspumpenkammer 308 und die erste Außenkupplungspumpenkammer 316 sind mit einer ersten Querverbindungspassage 322 verbunden. Außerdem sind die Innenkupplungspumpenkammer 308 und die zweite Außenkupplungspumpenkammer 320 mit einer zweiten Querverbindungspassage 323 verbunden. Demzufolge sind die drei Kupplungspumpenkammern 308, 316 und 320 immer in offener Fluidverbindung miteinander.
Eine Niederdruckpassage 324 mit einer Verengung 326 führt von der zweiten Querverbindungspassage 323 zu einem ersten Kupplungsstellventil 328. Das erste Kupplungsstellventil 328 ist mit einer Seite eines Niederdruckbehälters 330 eines Hydrauliksystems 329 verbunden und kann zwischen einer Position, die einen Fluidstrom von der zweiten Querverbindungspassage 323 zu dem Niederdruckbehälter 330 ermöglicht, und einer Position, die einen solchen Fluidstrom blockiert, geschaltet werden. Eine Hochdruckpassage 332 mit einer Verengung 334 führt von der ersten Querverbindungspassage 322 zu einem zweiten Kupplungsstellventil 336. Das zweite Kupplungsstellventil 336 ist mit einer Seite eines Hochdruckbehälters 338 des Hydrauliksystems 329 verbunden und kann zwischen einer Position, die einen Fluidstrom von dem Hochdruckbehälter 338 zu der ersten Querverbindungspassage 322 ermöglicht, und einer Position, die einen solchen Fluidstrom blockiert, geschaltet werden. Das erste und das zweite Kupplungsstellventil 328 und 336 sind mit der elektronischen Steuereinrichtung 35 elektrisch verbunden und werden von dieser betätigt.
Eine Resonatorpassage 340 erstreckt sich zwischen der zweiten Querverbindungspassage 323 und einem Helmholtz-Resonator 342, welcher an dem Pumpenblock 302 montiert ist. Der Helmholtz-Resonator 342 ist abgestimmt, um Schwingungen zu dämpfen, die auftreten, wenn das Fluid zwischen den Kupplungspumpenkammern 308, 316 und 320 durch die Querverbindungspassagen 322 und 323 hindurch vor und zurück strömt. Der Helmholtz-Resonator 342 kann aus dem Motor 10 entfernt werden, wenn es gewünscht wird.
Die Querverbindungspassagen 322 und 323 bilden zusammen mit den mit ihnen verbundenen Hydraulikbauteilen einen Hydraulikschaltkreis, der die Bewegung der Innenkolbenanordnung 200 mit der Außenkolbenanordnung 250 hydraulisch kuppelt. Da bei geschlossenen Kupplungsstellventilen 328 und 336 das Volumen in den Kupplungspumpenkammern 308, 316 und 320 und den Querverbindungspassagen 322 und 323 mit einer im Wesentlichen inkompressiblen Flüssigkeit, wie Hydrauliköl, gefüllt ist, bleibt dieses Volumen konstant. Ebenso ist, wie oben erwähnt, der Innenplunger 242 der Schubstange 240 derart bemessen, dass er das doppelte Volumen an Fluid (pro Menge der Linearbewegung) wie jeder Außenplunger 295 und 296 der Zugstangen 293 bzw. 294 verdrängt. Demzufolge muss dann, wenn sich die Innenkolbenanordnung 200 unter Verdrängen von Fluid aus der Innenkupplungspumpenkammer 308 um einen Millimeter nach rechts bewegt, die Außenkolbenanordnung 250 sich um einen Millimeter nach links bewegen, um diese Fluidmenge in den beiden Außenkupplungspumpenkammern 316 und 320 aufzunehmen. Dies stellt sicher, dass, obwohl die Bewegungen der Innenkolbenanordnung 200 und der Außenkolbenanordnung 250 nicht mechanisch festgelegt sind, sie sich im Grunde genau entgegengesetzt zueinander bewegen. Demzufolge werden die Positionen des oberen Totpunkts und des unteren Totpunkts für die beiden Kolbenanordnungen 200 und 250 gleichzeitig erreicht.
Das erste und das zweite Kupplungsstellventil 328 und 336 ermöglichen das Zugeben oder Abführen von etwas Fluid aus den Kupplungen, wenn Leckage um irgendwelche Dichtungen herum das Volumen des in den Kupplungen zurückgehaltenen Fluids verändern sollte. Während dieses Hydrauliksystem zum Kuppeln der Kolbenanordnungen 200 und 250 beschrieben wurde, können andere Einrichtungen zum Sicherstellen, dass sich die Kolbenanordnungen 200 und 250 entgegengesetzt zueinander bewegen, angewendet werden, wenn es gewünscht wird.
Die Hydraulikpumpenblockanordnung 12 weist auch ein Paar Öleinlassöffnungen 344 und 345 auf, die sich durch den Pumpenblock 302 hindurch zu einem Ölsumpf 346 erstrecken, der sich an der Unterseite des Pumpenblocks 302 befindet. Der Ölsumpf 346 ist zu verschiedenen beweglichen Bauteilen in der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 hin offen, um eine Tauchschmierung der beweglichen Bauteile, besonders des Teils der Zylinderwände 44 und 144, an dem der erste und der zweite Innenkolben 202 und 220 entlang gleiten, zu ermöglichen. Der Ölsumpf 346 weist auch eine Ölrücklauföffnung 348 auf. Die Öleinlassöffnungen 344 und 345 und die Ölrücklauföffnung 348 sind mit dem Ölversorgungssystem (nicht gezeigt) verbunden. Der Ölsumpf 346 ermöglicht auch, dass sich Luft hinter den Innenkolben 202 und 220 vor und zurück bewegen kann, wenn sie sich während des Motorbetriebs hin- und herbewegen.
Zwei Kühlmitteleinlassöffnungen 350 sind an dem Boden des Pumpenblocks 302 ausgebildet. Die Kühlmitteleinlassöffnungen 350 sind mit einer Reihe von Kühlmittelpassagen 352 verbunden, die sich durch den Pumpenblock 302 hindurch erstrecken, welche dann mit zwei Kühlmittelauslassöffnungen 354 verbunden sind, die an der Oberseite des Pumpenblocks 302 ausgebildet sind. Die Kühlmitteleinlassöffnungen 350 und die Kühlmittelauslassöffnungen 354 sind mit dem Kühlmittelkühlsystem (nicht gezeigt) verbunden. Das durch den Pumpenblock 302 hindurch strömende Kühlmittel stellt sicher, dass die beweglichen Teile während des Motorbetriebs nicht heißlaufen.
Die Hydraulikpumpenblockanordnung 12 weist auch eine Niederdruckschiene 356 auf, die an der Oberseite des Pumpenblocks 302 montiert ist und einen Niederdruckschienenanschluss 358 aufweist, der über eine Hydraulikleitung mit dem Niederdruckbehälter 330 verbunden ist. Die Niederdruckschiene 356 mündet in drei Sätze von Einweg-Niederdrucksperrventilen, d.h. einen Innensatz 360, einen ersten Außensatz 362 und einen zweiten Außensatz 363. Der Innensatz von Sperrventilen 360 ist über eine Passage 364 mit der Innenpumpenkammer 306 verbunden und ermöglicht nur den Fluidstrom von der Niederdruckschiene 356 zu der Innenpumpenkammer 306. Der erste Außensatz von Sperrventilen 362 ist über eine Passage 365 mit der ersten Außenpumpenkammer 314 verbunden und ermöglicht nur den Fluidstrom von der Niederdruckschiene 356 zu der ersten Außenpumpenkammer 314. Der zweite Außensatz von Sperrventilen 363 ist gleichfalls über eine Passage 366 mit der zweiten Außenpumpenkammer 318 verbunden und ermöglicht nur den Fluidstrom von der Niederdruckschiene 356 zu der zweiten Außenpumpenkammer 318. Während der Innensatz von Sperrventilen 360 vier einzelne Ventile und jeder Außensatz von Sperrventilen 362 und 363 zwei Ventile aufweist, kann eine unterschiedliche Anzahl von einzelnen Ventilen angewendet werden, wenn es gewünscht wird. Jedoch stellt vorzugsweise der Innensatz von Sperrventilen 360 die doppelte Ventilöffnungsfläche wie jeder Außensatz von Sperrventilen 362 und 363 bereit, da der Innenplunger 242 die doppelte Pumpenleistung wie jeder Außenplunger 295 und 296 hat.
Eine Hochdruckschiene 368 ist an der Unterseite des Pumpenblocks 302 montiert und weist einen Hochdruckschienenanschluss 369 auf, der über eine Hydraulikleitung mit dem Hochdruckbehälter 338 verbunden ist. Die Hochdruckschiene 368 mündet in drei Einweg-Hochdrucksperrventile, d.h. ein Innensperrventil 370, ein erstes Außensperrventil 371 und ein zweites Außensperrventil 372. Das Innensperrventil 370 ist über eine Fluidpassage 373 mit der Innenpumpenkammer 306 verbunden und ermöglicht nur den Fluidstrom von der Innenpumpenkammer 306 zu der Hochdruckschiene 368. Das erste Außensperrventil 371 ist über eine Fluidpassage 374 mit der ersten Außenpumpenkammer 314 verbunden und ermöglicht nur den Fluidstrom von der ersten Außenpumpenkammer 314 zu der Hochdruckschiene 368. Das zweite Außensperrventil 372 ist über eine Fluidpassage 375 mit der zweiten Außenpumpenkammer 318 verbunden und ermöglicht nur den Fluidstrom von der zweiten Außenpumpenkammer 318 zu der Hochdruckschiene 368. Wieder hat das Innensperrventil 370 vorzugsweise die doppelte Öffnungsfläche wie jedes der Außensperrventile 371 und 372.
Die Niederdruckschiene 356 weist vorzugsweise einen Drucksensor 376 auf, der darin zum Messen des Fluiddrucks in der Niederdruckschiene 356 montiert ist. Die Hochdruckschiene 368 weist gleichfalls vorzugsweise einen Drucksensor 377 auf, der darin zum Messen des Fluiddrucks in der Hochdruckschiene 368 montiert ist. Beide Drucksensoren 376 und 377 sind mit der elektronischen Steuereinrichtung 35 elektrisch verbunden, um die Drucksignale aufzunehmen und zu verarbeiten.
An der Oberseite des Pumpenblocks 302 ist benachbart zu der Niederdruckschiene 356 ein hydraulisches Start- und Steuerventil 379 montiert. Das hydraulische Start- und Steuerventil 379 ist hier nur schematisch gezeigt, ist jedoch vorzugsweise ein Hydraulikventil, wie zum Beispiel ein Moog-Hydrauliksteuerventil mit der Teilenummer 35-196-4000-I-4PC-2-VIT, hergestellt von Moog Inc. of East Aurora, New York. Das Steuerventil 379 ist mit vier Anschlüssen in dem Pumpenblock 302 verbunden, d.h. einem Hochdruckanschluss 380, einem Niederdruckanschluss 381, einem Innenpumpenkammeranschluss 382 und einem Außenpumpenkammeranschluss 383. Der Hochdruckanschluss 380 ist über eine Fluidpassage mit der Hochdruckschiene 368 verbunden, und der Niederdruckanschluss 381 ist über eine Fluidpassage mit der Niederdruckschiene 356 verbunden. Der Innenpumpenkammeranschluss 382 ist über eine erste Start/Überlauf-Fluidpassage 384 mit der Innenpumpenkammer 306 verbunden, während der Außenpumpenkammeranschluss 383 über eine zweite Start/Überlauf-Fluidpassage 385 mit den beiden Außenpumpenkammern 314 und 318 verbunden ist.
Das Steuerventil 379 kann derart betrieben werden, dass der Hochdruckanschluss 380 mit dem Innenpumpenkammeranschluss 382 hydraulisch verbunden wird, während gleichzeitig der Niederdruckanschluss 381 mit dem Außenpumpenkammeranschluss 383 verbunden wird. Das Steuerventil 379 kann auch derart betrieben werden, dass der Niederdruckanschluss 381 mit dem Innenpumpenkammeranschluss 382 hydraulisch verbunden wird, während gleichzeitig der Hochdruckanschluss 380 mit dem Außenpumpenkammeranschluss 383 verbunden wird. In einem dritten Betriebszustand blockiert das Steuerventil 379 den Hydraulikfluidstrom zwischen dem Hoch- und Niederdruckanschluss 380 und 381 und dem Innen- und Außenpumpenkammeranschluss 382 und 383. Die elektronische Steuereinrichtung 35 steuert vorzugsweise, in welchem Betriebszustand das Steuerventil 379 ist.
Die Hydraulikpumpenblockanordnung 12 kann auch Kolbenanschläge aufweisen, welche einen maximalen Abstand an jedem Ende der Kolbenbewegung festlegen. Die Kolbenanschläge können infolge der Tatsache benötigt werden, dass die Kolbenbewegung, anders als bei einem feststehenden mechanischen Pfad, bei einem Freikolbenmotor durch einen Ausgleich der Kräfte bestimmt wird. Die Kolbenanschläge für die Innenkolbenanordnung 200 weisen vorzugsweise radiale Stufenabschnitte 388 auf, die im Abstand voneinander an jeder Seite des Innenplungers 242 der Schubstange 240 angeordnet sind, wobei an jedem Ende der Schubstangenbohrung 304 zusammenpassende Anschläge 389 an dem Pumpenblock 302 und dem Dichtungsstöpsel 309 ausgebildet sind. Die Position der Stufenabschnitte 388 relativ zu den Anschlägen 389 bestimmt die maximale Bewegung der Innenkolbenanordnung 200 in jeder Richtung. Wenn die Stufenabschnitte 388 in die Anschläge 389 eingreifen, wird die Kolbenbewegung in dieser Richtung gestoppt.
Die Kolbenanschläge für die Außenkolbenanordnung 250 weisen vorzugsweise radiale Stufenabschnitte 390 und 391 auf, die im Abstand voneinander an jeder Seite der Außenplunger 295 und 296 der ersten und der zweiten Zugstange 293 bzw. 294 angeordnet sind. Der Pumpenblock 302 und die Dichtungsstöpsel 311 und 313 weisen in gleicher Weise wie bei der Innenkolbenanordnung 200 zusammenpassende Anschläge 392 und 393 auf, die sich an entgegengesetzten Enden der ersten bzw. der zweiten Zugstangenbohrung 310 und 312 befinden.
Als eine Alternative können die Kolbenanschläge weggelassen werden. Bei dieser Konfiguration dient der Kopf 210 des ersten Innenkolbens 202, der an den Kopf 254 des ersten Außenkolbens 252 anstößt, als ein Anschlag in der einen Richtung, während der Kopf 222 des zweiten Innenkolbens 220, der an den Kopf 276 des zweiten Außenkolbens 275 anstößt, als ein Anschlag in der anderen Richtung dient. Während dies zunächst unerwünscht scheinen kann, haben die Kolbenköpfe relativ große Oberflächenbereiche für den Kontakt, und der Druck innerhalb des Zylinders, wo die Kolben als Anschläge dienen, steigt gerade vor dem Zusammenstoß drastisch an, wodurch die Geschwindigkeit beim Aufprall sinkt.
Die Hydraulikpumpenblockanordnung 12 weist auch vorzugsweise ein Paar Positionssensoren auf. Ein erster Positionssensor 359 ist in dem Pumpenblock 302 derart montiert, dass er den Abschnitt der ersten Führungsstange 244 umgibt, der den ersten Satz Kupferringe 246 aufweist. Vorzugsweise ist ein zweiter Positionssensor 396 in dem Pumpenblock 302 montiert, der den Abschnitt der zweiten Führungsstange 245 umgibt, der den zweiten Satz Kupferringe 247 aufweist. Die Positionssensoren 359 und 396 sind an die elektronische Steuereinrichtung 35 elektrisch angeschlossen und liefern dieser Positionssignale. Mit der Sensorinformation von dem ersten Positionssensor 359 kann die elektronische Steuereinrichtung 35 die Position und die Geschwindigkeit der Innenkolbenanordnung 200 bestimmen. Die Information von dem zweiten Positionssensor 396 wird vorzugsweise zum Abgleich des ersten Positionssensors 359 verwendet.
Der Betrieb des Motors 10 wird nun beschrieben. Da der Motor 10 ein Freikolbenmotor ist, wird die Kolbenbewegung durch einen Ausgleich (Gleichgewicht) der Kräfte bestimmt, die an den Kolbenanordnungen 200 und 250 wirken. Zum Beispiel sind die Hauptkräfte im Wesentlichen Drücke innerhalb des Zylinders der einander gegenüberliegenden Motorzylinder 44 und 144, die von den verschiedenen beweglichen Teilen erzeugte Reibung, die Luftspülung, die Trägheitskraft der sich bewegenden Kolbenanordnungen 200 und 250, und irgendwelche Belastungen, die von den Plungern 242, 295 und 296 verursacht werden. Demzufolge müssen die Kolbenanordnungen 200 und 250 jeweils Antriebskräfte in der entsprechenden Zeit und Größe aufnehmen, um eine anhaltende hin- und hergehende Kolbenbewegung zu bewirken. Die hin- und hergehende Bewegung muss ausreichend sein, um die benötigte Verdichtung in den Zylindern 44 und 144 für den Verbrennungsprozess zu erreichen. Durch Anwendung von Eingaben zur Steuerung der Bewegung der Kolbenanordnungen 200 und 250 können besonders in der Nähe des Endes der Bewegung für jeden Hub die Kolbenpositionen im oberen Totpunkt und somit das Verdichtungsverhältnis gesteuert werden. Darüber hinaus macht die Fähigkeit zum Variieren des Verdichtungsverhältnisses die HCCI Verbrennung viel besser durchführbar, da das Verdichtungsverhältnis, das benötigt wird, um die Verbrennung zu bewirken, basierend auf den Motorbetriebszuständen variieren kann. Da der Ausgleich der Kräfte genau zeitlich abgestimmt und gesteuert werden muss, überwacht und betätigt die elektronische Steuereinrichtung 35 die Motorbauteile, die für einen effizienten und anhaltenden Motorbetrieb entscheidend sind.
Vor dem Starten des Motors speichert der Hochdruckbehälter 338 des Hydrauliksystems 329 ein Hydraulikfluid unter einem relativ hohen Druck, der zum Beispiel 5.000 bis 6.000 psi betragen kann. Der Niederdruckbehälter 330 des Hydrauliksystems 329 speichert Hydraulikfluid unter einem relativ niedrigen Druck, der zum Beispiel 50 bis 60 psi betragen kann.
Auf die Einleitung des Motorstartvorgangs hin betätigt die elektronische Steuereinrichtung 35 das Start- und Steuerventil 379 wechselweise zwischen einer ersten Ventilposition, in welcher der Hochdruckanschluss 380 zu dem Innenpumpenkammeranschluss 382 offen ist und der Niederdruckanschluss 381 zu dem Außenpumpenkammeranschluss 383 offen ist, und einer zweiten Ventilposition, in welcher der Hochdruckanschluss 380 zu dem Außenpumpenkammeranschluss 383 offen ist und der Niederdruckanschluss 381 zu dem Innenpumpenkammeranschluss 382 offen ist.
In der ersten Ventilposition des Steuerventils 379 wird Fluid von dem Hochdruckbehälter 338 in die Innenpumpenkammer 306 gedrückt, wodurch der Innenplunger 242 der Schubstange 240 und somit die gesamte Innenkolbenanordnung 200 sich nach rechts zu bewegen beginnt (wie hier in den Figuren dargestellt ist). Dies bewirkt, dass das Fluid in der Innenkupplungspumpenkammer 308 durch die erste und die zweite Querverbindungspassage 322 und 323 hindurch und in die erste und die zweite Außenkupplungspumpenkammer 316 und 320 hinein gedrückt wird. Dies bewirkt dann wieder, dass der erste und der zweite Außenplunger 295 und 296 der ersten bzw. der zweiten Zugstange 293 und 294 und somit die gesamte Außenkolbenanordnung 250 sich nach links zu bewegen beginnt (wie hier in den Figuren dargestellt ist). Da sich die Außenkolbenanordnung 250 nach links bewegt, wird Fluid von der ersten und der zweiten Außenpumpenkammer 314 und 318 durch das Steuerventil 379 hindurch und in den Niederdruckbehälter 330 hinein gedrückt.
Diese entgegengesetzte Bewegung der beiden Kolbenanordnungen 200 und 250 bewirkt, dass sich der erste Außenkolben 252 und der erste Innenkolben 202 gleichzeitig in die Positionen ihres unteren Totpunktes in dem ersten Motorzylinder 44 voneinander weg bewegen, während sich der zweite Außenkolben 275 und der zweite Innenkolben 220 gleichzeitig in die Positionen ihres oberen Totpunktes in dem zweiten Motorzylinder 144 aufeinander zu bewegen. Beide Kolbenanordnungen 200 und 250 bewegen sich entlang einer einzigen linearen Bewegungsachse vor und zurück. Die einzige Bewegungsachse erstreckt sich durch die Mitte der beiden Motorzylinder 44 und 144 hindurch, wie durch die Doppelpfeile angedeutet ist, die in den Motorzylindern 44 und 144 in 10 und 11 gezeigt sind.
In der zweiten Ventilposition des Steuerventils 379 wird Fluid aus dem Hochdruckbehälter 338 in die erste und die zweite Außenpumpenkammer 314 und 318 hinein gedrückt, wodurch der erste und der zweite Außenplunger 295 und 296 der ersten bzw. der zweiten Zugstange 293 und 294 und somit die gesamte Außenkolbenanordnung 250 sich nach rechts zu bewegen beginnt. Dies bewirkt, dass das Fluid in der ersten und der zweiten Außenkupplungspumpenkammer 316 und 320 durch die erste und die zweite Querverbindungspassage 322 und 323 hindurch und in die Innenkupplungspumpenkammer 308 hinein gedrückt wird. Dies bewirkt dann wieder, dass der Innenplunger 242 der Schubstange 240 und somit die gesamte Innenkolbenanordnung 200 sich nach links zu bewegen beginnt. Da sich die Innenkolbenanordnung 200 nach links bewegt, wird Fluid von der Innenpumpenkammer 306 durch das Steuerventil 379 hindurch und in den Niederdruckbehälter 330 hinein gedrückt.
Diese entgegengesetzte Bewegung der beiden Kolbenanordnung 200 und 250 bewirkt, dass sich der erste Außenkolben 252 und der erste Innenkolben 202 gleichzeitig in die Positionen ihres oberen Totpunktes in dem ersten Motorzylinder 44 aufeinander zu bewegen, während sich der zweite Außenkolben 275 und der zweite Innenkolben 220 gleichzeitig in die Positionen ihres unteren Totpunktes in dem zweiten Motorzylinder 144 voneinander weg bewegen.
Durch genaues und schnelles Schalten zwischen den drei Ventilpositionen des Start- und Steuerventils 379 können die Kolbenanordnungen 200 und 250 wechselweise zwischen der Auslösung von Verdichtung in dem ersten Motorzylinder 44 und der Auslösung von Verdichtung in dem zweiten Motorzylinder 144 geschaltet werden. Die elektronische Steuereinrichtung 35 bestimmt durch Überwachen der Positionssensoren 288 und 359 die Position und Geschwindigkeit der beiden Kolbenanordnungen 200 und 250. Die Information über die Position und die Geschwindigkeit wird dann von der Steuereinrichtung 35 verwendet, um den entsprechenden Zeitpunkt für das Schalten des Start- und Steuerventils 379 zu bestimmen, um die gewünschte Größe des Verdichtungsverhältnisses in den Motorzylindern 44 und 144 zu bewirken. Man kann aus dieser Erörterung sehen, dass das Start- und Steuerventil 379 die Bewegung der Kolbenanordnungen 200 und 250 beim Starten des Motors in einer Weise steuert, die bewirkt, dass sich die Kolbenanordnungen 200 und 250 bewegen, wie es für den Motorbetrieb erforderlich ist.
Der Motor 10 arbeitet als ein Zweitaktmotor und ohne irgendein separates Ventilsystem zum Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassöffnungen der Motorzylinder 44 und 144. Daher wird die Verdichtung, die Verbrennung (welche die Zündung umfasst), die Expansion, und der Gasaustausch (welcher den Einlass und Auslass umfasst) des Kraftstoff/Luftgemisches über zwei Hübe der Kolben erreicht. Diese Anordnung minimiert sowohl die Anzahl von beweglichen Teilen als auch die gesamte Einbaugröße des Motors 10.
Die Bewegung der Innenkolbenanordnung 200 bewirkt, dass die Innenkolben 202 und 220 die Abgasöffnungen 46 und 146 zu den jeweiligen Motorzylindern 44 und 144 wahlweise schließen und öffnen. Die Bewegung der Außenkolbenanordnung 250 bewirkt, dass die Außenkolben 252 und 275 die Luftansaugöffnungen 56 und 156 zu den jeweiligen Motorzylindern 44 und 144 wahlweise schließen und öffnen, und bewirkt auch, dass die Kolbenbrücken 264 und 282 die Ansaugluft laden. Die Bewegung der Außenkolbenanordnung 250 bewirkt ebenfalls, dass die Außenkolben 252 und 275 die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 34 und 134 der jeweiligen Motorzylinder 44 und 144 wahlweise blockieren und freigeben. Demzufolge stellt die Bewegung der Innen- und der Außenkolbenanordnung 200 und 250, die durch das Start- und Steuerventil 379 bewirkt wird, die Bewegung bereit, die erforderlich ist, um die Luftladungen in die Motorzylinder 44 und 144 zu bringen, das Vermischen des den Zylindern zugeführten Kraftstoffs mit der Ladeluft zu ermöglichen und eine für die Verbrennung ausreichende Verdichtung bereitzustellen.
Vorzugsweise ist der Verbrennungsprozess unter normalen Betriebsbedingungen ein Verbrennungstyp der homogenen Kompressionszündung (HCCI), welcher den Vorteil in der Fähigkeit bringt, den Motor 10 mit einem variablen Verdichtungsverhältnis zu betreiben, um eine sehr hohe Effizienz der Verbrennung zu ermöglichen. Der HCCI-Prozess verwendet ein homogenes Luft/Kraftstoffladungsgemisch, das infolge eines hohen Verdichtungsverhältnisses selbst gezündet wird, d.h. vorgemischte Kraftstoff/Luftladungen werden durch Verdichtung auf den Punkt der Selbstzündung erhitzt (auch spontane Verbrennung genannt). Mit der Selbstzündung, die durch den HCCI-Prozess bewirkt wird, gibt es zahlreiche Zündpunkte durch das Kraftstoff/Luftgemisch hindurch, um eine schnelle Verbrennung sicherzustellen, wodurch es möglich ist, niedrige Äquivalenzverhältnisse (das Verhältnis des tatsächlichen Kraftstoff/Luftverhältnisses zu dem stöchiometrischen Verhältnis) anzuwenden, da keine Flammenausbreitung erforderlich ist. Daraus ergibt sich eine verbesserte thermische Effizienz, während die Zylinderspitzentemperaturen reduziert werden, wodurch die Bildung von Stickoxiden im Vergleich zu manchen herkömmlichen Arten von Verbrennungsmotoren bedeutend reduziert wird.
Bestimmte Vorgänge, wie das Ansaugen, die Verdichtung, die Verbrennung und das Ausstoßen, werden für den ersten Motorzylinder 44 (gleichermaßen für den zweiten Motorzylinder 144 anwendbar) während des normalen HCCI-Motorbetriebs beschrieben. Die Bewegung des ersten Außenkolbens 252 lädt die Ansaugluft und bestimmt auch den Zeitpunkt und die Dauer des Öffnens der Luftansaugöffnungen 56 und der ersten Kraftstoffeinspritzvorrichtung 34 zu dem ersten Motorzylinder 44. Wenn sich der erste Außenkolben 252 in die Position seines oberen Totpunktes bewegt, steigt das Volumen in der Hauptpumpenkammer 78 der ersten Spülpumpe 74 an, wodurch Luft durch die Einlasszungenventile 94 hindurch eingezogen wird. Gleichzeitig drücken die geschlossenen Bereiche des Stegabschnitts 267 der ersten Kolbenbrücke 264 Luft durch die Zugstangenpassagen 70, den Luftansaugkanal 31 und die Luftansaugöffnungen 56 hindurch und in den ersten Motorzylinder 44 hinein. Diese Strömung tritt auf, bis der erste Außenkolben 252 die Luftansaugöffnungen 56 vollständig abdeckt. Obwohl der Luftansaugkanal 31 infolge des Betriebs der Hauptspülpumpe, wie oben beschrieben ist, bereits komprimierte Luft enthält, trägt der Stegabschnitt 267 dazu bei, mit dieser Sekundärpumpenfunktion mehr komprimierte Luft in den ersten Motorzylinder 44 zu drücken. Somit schafft die Spülpumpe 74 eine bedeutende Verstärkung des Ansaugluftdruckes, wodurch die Ladungsdichte der Ansaugluft beträchtlich erhöht wird.
Nach Erreichen des oberen Totpunktes, typischerweise nach einem Verbrennungsvorgang, bewirkt die Bewegung des ersten Außenkolbens 252 eine Reduzierung des Volumens in der Hauptpumpenkammer 78, wodurch die Luft verdichtet wird und durch die Auslasszungenventile 95 hindurch und in die Lufteinlasspassagen 93 und 72 und den Luftansaugkanal 31 hinein geführt wird. Wenn sich der erste Außenkolben 252 weiter zu der Position seines unteren Totpunktes hin bewegt, legt dieser die Luftansaugöffnungen 56 frei, wodurch ermöglicht wird, dass die komprimierte Luft aus dem Luftansaugkanal 31 in den ersten Motorzylinder 44 strömt. Die erste Kraftstoffeinspritzvorrichtung 34 wird zu diesem Zeitpunkt ebenfalls zu dem ersten Motorzylinder 44 freigegeben. Die Steuereinrichtung 35 betätigt dann die erste Kraftstoffeinspritzvorrichtung 34, wodurch Kraftstoff in die ankommende Luftladung eingespritzt werden kann. Mittels des Außenkolben-Positionssensors 291 und des Kraftstoffdrucksensors 41 werden von der Steuereinrichtung 35 der Zeitpunkt und die Dauer der Betätigung der Kraftstoffeinspritzvorrichtung bestimmt.
Nach dem Erreichen des unteren Totpunktes bewegt sich der erste Außenkolben 252 wieder zu der Position des oberen Totpunktes hin. Während dieser Bewegung schließt der erste Außenkolben 252 die Luftansaugöffnungen 56 und die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung 54 von dem ersten Motorzylinder 44 ab. Die Luft/Kraftstoffladung wird verdichtet, wenn sich der erste Außenkolben 252 weiter zu der Position des oberen Totpunktes hin bewegt. Es wird angemerkt, dass die erste Kraftstoffeinspritzvorrichtung 34 direkt in den ersten Motorzylinder 44 einspritzt, jedoch ist die Düse 55 nicht direkt zu dem Verbrennungsvorgang hin freigelegt, da sie durch den ersten Außenkolben 252 abgedeckt wird, wenn dieser im oberen Totpunkt oder nahe des oberen Totpunktes ist.
Die Bewegung des ersten Innenkolbens 202 bestimmt den Zeitpunkt und die Dauer des Öffnens der Abgasöffnungen 46 zu dem ersten Motorzylinder 44. Wenn sich der erste Innenkolben 202, typischerweise nach einem Verbrennungsvorgang, von dem oberen Totpunkt weg bewegt, bewegt sich der Innenkolben 202 an den Abgasöffnungen 46 vorbei, wodurch die Abgase durch die Abgasöffnungen 46 hindurch ausströmen können. Die Abgase strömen dann durch die erste Abgasspirale 20 hindurch und über das übrige Abgassystem (nicht gezeigt) heraus. Nach dem Erreichen des unteren Totpunktes bewegt sich der erste Innenkolben 202 zu dem oberen Totpunkt hin und deckt über einen Teil des Hubweges die Abgasöffnungen 46 ab, um diese wirksam zu schließen. Jegliche Abgase, die zu dieser Zeit nicht durch die Abgasöffnungen 46 hindurch geströmt sind, bleiben in dem Zylinder 44 als Abgasrückführung (EGR) während des nächsten Verbrennungsvorgangs. Wenn sich der erste Innenkolben 202 weiter zu dem oberen Totpunkt hin bewegt, wird die Luft/Kraftstoffladung verdichtet.
Da der zweite Motorzylinder 144 entgegengesetzt zu dem ersten Motorzylinder 44 arbeitet, bewirkt der Verbrennungsvorgang in dem ersten Motorzylinder 44, dass sich der erste Innen- und Außenkolben 202 und 252 voneinander weg bewegen, während der Verbrennungsvorgang in dem zweiten Motorzylinder 144 bewirkt, dass sich der erste Innen- und Außenkolben 202 und 252 aufeinander zu bewegen (bewirkt eine Verdichtung in dem ersten Zylinder 44), wodurch der Motorbetriebszyklus kontinuierlich aufrechterhalten wird. Der selbsterhaltende Betrieb des Motors 10 wird dann durch Steuerung der Kraftstoffeinspritzung vor jedem Verbrennungsvorgang unter Berücksichtigung der verschiedenen Betriebszustände, unter welchen der Motor 10 zu der Zeit arbeitet, aufrechterhalten. Die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung kann verwendet werden, um die Länge des Kolbenhubes zu steuern, welche ausreichen muss, um das für die Verbrennung benötigte Verdichtungsverhältnis zu erreichen, jedoch Zusammenstöße mit den Kolbenanschlägen zu vermeiden. Natürlich kann für vorübergehende Zustände, gelegentliche Nichtverbrennungsvorgänge, Systemungleichgewichte und andere Umstände das Start- und Steuerventil 379 hin und wieder in Kombination mit der Kraftstoffsteuerung angewendet werden, um die Kolbenbewegung zu korrigieren. Dies stellt sicher, dass nicht nur das entsprechende Verdichtungsverhältnis für die gegebenen Motorbetriebszustände erreicht wird, sondern auch die Selbstzündung in oder gerade nach den Positionen im oberen Totpunkt eintritt, um das Verschwenden von Verbrennungsenergie zu vermeiden, welche die Bewegungsrichtung der Kolbenanordnungen 200 und 250 ändert.
Während des normalen Motorbetriebs bewegen, da die Verbrennungsvorgänge eine Hin- und Herbewegung der Kolbenanordnungen 200 und 250 bewirken, die Schubstange 240 und die Zugstangen 293 und 294 die Plunger 242, 295 und 296 in ihren jeweiligen Bohrungen 304, 310 und 312 vor und zurück. Wenn sich die Innenkolbenanordnung 200 nach rechts bewegt (wie in den Figuren gesehen), bewirkt die Bewegung des Innenplungers, dass der Innensatz von Niederdrucksperrventilen 360 geöffnet wird, wodurch Fluid von der Niederdruckschiene 356 in die Innenpumpenkammer 306 hinein gezogen werden kann. Das Fluid, das die Niederdruckschiene 356 verlässt, wird aus dem Niederdruckbehälter 330 wieder aufgefüllt. Die Fluidmenge, die in der Niederdruckschiene 356 beibehalten wird, und die Fähigkeit des Niederdruckbehälters 330, die Niederdruckschiene 356 wieder aufzufüllen, müssen ausreichend sein, um den Fluidstrom durch die Sätze von Niederdrucksperrventilen aufrechtzuerhalten. Anderenfalls können Kavitationsprobleme auftreten.
Gleichzeitig bewegt sich die Außenkolbenanordnung 250 nach links, wobei die Außenplunger 295 und 296 bewirken, dass das Fluid in der ersten und der zweiten Außenpumpenkammer 314 und 318 durch das erste und das zweite Hochdruck-Außensperrventil 371 und 372 hindurch zu der Hochdruckschiene 368 gepumpt wird. Dadurch wird das Fluid in den Hochdruckbehälter 338 hinein verdrängt. Dieses druckbeaufschlagte Fluid in dem Hochdruckbehälter 338 ist dann als eine Quelle gespeicherter Energie sowohl für den Motorbetrieb als auch als Antrieb anderer Bauteile und Systeme verfügbar. Da die verfügbare Hydraulikfluidenergie eine Funktion des Druckniveaus und der Menge des Hydraulikfluidstromes ist, kann man die gewünschte Energieabgabe bei der Bestimmung des Kolbenhubes, der Kolbenfrequenz und/oder der Abmessungen der Hydraulikfluidplunger verwenden, wenn anfangs die Abmessungen für den Motor entworfen werden. Für die Kolbenfrequenz gilt im Allgemeinen, je höher die Masse der beweglichen Kolbenanordnungen ist, desto niedriger ist die optimale Betriebsfrequenz des Motors.
Während des Motorhubes, der eine Bewegung der Innenkolbenanordnung 200 nach rechts bewirkt, pumpt der Innenplunger 242 Fluid von der Innenkupplungspumpenkammer 306 zu den beiden Außenkupplungspumpenkammern 316 und 320. Wie oben erörtert, kann dadurch eine entgegengesetzte Bewegung der beiden Kolbenanordnungen 200 und 250 zueinander aufrechterhalten werden. Wenn die Positionssensoren 288 und 359 erfassen, dass die beiden Kolbenanordnungen 200 und 250 von der Mitte abweichen, dann kann eines der Kupplungsstellventile 328 und 336 betätigt werden, um den Versatz zu korrigieren.
Während des folgenden Motorhubes öffnet, da sich die Innenkolbenanordnung 200 nach links bewegt, der von dem Innenplunger 242 erzeugte Fluiddruck das Hochdruck-Innensperrventil 370, das Fluid zuführt, damit es zu der Hochdruckschiene 368 und in den Hochdruckbehälter 338 strömt. Die Außenkolbenanordnung 250 bewegt sich gleichzeitig nach rechts, wodurch die Außenplunger 295 und 296 Fluid aus der Niederdruckschiene 356 durch den ersten und den zweiten Außensatz von Niederdrucksperrventilen 362 und 363 hindurch ziehen. Während dieses Motorhubes pumpen die Außenplunger 295 und 296 Fluid aus den Außenkupplungspumpenkammern 316 und 320 in die Innenkupplungspumpenkammer 306.
Zusätzlich zu dem Betrieb der Teilsysteme im Inneren des Motors arbeiten natürlich auch die Außensysteme während des Motorbetriebs, wie es erforderlich ist, um den Betrieb des Motors 10 aufrechtzuerhalten. Daher pumpt das Kühlsystem Kühlmittel durch die Kühlmittelpassagen 28, 50, 66, 128, 150, 166 und 352, wie es erforderlich ist, um sicherzustellen, dass die Motorbauteile nicht überhitzt werden. Ebenso speichert das Kraftstoffsystem 39 Kraftstoff und liefert diesen an die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 34 und 134 mit dem gewünschten Druck. Das elektrische System versorgt die Steuereinrichtung 35, die Sensoren und andere Bauteile, die elektrische Energie für den Betrieb benötigen, mit elektrischer Energie. Das Ölversorgungssystem versorgt den Motor mit Schmieröl, wie es erforderlich ist, um bestimmte Bauteile zu schmieren. Schließlich versorgt das Luftansaugsystem die Lufteinlassöffnungen 92 und 192 mit Luft, wie es während des Motorbetriebs erforderlich ist.
Obwohl das Fluid, das für das Energiespeichermedium und das Steuerventil verwendet wird, als Hydrauliköl offenbart wurde, können auch andere geeignete Fluide verwendet werden, wenn es gewünscht wird. Zum Beispiel kann das Fluid ein Gas mit einem pneumatischen Energiespeichersystem für die Behälter sein. Das Fluid kann ein Kältemittel im flüssigen oder gasförmigen Zustand sein. In diesen beiden Beispielen muss auch, da das Fluid keine Flüssigkeit mehr ist (im Wesentlichen inkompressibel), das Kupplungssystem verändert werden, das zum Sicherstellen der entgegengesetzten Bewegung der beiden Kolbenanordnungen verwendet wird. Jedoch kann die Konfiguration des OPOC-Freikolbenmotors, speziell die Anwendung der HCCI-Verbrennung, noch verwendet werden, um die in dem Fluidenergiespeichermedium gespeicherte Energie zu erzeugen.
Darüber hinaus können, während bei der beispielhaften Ausführungsform eines hier ausführlich beschriebenen OPOC-Freikolbenmotors ein Hydraulikfluid als das Energiespeicher- und Energiesteuermedium verwendet wird, die Spülpumpen natürlich zum Zuführen von Ladeluft zu den Zylindern der OPOC-Freikolbenmotoren verwendet werden, die Lineargeneratoren für die Motorsteuerung und die elektrische Energieerzeugung verwenden. Die Hydraulikpumpenblockanordnung müsste durch eine Lineargeneratoranordnung ersetzt werden, wobei die Zug- und Schubstangen einen Teil von Lineargeneratorbauteilen bilden oder diese antreiben. Die Kolben/Zylinderanordnungen, einschließlich der Spülpumpen, müssten Energie aus Verbrennungsvorgängen erzeugen, um die Lineargeneratoren anzutreiben. Somit kann dennoch die HCCI-Verbrennung mit den gewünschten hohen Mengen an Ladeluft bei dem OPOC-Freikolbenmotor, der mit einem Lineargenerator gekuppelt ist, verwendet werden, wenn eine Maximierung der Leistungsdichte des Motors bevorzugt wird.

Claims

Freikolbenmotor (10), aufweisend: eine Anordnung zur Speicherung und Steuerung von Energie (12), die eine erste Seite aufweist; eine erste Verbrennungszylinderanordnung (14), die benachbart zu der ersten Seite der Anordnung zur Speicherung und Steuerung von Energie (12) angeordnet ist und eine erste Zylinderlaufbuchse (42) aufweist, die einen im Wesentlichen kreisförmigen ersten Motorzylinder (44) definiert, welcher um eine Bewegungsachse zentriert ist, wobei der erste Motorzylinder (44) einen Zylinderdurchmesser hat; eine Innenkolbenanordnung (200) mit einem ersten Innenkolben (202), der innerhalb des ersten Motorzylinders (44) entlang der Bewegungsachse teleskopisch verschiebbar angeordnet ist, und einer Innenstange (240), die an dem ersten Innenkolben (202) montiert ist und mit der Anordnung zur Speicherung und Steuerung von Energie (12) wirksam in Eingriff steht; eine Außenkolbenanordnung (250) mit einem ersten Außenkolben (252), der innerhalb des ersten Motorzylinders (44) entlang der Bewegungsachse teleskopisch verschiebbar angeordnet ist und einen dem ersten Innenkolben (202) zugewandten und im weiteren Abstand von der Anordnung zur Speicherung und Steuerung von Energie (12) als dem ersten Innenkolben (202) angeordneten Kopf (254) aufweist, wobei der erste Außenkolben (252) eine erste Kolbenbrücke (264) aufweist, die an einem dem Kopf (254) entgegengesetzten Ende des ersten Außenkolbens (252) angeordnet ist, wobei die erste Kolbenbrücke (264) eine ovale Außenfläche mit einem maximalen Durchmesser aufweist, der größer als der Zylinderdurchmesser des ersten Motorzylinders (44) ist, und wobei die Außenkolbenanordnung (250) eine erste Außenstange (293) aufweist, die an der ersten Kolbenbrücke (264) montiert ist und mit der Anordnung zur Speicherung und Steuerung von Energie (12) wirksam in Eingriff steht; und eine erste Spülpumpe (74), die mit dem ersten Verbrennungszylinder in Eingriff steht und ein erstes Spülpumpengehäuse (76) aufweist, welches eine Lufteinlassöffnung (80) und eine Luftauslassöffnung (84) definiert und eine Wand aufweist, die eine Hauptpumpenkammer (78) definiert, die mit der Lufteinlassöffnung (80) und der Luftauslassöffnung (84) wahlweise verbindbar ist, wobei die Hauptpumpenkammer (78) die erste Kolbenbrücke (264) darin teleskopisch aufnimmt und die Wand in der Form zylindrisch ist und einen ovalen Querschnitt hat, so dass die ovale Außenfläche der ersten Kolbenbrücke (264) gegen die Wand abdichtet.
Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 1, wobei: die Anordnung zur Speicherung und Steuerung von Energie (12) ferner eine zweite Seite in gegenüberliegender Beziehung zu der ersten Seite aufweist; der Freikolbenmotor (10) ferner eine zweite Verbrennungszylinderanordnung (16), die benachbart zu der zweiten Seite der Anordnung zur Speicherung und Steuerung von Energie (12) angeordnet ist und eine zweite Zylinderlaufbuchse (142) aufweist, die einen im Wesentlichen kreisförmigen zweiten Motorzylinder (144) definiert, welcher um die Bewegungsachse zentriert ist, wobei der zweite Motorzylinder (144) einen zweiten Zylinderdurchmesser hat; die Außenkolbenanordnung (250) einen zweiten Außenkolben (275) aufweist, der innerhalb des zweiten Motorzylinders (144) entlang der Bewegungsachse teleskopisch verschiebbar angeordnet ist und einen der zweiten Seite zugewandten Kopf (276) aufweist, und der ferner eine zweite Kolbenbrücke (282) aufweist, die an einem dem Kopf (276) entgegengesetzten Ende des zweiten Außenkolbens (275) angeordnet ist, wobei die zweite Kolbenbrücke (282) eine im Wesentlichen ovale Außenfläche mit einem maximalen Durchmesser aufweist, der größer als der zweite Zylinderdurchmesser ist, und mit einer zweiten Außenstange (294) verbunden ist, die mit der Anordnung zur Speicherung und Steuerung von Energie (12) wirksam in Eingriff steht; und eine zweite Spülpumpe (174) mit dem zweiten Verbrennungszylinder in Eingriff steht und ein zweites Spülpumpengehäuse (176) aufweist, welches eine Lufteinlassöffnung (180) und eine Luftauslassöffnung (184) definiert und eine Wand aufweist, die eine zweite Hauptpumpenkammer (178) definiert, die mit der Lufteinlassöffnung (180) und der Luftauslassöffnung (184) wahlweise verbindbar ist, wobei die zweite Hauptpumpenkammer (178) die zweite Kolbenbrücke (282) darin teleskopisch aufnimmt und die Wand in der Form zylindrisch ist und einen ovalen Querschnitt hat, so dass die ovale Außenfläche der zweiten Kolbenbrücke (282) gegen die Wand der zweiten Hauptpumpenkammer (178) abdichtet.
Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 2, wobei die erste Außenstange (293) an der zweiten Kolbenbrücke (282) montiert ist und die zweite Außenstange (294) an der ersten Kolbenbrücke (264) montiert ist.
Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 3, wobei die Innenkolbenanordnung (200) ferner einen zweiten Innenkolben (220) aufweist, der innerhalb des zweiten Motorzylinders (144) entlang der Bewegungsachse teleskopisch verschiebbar angeordnet ist und an der Innenstange (240) montiert ist.
Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 4, wobei die Innenkolbenanordnung (200) eine bestimmte Masse hat und die Außenkolbenanordnung (250) eine bestimmte Masse hat, die gleich der Masse der Innenkolbenanordnung (200) ist.
Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 3, wobei: der erste Außenkolben (252) eine hohle Kammer darin definiert, die zu der ersten Kolbenbrücke (264) offen ist, und die erste Kolbenbrücke (264) einen Steg (267) aufweist, der eine Öffnung aufweist, die sich zwischen der hohlen Kammer und der Hauptpumpenkammer (78) erstreckt; und der zweite Außenkolben (275) eine zweite hohle Kammer darin definiert, die zu der zweiten Kolbenbrücke (282) offen ist, und die zweite Kolbenbrücke (282) einen Steg (265) aufweist, der eine Öffnung aufweist, die sich zwischen der zweiten hohlen Kammer und der zweiten Hauptpumpenkammer (178) erstreckt.
Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 6, wobei: die erste Zylinderlaufbuchse (42) einen ersten Satz Ansaugöffnungen (56) aufweist, die sich durch diese hindurch erstrecken; die erste Verbrennungszylinderanordnung (14) ferner einen ersten Luftansaugkanal (31) in Fluidverbindung mit dem ersten Satz Ansaugöffnungen (56) aufweist; der Steg (267) der ersten Kolbenbrücke (264) ein Paar geschlossene Bereiche aufweist, wobei jeder geschlossene Bereich eine Seite hat, die der Hauptpumpenkammer (78) abgewandt ist, die in Fluidverbindung mit dem ersten Luftansaugkanal (31) ist; die zweite Zylinderlaufbuchse (142) einen zweiten Satz Ansaugöffnungen (156) aufweist, die sich durch diese hindurch erstrecken; die zweite Verbrennungszylinderanordnung (16) ferner einen zweiten Luftansaugkanal (131) in Fluidverbindung mit dem zweiten Satz Ansaugöffnungen (156) aufweist; und der Steg (265) der zweiten Kolbenbrücke (282) ein Paar geschlossene Bereiche aufweist, wobei jeder geschlossene Bereich eine Seite hat, die von der zweiten Hauptpumpenkammer (178) abgewandt ist, die in Fluidverbindung mit dem zweiten Luftansaugkanal (131) ist.
Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 1, wobei der erste Außenkolben (252) eine hohle Kammer darin definiert, die zu der ersten Kolbenbrücke (264) offen ist, und die erste Kolbenbrücke (264) einen Stegabschnitt (267) aufweist, der eine Öffnung aufweist, die sich zwischen der hohlen Kammer und der Hauptpumpenkammer (78) erstreckt.
Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 8, wobei: die erste Zylinderlaufbuchse (42) einen ersten Satz Ansaugöffnungen (56) aufweist, die sich durch diese hindurch erstrecken; die erste Verbrennungszylinderanordnung (14) ferner einen ersten Luftansaugkanal (31) in Fluidverbindung mit dem ersten Satz Ansaugöffnungen (56) aufweist; und der Steg (267) der ersten Kolbenbrücke (264) ein Paar geschlossene Bereiche aufweist, wobei jeder geschlossene Bereich eine Seite hat, die von der Hauptpumpenkammer (78) abgewandt ist, die in Fluidverbindung mit dem ersten Luftansaugkanal (31) ist.
Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 1, wobei: die erste Zylinderlaufbuchse (42) einen ersten Satz Ansaugöffnungen (56) aufweist, die sich durch diese hindurch erstrecken; die erste Verbrennungszylinderanordnung (14) ferner einen ersten Luftansaugkanal (31) in Fluidverbindung mit dem ersten Satz Ansaugöffnungen (56) aufweist; und die erste Kolbenbrücke (264) einen Steg (267) mit einem Paar geschlossener Bereiche aufweist, wobei jeder geschlossene Bereich eine Seite hat, die von der Hauptpumpenkammer (78) abgewandt ist, die in Fluidverbindung mit dem ersten Luftansaugkanal (31) ist.
Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 1, wobei die Außenkolbenanordnung (252) ferner eine zweite Außenstange (294) aufweist, die an der ersten Kolbenbrücke (264) montiert ist und mit der Anordnung zur Speicherung und Steuerung von Energie (12) wirksam in Eingriff steht.
Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 1, wobei die Anordnung zur Speicherung und Steuerung von Energie (12) eine Fluidpumpenanordnung mit einer Innenfluidpumpenkammer (306) und einer Außenfluidpumpenkammer (314, 318), eine Quelle von Fluid unter einem relativ hohen Druck, die wahlweise in Fluidverbindung mit der Innenfluidpumpenkammer (306) und der Außenfluidpumpenkammer (314, 318) ist, und eine Quelle von Fluid unter einem relativ niedrigen Druck aufweist, die wahlweise in Fluidverbindung mit der Innenfluidpumpenkammer (306) und der Außenfluidpumpenkammer (314, 318) ist, wobei sich die Innenstange (240) teleskopisch verschiebbar durch die Innenfluidpumpenkammer (306) hindurch erstreckt und sich die erste Außenstange (293) teleskopisch verschiebbar durch die Außenfluidpumpenkammer (314, 318) hindurch erstreckt.
Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 1, wobei das erste Spülpumpengehäuse (76) eine Mehrzahl von Kühlrippen (96) aufweist, die sich von diesem erstrecken.
Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 1, wobei die erste Spülpumpe (74) ein Einweg-Einlassventil (88) aufweist, das die Lufteinlassöffnung (80) derart abdeckt, dass Luft nur wahlweise durch die Lufteinlassöffnung (80) hindurch in die Hauptpumpenkammer (78) hinein strömen kann.
Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 1, wobei die erste Spülpumpe (74) ein Einweg-Auslassventil (89) aufweist, das die Luftauslassöffnung (84) derart abdeckt, dass Luft nur wahlweise durch die Luftauslassöffnung (84) hindurch aus der Hauptpumpenkammer (78) heraus strömen kann.
Freikolbenmotor (10), aufweisend: eine Anordnung zur Speicherung und Steuerung von Energie (12), die eine erste Seite aufweist; eine erste Verbrennungszylinderanordnung (14), die benachbart zu der ersten Seite der Anordnung zur Speicherung und Steuerung von Energie (12) angeordnet ist und eine erste Zylinderlaufbuchse (42) aufweist, die einen im Wesentlichen kreisförmigen ersten Motorzylinder (44) definiert, welcher um eine Bewegungsachse zentriert ist, wobei der erste Motorzylinder (44) einen Zylinderdurchmesser hat, und wobei die erste Zylinderlaufbuchse (42) einen ersten Satz Ansaugöffnungen (56) aufweist, die sich durch diese hindurch erstrecken, und wobei die erste Verbrennungszylinderanordnung (14) ferner einen ersten Luftansaugkanal (31) in Fluidverbindung mit dem ersten Satz Ansaugöffnungen (56) aufweist; eine Außenkolbenanordnung (250) mit einem ersten Außenkolben (252), der innerhalb des ersten Motorzylinders (44) entlang der Bewegungsachse teleskopisch verschiebbar angeordnet ist und einen der ersten Seite zugewandten Kopf (254) aufweist, wobei der erste Außenkolben (252) eine erste Kolbenbrücke (264) aufweist, die an einem dem Kopf (254) entgegengesetzten Ende des ersten Außenkolbens (252) angeordnet ist, wobei die erste Kolbenbrücke (264) eine ovale Außenfläche mit einem maximalen Durchmesser, der größer als der Zylinderdurchmesser des ersten Motorzylinders (44) ist, und einen Steg (267) mit einem Paar geschlossener Bereiche aufweist, wobei jeder geschlossene Bereich eine Seite hat, die von der Hauptpumpenkammer (78) abgewandt ist, die in Fluidverbindung mit dem ersten Luftansaugkanal (31) ist, und wobei die Außenkolbenanordnung (250) eine erste Außenstange (293) aufweist, die an der ersten Kolbenbrücke (264) montiert ist und mit der Anordnung zur Speicherung und Steuerung von Energie (12) wirksam in Eingriff steht; und eine erste Spülpumpe (74), die mit dem ersten Verbrennungszylinder in Eingriff steht und ein erstes Spülpumpengehäuse (76) aufweist, welches eine Lufteinlassöffnung (80) und eine Luftauslassöffnung (84) definiert und eine Wand aufweist, die eine Hauptpumpenkammer (78) definiert, die mit der Lufteinlassöffnung (80) und der Luftauslassöffnung (84) wahlweise verbindbar ist, wobei die Hauptpumpenkammer (78) die erste Kolbenbrücke (264) darin teleskopisch aufnimmt und die Wand in der Form zylindrisch ist und einen ovalen Querschnitt hat, so dass die ovale Außenfläche der ersten Kolbenbrücke (264) gegen die Wand abdichtet.
Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 16, wobei der erste Außenkolben (252) eine hohle Kammer darin definiert, die zu der ersten Kolbenbrücke (264) offen ist, und der Steg (267) eine Öffnung aufweist, die sich zwischen der hohlen Kammer und der Hauptpumpenkammer (78) erstreckt.
Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 16, wobei die Außenkolbenanordnung (252) ferner eine zweite Außenstange (294) aufweist, die an der ersten Kolbenbrücke (264) montiert ist und mit der Anordnung zur Speicherung und Steuerung von Energie (12) wirksam in Eingriff steht.
Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 16, wobei: die Anordnung zur Speicherung und Steuerung von Energie (12) ferner eine zweite Seite in gegenüberliegender Beziehung zu der ersten Seite aufweist; der Freikolbenmotor (10) ferner eine zweite Verbrennungszylinderanordnung (16), die benachbart zu der zweiten Seite der Anordnung zur Speicherung und Steuerung von Energie (12) angeordnet ist und eine zweite Zylinderlaufbuchse (142) aufweist, die einen im Wesentlichen kreisförmigen zweiten Motorzylinder (144) definiert, welcher um die Bewegungsachse zentriert ist, wobei der zweite Motorzylinder (144) einen zweiten Zylinderdurchmesser hat; die Außenkolbenanordnung (250) einen zweiten Außenkolben (275) aufweist, der innerhalb des zweiten Motorzylinders (144) entlang der Bewegungsachse teleskopisch verschiebbar angeordnet ist und einen der zweiten Seite zugewandten Kopf (276) aufweist, und der ferner eine zweite Kolbenbrücke (282) aufweist, die an einem dem Kopf (276) entgegengesetzten Ende des zweiten Außenkolbens (275) angeordnet ist, wobei die zweite Kolbenbrücke (282) eine im Wesentlichen ovale Außenfläche mit einem maximalen Durchmesser aufweist, der größer als der zweite Zylinderdurchmesser ist, und mit einer zweiten Außenstange (294) verbunden ist, die mit der Anordnung zur Speicherung und Steuerung von Energie (12) wirksam in Eingriff steht; und eine zweite Spülpumpe (174) mit dem zweiten Verbrennungszylinder in Eingriff steht und ein zweites Spülpumpengehäuse (176) aufweist, welches eine Lufteinlassöffnung (180) und eine Luftauslassöffnung (184) definiert und eine Wand aufweist, die eine zweite Hauptpumpenkammer (178) definiert, die mit der Lufteinlassöffnung (180) und der Luftauslassöffnung (184) wahlweise verbindbar ist, wobei die zweite Hauptpumpenkammer (178) die zweite Kolbenbrücke (282) darin teleskopisch aufnimmt und die Wand in der Form zylindrisch ist und einen ovalen Querschnitt hat, so dass die ovale Außenfläche der zweiten Kolbenbrücke (282) gegen die Wand der zweiten Hauptpumpenkammer (178) abdichtet.
Freikolbenmotor (10), aufweisend: eine Anordnung zur Speicherung und Steuerung von Energie (12), die eine erste Seite hat und eine Fluidpumpenanordnung mit einer Außenfluidpumpenkammer (314, 318), eine Quelle von Fluid unter einem relativ hohen Druck, die wahlweise in Fluidverbindung mit der Außenfluidpumpenkammer (314, 318) ist, und eine Quelle von Fluid unter einem relativ niedrigen Druck aufweist, die wahlweise in Fluidverbindung mit der Außenfluidpumpenkammer (314, 318) ist; eine erste Verbrennungszylinderanordnung (14), die benachbart zu der ersten Seite der Anordnung zur Speicherung und Steuerung von Energie (12) angeordnet ist und eine erste Zylinderlaufbuchse (42) aufweist, die einen im Wesentlichen kreisförmigen ersten Motorzylinder (44) definiert, welcher um eine Bewegungsachse zentriert ist, wobei der erste Motorzylinder (44) einen Zylinderdurchmesser hat; eine Außenkolbenanordnung (250) mit einem ersten Außenkolben (252), der innerhalb des ersten Motorzylinders (44) entlang der Bewegungsachse teleskopisch verschiebbar angeordnet ist und einen der ersten Seite zugewandten Kopf (254) aufweist, wobei der erste Außenkolben (252) eine erste Kolbenbrücke (264) aufweist, die an einem dem Kopf (254) entgegengesetzten Ende des ersten Außenkolbens (252) angeordnet ist, wobei die erste Kolbenbrücke (264) eine ovale Außenfläche mit einem maximalen Durchmesser, der größer als der Zylinderdurchmesser des ersten Motorzylinders (44) ist, und wobei die Außenkolbenanordnung (250) eine erste Außenstange (293) aufweist, die an der ersten Kolbenbrücke (264) montiert ist und sich durch die Außenfluidpumpenkammer (314, 318) hindurch teleskopisch verschiebbar erstreckt; und eine erste Spülpumpe (74), die mit dem ersten Verbrennungszylinder in Eingriff steht und ein erstes Spülpumpengehäuse (76) aufweist, welches eine Lufteinlassöffnung (80) und eine Luftauslassöffnung (84) definiert und eine Wand aufweist, die eine Hauptpumpenkammer (78) definiert, die mit der Lufteinlassöffnung (80) und der Luftauslassöffnung (84) wahlweise verbindbar ist, wobei die Hauptpumpenkammer (78) die erste Kolbenbrücke (264) darin teleskopisch aufnimmt und die Wand in der Form zylindrisch ist und einen ovalen Querschnitt hat, so dass die ovale Außenfläche der ersten Kolbenbrücke (264) gegen die Wand abdichtet.