DE102007061976B4

DE102007061976B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007061976B4
Application number: DE200710061976
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. Kreuter
Original assignee: Meta Motoren und Energie Technik GmbH
Current assignee: Hong Kong Meta Co Ltd Cn
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2010-02-25
Anticipated expiration: 2027-12-22
Also published as: DE102007061976A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit
wenigstens einem Arbeitszylinder mit einer von einem Arbeitskolben begrenzten Arbeitskammer mit einem Einlassventil und einem Auslassventil,
wenigstens einem Verdichterzylinder mit einer von einem Verdichterkolben begrenzten Verdichterkammer mit einem Frischladungseinlassventil und einem Überströmventil, und
einer Überströmkammer, die bei offenem Überströmventil mit der Frischluftkammer verbunden ist und bei offenem Einlassventil mit der Arbeitskammer verbunden ist, enthaltend folgende Schritte:
– Einströmen von Frischladung in die Verdichterkammer unter Volumenzunahme der Verdichterkammer,
– Verdichten von in der Verdichterkammer befindlicher Frischladung unter Volumenverminderung der Verdichterkammer,
– Ausschieben der verdichteten Frischladung in die Überströmkammer,
– Ausschieben der in der Überströmkammer befindlichen verdichteten Frischladung in die Arbeitskammer,
– Verbrennen der in der Arbeitskammer befindlichen Frischladung unter Volumenvergrößerung der Arbeitskammer und Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeitsleistung und
– Ausstoßen der verbrannten Ladung unter Volumenverkleinerung der Arbeitskammer, dadurch gekennzeichnet, dass
die...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine entsprechend einem solchen Verfahren betreibbare Brennkraftmaschine.
Aus Gründen der Ressourcenschonung und der Verminderung der Umweltbelastung liegt ein zunehmend vorrangiges Entwicklungsziel bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, wie sie insbesondere in Personenkraftwagen eingesetzt werden können, in der Verminderung des Kraftstoffverbrauchs bzw. der Verbesserung des Wirkungsgrades, wobei unter Wirkungsgrad der Kraftstoffverbrauch, bezogen auf die an der Kurbelwelle abnehmbare mechanische Energie verstanden wird.
Eine Eigenart herkömmlicher Hubkolbenbrennkraftmaschinen liegt darin, dass der gesamte thermodynamische Prozess (Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausschieben) in einem einzigen Zylinder abläuft, was erhebliche Kompromisse bzgl. der Ausnutzbarkeit der Brennstoffenergie bedeutet. Ansätze, den gesamten thermodynamischen Prozess auf zwei Zylinder zu verteilen, sind beispielsweise aus der US-2005/0268609 A1 bekannt. Bei dieser bekannten Brennkraftmaschine wird Frischladung von einem Kompressionszylinder in einen Arbeitszylinder unter Zwischenschaltung eines konstanten Zwischenvolumens übergeschoben. Dieses Überschieben erfolgt bei hohen Druckunterschieden, wodurch der Wirkungsgrad infolge thermischer Verluste und Strömungsverlusten unbefriedigend ist.
In den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 und 4 wird von der US 2007/0157894 A1 ausgegangen. Diese Druckschrift beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einem in einem Verdichterzylinder arbeitenden Verdichterkolben und einem in einem Arbeitszylinder arbeitenden Arbeitskolben. In einem Einlass des Verdichterzylinders arbeitet ein Frischladungseinlassventil. Die Verdichterkammer des Verdichterzylinders ist mit der Arbeitskammer des Arbeitszylinders über einen Überströmkanal verbunden, in dessen Abzweigung von der Verdichterkammer ein als Rückschlagventil ausgebildetes Überströmventil angeordnet ist. In die Mündung des Überströmkanals in die Arbeitskammer ist ein Einlassventil angeordnet. Über ein Auslassventil ist die Arbeitskammer mit einem Auslasskanal der Brennkraftmaschine verbunden. Der Überströmkanal ist mit einem Speichervolumen verbindbar. Die Ventile werden von Nocken betätigt, die beispielsweise an einer drehfest mit der Kurbelwelle verbundenen Nockenwelle ausgebildet sind. Die Kurbelwelle ist über Pleuel mit den Kolben verbunden. Eine Eigenart der Brennkraftmaschine gemäß US 2007/0157894 A1 liegt darin, dass im Überströmkanal ständig ein komprimiertes Luftvolumen verbleibt. In diesem Volumen muss ständig ein Druck aufrecht erhalten werden, der mindestens so groß ist wie der bei der Zündung in der Arbeitskammer herrschende Druck, wozu vom Verdichterkolben eine hohe Kompressionsarbeit geleistet werden muss. Des Weiteren ist dadurch der maximale Druck, mit dem die verdichtete Frischladung der Arbeitskammer zugeführt werden kann, begrenzt.
DE 600 21 901 T2 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit Regenerator und Heißluftzündvorrichtung. Ein Kompressionszylinder ist über einen Regenerator mit einem Antriebszylinder verbunden. In der Verbindung vom Kompressionszylinder zum Regenerator arbeitet ein Ventil. In der Verbindung vom Regenerator zum Antriebszylinder arbeitet ein weiteres Ventil. Der Regenerator ist über ein Auslassventil mit einem Auslass verbunden. Das Volumen des Regenerators ist konstant.
In der DE 3433619 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem ersten Zylinder und einem zweiten Zylinder beschrieben, die über ein Überströmkammer miteinander verbunden sind. In der Verbindung vom ersten Zylinder in die Überströmkammer ist ein Ventil angeordnet. Die Überströmkammer, deren Volumen konstant ist, ist ständig mit dem zweiten Zylinder verbunden.
DE 577740 beschreibt eine Druckluftbrennkraftmaschine, bei der zwischen einem Verdichterzylinder und einem Arbeitszylinder eine Überströmkammer angeordnet ist, deren Volumen konstant ist.
Die US 1,771,335 beschreibt eine Brennkraftmaschine, die in einem 6 Takt-Zyklus arbeitet und eine Mehrzahl von Zylindern aufweist. In einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine sind mehrere Einlasssammelrohre ausgebildet, von denen jedes mit je zwei Zylindern, kommuniziert. Weiter sind Auslasssammelrohre, jeweils eines für jeden Zylinder, vorgesehen. Eine Verbindung zwischen den Einlass- und den Auslasssammelleitungen wird von Ventilen gesteuert. Zusätzlich ist im Zylinderkopf eine Hilfssammelleitung vorgesehen, die mit allen Zylindern kommuniziert und deren Verbindung mit den Zylindern von Ventilen gesteuert wird.
Die JP 57091324 A beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einem Verdichterzylinder und einem Arbeitszylinder, die mittels einer Überströmkammer verbunden sind. Der Verdichterkolben und der Arbeitskolben befinden sich gleichzeitig im OT. Dabei befindet sich die vom Verdichterkolben komprimierte Frischladung vollständig in der Überströmkammer und ist von dem Arbeitszylinder abgetrennt. Nach Zündung der in der Überströmkammer befindlichen Frischladung öffnet ein Einlassventil in den Arbeitszylinder, so dass die verbrennende Frischladung in den Arbeitszylinder hinein expandiert. Dabei entstehen unvermeidlich hohe Überströmverluste. Die Überströmkammer bildet eine Brennkammer und hat ein konstantes Volumen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die mit verbessertem Kraftstoffwirkungsgrad arbeitet.
Der das Verfahren betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird die Überströmkammer von einem Überströmkolben begrenzt, der das Volumen der Überströmkammer im OT weitgehend zu Null macht, so dass gewährleistet ist, dass die gesamte, in der Überströmkammer befindliche verdichtete Frischladung in die Arbeitskammer ausgeschoben wird und dadurch die vom Verdichterkolben auf die Frischladung aufgebrachte Verdichtungsarbeit optimal genutzt und bei der Verbrennung der Frischladung in Nutzarbeit umgesetzt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet somit im Gegensatz zum Verfahren gemäß der D2 ohne Totvolumen zwischen der Verdichterkammer und der Arbeitskammer.
Mit den Merkmalen des Anspruchs 2 werden die Strömungsverluste beim Ausschieben der verdichteten Frischladung in die Arbeitskammer vermindert.
Mit den Merkmalen des Anspruchs 3 wird erreicht, dass in der Arbeitskammer vor dem Einleiten der verdichteten Frischladung in die Arbeitskammer ein wohl definierter Druck erzeugbar ist.
Der Anspruch 4 kennzeichnet den Aufbau einer Brennkraftmaschine zur Lösung des diesbezüglichen Teils der Erfindungsaufgabe.
Die Ansprüche 5 bis 7 kennzeichnen vorteilhafte mechanische Grundkonstruktionen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
Der Anspruch 8 kennzeichnet eine Ausführungsform, bei der das Volumen der Überströmkammer bei im OT befindlichen Überströmkolben minimierbar ist.
Die Ansprüche 9 und 10 kennzeichnen konstruktive Ausführungsformen der Brennkraftmaschine gemäß dem Anspruch 8.
Mit den Merkmalen des Anspruchs 11 wird der Verdichterwirkungsgrad vorteilhaft beeinflusst.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
In den Figuren stellen dar:
1 eine schematische Querschnittsansicht von Teilen einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine; und
2 bis 8 der 1 ähnliche Ansichten in verschiedenen Betriebszuständen.
Gemäß 1 weist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in an sich bekannter Weise eine Kurbelwelle 10 mit zwei benachbarten Kurbeln auf, die über je ein Pleuel 12 bzw. 14 mit einem Verdichterkolben 16 bzw. einem Arbeitskolben 18 verbunden sind. Der Verdichterkolben 16 ist innerhalb eines Verdichterzylinders 20 beweglich. Der Arbeitskolben ist innerhalb eines Arbeitszylinders 22 beweglich, wobei der Arbeitszylinder 22 vorzugsweise mit einem Zylinderrohr 24 ausgekleidet ist.
Nach oben hin sind die Zylinder, die bevorzugt innerhalb eines gemeinsamen Zylindergehäuses 28 ausgebildet sind, mittels eines Zylinderkopfes 30 verschlossen, der in einem die beiden Zylinder 20 und 22 überlappenden Bereich eine verhältnismäßig dünne Stirnwand 32 aufweist, die Teilbereiche der Zylinder 20 und 22 nach oben abschließt und einen im Zylinderkopf 30 ausgebildeten Überströmzylinder 33 nach unten abschließt.
Zwischen dem Verdichterkolben 16 und dem Zylinderkopf 30 ist eine Verdichterkammer 34 ausgebildet (siehe 3). Zwischen dem Arbeitskolben 18 und dem Zylinderkopf 30 ist eine Arbeitskammer 36 ausgebildet, in die eine Einspritzdüse 38 einragt.
In dem Überströmzylinder 33 ist ein Überströmkolben 40 bewegbar, der eine Überströmkammer 42 begrenzt.
In dem Zylinderkopf 30 ist ein Frischluft- bzw. Frischladungseinlasskanal 44 ausgebildet, in dem ein Frischladungseinlassventil 46 arbeitet, das die Verbindung zwischen dem Frischladungseinlasskanal 44 und der Verdichterkammer 34 steuert.
In dem Zylinderkopf 30 ist weiter ein Auslasskanal 48 ausgebildet, in dem ein Auslassventil 50 arbeitet, das die Verbindung zwischen der Arbeitskammer 36 und dem Auslasskanal 48 steuert.
In der Stirnwand 32 ist eine die Verdichterkammer 34 mit der Überströmkammer 42 verbindende Öffnung ausgebildet, in der ein Überströmventil 52 arbeitet, das bei einer Bewegung weg von der Verdichterkammer öffnet. Ein Schaft des Überströmventils 52 ist in dem Überströmkolben 40 unter Abdichtung beweglich geführt, wobei das Überströmventil 52 gegen die Kraft einer Feder 53 in den Überströmkolben 40 hinein bewegbar ist und vorzugsweise mit begrenztem Hub aus dem Überströmkolben 40 heraus bewegbar ist.
In einer weiteren Öffnung der Stirnwand 32, die die Überströmkammer 42 mit der Arbeitskammer 36 verbindet, arbeitet ein Einlassventil 54, dessen Schaft durch den Überströmkolben 40 unter Abdichtung beweglich hindurchgeführt ist.
Zur Betätigung der Ventile 46, 50 und 54 dienen ein Frischladungsnocken 56, ein Auslassnocken 58 und ein Einlassnocken 60. Der Überströmkolben 40 wird von einem Überströmnocken 62 betätigt.
Die Nocken sind in zweckentsprechender Weise an einer oder mehreren Nockenwellen ausgebildet, die vorzugsweise von der Kurbelwelle 10 mit gleicher Drehzahl wie die der Kurbelwelle angetrieben werden.
Die Funktion der hinsichtlich ihres grundsätzlichen Aufbaus beschriebenen Brennkraftmaschine wird im Folgenden anhand der 2 bis 8 erläutert, wobei der Übersichtlichkeit halber in diesen Figuren nur wenige Bezugszeichen eingefügt sind.
2 zeigt die Brennkraftmaschine in einem Zustand, in dem der Verdichterkolben 16 seinen oberen Totpunkt erreicht hat und das Volumen der Verdichterkammer minimal (annähernd Null) ist. Der Überströmkolben 40 befindet sich kurz vor seinem oberen Totpunkt (als oberer Totpunkt des Überströmkolbens 40 ist die Stellung definiert, in der die Überströmkammer 42 minimales Volumen (annähernd Null) hat). Der Arbeitskolben 18 hat seinen oberen Totpunkt bereits verlassen. Er eilt dem Verdichterkolben 16 vorteilhafterweise um einige Grad voraus, was durch entsprechenden Versatz der zugehörigen Kurbeln der Kurbelwelle 10 erreicht wird. Je nach strö mungstechnischen Bedingungen kann es allerdings auch vorteilhaft sein, dass der Verdichterkolben dem Arbeitskolben etwas vorauseilt.
Das Frischladungseinlassventil 46 ist geschlossen. Das Überströmventil 52 ist geschlossen. Das Einlassventil 54 ist offen und das Auslassventil 50 ist geschlossen.
Der Zustand der 2 entspricht etwa dem Zustand, in dem ein Ansaugen von Frischladung bzw. ein Befüllen der Verdichterkammer 34 mit Frischladung beginnt und in der Überströmkammer 42 enthaltene verdichtete Frischladung noch nicht vollständig in die Arbeitskammer 36 übergeströmt ist.
In 3 ist der Zustand dargestellt, in dem das Füllen der Verdichterkammer 34 mit Frischladung weitgehend beendet ist, wobei der Verdichterkolben 16 sich annähernd im Bereich seines unteren Totpunktes befindet, der Überströmkolben 40 sich im oberen Totpunkt befindet und der Arbeitskolben 18 sich am Ende eines Arbeitshubs, der kurz nach dem Zustand der 2 begonnen hat, befindet, in dem Frischladung verbrannt ist. Das Frischladungseinlassventil 46 ist noch geöffnet, das Überströmventil 52 ist gegen die Kraft der Feder 53 weitgehend in den Überströmkolben 40 hinein bewegt, das Einlassventil 54 und das Auslassventil 50 sind geschlossen.
4 zeigt den Zustand, in dem die Verdichtung der Frischladung und etwa gleichzeitig damit der Ausstoß der verbrannten Ladung beginnt. Der Verdichterkolben 16 bewegt sich nach Durchfahren seines unteren Totpunktes aufwärts, um die Frischladung in der Verdichterkammer 34 zu verdichten. Der Überströmkolben 40 befindet sich weiter im Bereich seines oberen Totpunktes. Das Überströmventil 52 und das Einlassventil 54 sind geschlossen. Der Arbeitskolben 18 beginnt seine Aufwärtsbewegung. Das Auslassventil 50 ist geöffnet.
5 zeigt den Zustand, in dem das Überströmen der verdichteten, in der Verdichterkammer 34 befindlichen Ladung in die Überströmkammer 42 beginnt:
Der Verdichterkolben 16 nähert sich bei weiterhin geschlossenem Frischladungseinlassventil 46 seinem oberen Totpunkt. Der Überströmkolben 40 bewegt sich von seinem oberen Totpunkt weg, wobei sich das Überströmventil 52 durch die Kraft der Feder aus dem Überströmkolben 40 herausbewegt und durch den Druck in der Verdichterkammer 34 geöffnet wird. Dadurch kann verdichtete Frischladung in die Überströmkammer 42 einströmen, wobei das Einlassventil 54 geschlossen ist. Der Arbeitskolben 18 hat seinen oberen Totpunkt annähernd erreicht, wobei das Auslassventil 50 am Ende des Expansionshubs noch offen ist.
6 zeigt die Brennkraftmaschine in einem Zustand etwas nach dem Zustand der 5, in dem sich der Verdichterkolben 16 bei weiterhin geschlossenem Frischladungseinlassventil 46 in seinen oberen Totpunkt bewegt und der Arbeitskolben 18 seinen oberen Totpunkt bereits erreicht hat. Das Überströmventil 52 ist bei etwa in seinem unteren Totpunkt befindlichem Überströmkolben 40 weitgehend geöffnet, wobei die Öffnung noch dadurch unterstützt werden kann, dass das Überströmventil 52 nicht um den vollen Hub des Überströmkolbens 40 aus diesem heraus bewegbar ist, so dass es durch die Bewegung des Überströmkolbens in dessen UT von seinem Sitz abgehoben wird. Die vom Verdichterkolben 16 verdichtete Frischladung ist nahezu vollständig in die Überströmkammer 42 übergeströmt.
7 zeigt den Zustand der Brennkraftmaschine, bei dem der Verdichterkolben sich noch im Bereich des oberen Totpunktes befindet und der Arbeitskolben 18 seinen oberen Totpunkt bereits verlassen hat.
Das Frischladungseinlassventil 46 ist geschlossen. Der Überströmkolben 40 bewegt sich unter Verkleinerung des Volumens der Überströmkammer 42 in Richtung auf seinen oberen Totpunkt, wobei das Überströmventil 52 durch den fehlenden Druck in der Verdichterkammer 34 geschlossen ist und das Einlassventil 54 geöffnet ist, so dass die in der Überströmkammer 42 befindliche, verdichtete Frischladung in die Arbeitskammer 36 überdrückt wird, deren Volumen sich durch den sich bereits nach unten bewegenden Arbeitskolben 18 vergrößert. Das Auslassventil 50 ist geschlossen.
8 zeigt den Zustand geringfügig nach dem Zustand der 7, wobei sich der Überströmkolben 40 bei geschlossenem Überströmventil 52 und wieder geschlossenem Einlassventil 54 in seinem oberen Totpunkt befindet, die gesamte verdichtete Ladung sich in der Arbeitskammer 36 befindet und dort bei weiterhin geschlossenem Auslassventil 50 die Verbrennung beginnt, indem der kurz vorher eingespritzte Dieselkraftstoff sich selbst entzündet. Bei Ausbildung als Ottomotor mit Direkteinspritzung setzt kurz vor dem Zustand der 8 die Einspritzung ein und wird etwa im Zustand der 8 gezündet. Bei Ausbildung als nicht direkt einspritzender Ottomotor kann die Gemischbildung vor dem Frischladungseinlassventil 46 erfolgen, oder beispielsweise im Bereich der Überströmkammer 42.
Der Zustand der 8 ist der Zustand, den die Brennkraftmaschine kurz nach dem Zustand der 2 einnimmt, so dass der Zyklus geschlossen ist.
Bezugnehmend auf den Beginn des Überströmens der in der Überströmkammer 42 befindlichen verdichteten Frischladung in die Arbeitskammer 36 (Übergang vom Zustand gemäß 6 zum Zustand gemäß 7) ist es vorteilhaft, wenn die Steuerzeiten des Einlassventils 54 und des Auslassventils 50 derart gewählt sind, dass eine Verbindung der Überströmkammer 42 mit der Arbeitskammer 36 näherungsweise bei Druckgleichheit in den beiden Räumen beginnt bzw. vorhanden ist. Dazu wird das Auslassventil 50 vor dem OT des Arbeitskolbens 18 geschlossen, wobei das Einlassventil 54 noch geschlossen ist, so dass in der Arbeitskammer 36 eine gewisse Restgasmenge eingeschlossen wird, die dann bei der weiteren Aufwärtsbewegung des Arbeitskolbens 18 in Richtung auf dessen OT komprimiert wird, bis der Druck in der Arbeitskammer 36 dem Druck in der Überströmkammer 42 entspricht. Bei Erreichen der Druckgleichheit oder bei nahezu erreichter Druckgleichheit öffnet das Einlassventil 54, so dass die Frischladung in energetisch bzw. thermodynamisch vorteilhafter Weise von der sich verkleinernden Überströmkammer 42 in die sich vergrößernde Arbeitskammer 36 übergeschoben wird.
Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich, erfolgt in dem Verdichterzylinder 20 die Befüllung mit frischer, insbesondere im Volllastbereich vorzugsweise kalter Ladung und deren Verdichtung. Die verdichtete Ladung wird unter Volumenzunahme der Überströmkammer 42 in die Überströmkammer verdrängt, von wo aus die verdichtete Ladung unter Volumenabnahme der Überströmkammer und Volumenzunahme der Arbeitskammer in die Arbeitskammer übergeschoben wird, in der sie zur Leistung mechanischer Arbeit verbrannt wird. Das Überschieben der in der Verdichterkammer 34 verdichteten Luft in die Überströmkammer 42 und von Last in die Arbeitskammer 36 geschieht energetisch günstig.
Aus thermodynamischen Gründen ist für einen möglichst guten Wirkungsgrad die Verdichterkammer 34 möglichst kühl und ist die Arbeitskammer 36 heiß. Der Verdichterzylinder 20 ist somit vorteilhafterweise vom Arbeitszylinder 22 thermisch möglichst isoliert und wird möglichst stark gekühlt, wohingegen der Arbeitszylinder nur dem jeweiligen Zweck entsprechend soweit gekühlt wird, dass die Materialien thermisch nicht überbeansprucht werden. Dies wird durch entsprechenden Verlauf nicht dargestellter Kühlkanäle bzw. die Aufteilung des Kühlsystems in ein Kühlsystem zum Kühlen des Arbeitszylinders und ein Kühlsystem zum Kühlen des Verdich terzylinders erreicht, sowie dadurch, dass der Verdichterzylinder und/oder der Arbeitszylinder mit thermisch entkoppelnden Auskleidungen versehen werden.
Das Überströmventil 52 kann als Rückschlagventil ausgebildet sein, das lediglich vom Druck in der Verdichterkammer 34 gegen die Kraft der Feder geöffnet wird, wobei die Federkraft zweckentsprechend eingestellt wird. Alle Ventile sind vorteilhafterweise als Tellerventile ausgebildet.
Zur Steuerung der Phasenlagen des Öffnens und Schließens der jeweiligen Ventile relativ zur Stellung der Kolben können in dem jeweiligen Ventiltrieb Phasensteller vorgesehen sein. Es ist auch möglich, die Ventile nicht durch Drehung der Kurbelwelle zu betätigen, sondern eigene Ventilaktoren vorzusehen.
Die Volumina und deren Änderungen der Verdichterkammer 34 und der Überströmkammer 42 sind im Hinblick auf thermodynamische Gesichtspunkte derart bemessen, dass bei geringer Verdichtungs- und Überströmarbeit eine möglichst hohe Füllung der Arbeitskammer 36 erzielt wird. Im OT des Verdichterkolbens 16 hat die Verdichterkammer 34 nur ein minimales Volumen. Das Volumen der Überströmkammer 42 im OT des Überströmkolbens 40 ist fast Null.
Infolge des erzwungenen Ladungswechsels durch das Überschieben der verdichteten Frischladung in die Arbeitskammer ist nur eine geringe Kühlung des Arbeitszylinders erforderlich. Durch die Integration des Überströmventils 52 in den Überströmkolben 40 wird Bauraum gespart und dennoch ein Überströmventil mit großem Durchströmquerschnitt ermöglicht.
Der Überströmkolben 40 ist zur thermischen Isolierung vorteilhafterweise an seiner zur Stirnwand 32 weisenden Seite beispielsweise mittels einer gesonderten Isolationsschicht thermisch isoliert. Auch der Expansionszylinder ist vorteilhafterweise beispielsweise mittels eines eingesetzten Rohres thermisch isoliert. Besonders vorteilhaft ist eine thermisch isolierende Ausbildung der Oberseite des Arbeitskolbens 18 und des der Oberseite des Arbeitskolbens zugewandten Bereiches der Unterseite des Zylinderkopfes 30 einschließlich zumindest des entsprechenden Bereiches der Stirnwand 32.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand einer Einheit mit einem Verdichterzylinder und einem Arbeitszylinder erläutert. Es versteht sich, dass eine Brennkraftmaschine mehrere solche Twinzylindereinheiten enthalten kann, die in Reihe, V-Form oder sonstwie angeordnet sind. Je Ar beitszylinder oder Verdichterzylinder können mehrere Ventile vorgesehen sein.

10: Kurbelwelle
12: Pleuel
14: Pleuel
16: Verdichterkolben
18: Arbeitskolben
20: Verdichterzylinder
22: Arbeitszylinder
24: Zylinderrohr
28: Zylindergehäuse
30: Zylinderkopf
32: Stirnwand
33: Überströmzylinder
34: Verdichterkammer
36: Arbeitskammer
38: Einspritzdüse
40: Überströmkolben
42: Überströmkammer
44: Frischladungseinlasskanal
46: Frischladungseinlassventil
48: Auslasskanal
50: Auslassventil
52: Überströmventil
53: Feder
54: Einlassventil
56: Frischladungsnocken
58: Auslassnocken
60: Einlassnocken
62: Überströmnocken

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Arbeitszylinder mit einer von einem Arbeitskolben begrenzten Arbeitskammer mit einem Einlassventil und einem Auslassventil, wenigstens einem Verdichterzylinder mit einer von einem Verdichterkolben begrenzten Verdichterkammer mit einem Frischladungseinlassventil und einem Überströmventil, und einer Überströmkammer, die bei offenem Überströmventil mit der Frischluftkammer verbunden ist und bei offenem Einlassventil mit der Arbeitskammer verbunden ist, enthaltend folgende Schritte: – Einströmen von Frischladung in die Verdichterkammer unter Volumenzunahme der Verdichterkammer, – Verdichten von in der Verdichterkammer befindlicher Frischladung unter Volumenverminderung der Verdichterkammer, – Ausschieben der verdichteten Frischladung in die Überströmkammer, – Ausschieben der in der Überströmkammer befindlichen verdichteten Frischladung in die Arbeitskammer, – Verbrennen der in der Arbeitskammer befindlichen Frischladung unter Volumenvergrößerung der Arbeitskammer und Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeitsleistung und – Ausstoßen der verbrannten Ladung unter Volumenverkleinerung der Arbeitskammer, dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmkammer von einem zwischen OT und UT beweglichen Überströmkolben begrenzt wird und im OT des Überströmkolbens ein Volumen von annähernd Null hat, und dass die Bewegung des Überströmkolbens und die Betätigung der Ventile derart aufeinander abgestimmt sind, dass im Wesentlichen die gesamte, bei einem Verdichtungshub des Verdichterkolbens in die Überströmkammer ausgeschobene Frischladung in die Arbeitskammer ausgeschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausschieben der in der Überströmkammer befindlichen verdichteten Frischladung beginnt, wenn in der Überströmkammer und der Arbeitskammer annähernd Druckgleichheit herrscht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil vor dem OT des Arbeitskolbens schließt.
Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Arbeitszylinder (22) mit einer von einem Arbeitskolben (18) begrenzten Arbeitskammer (36) mit einem Einlassventil (54) und einem Auslassventil (50), wenigstens einem Verdichterzylinder (20) mit einer von einem Verdichterkolben (16) begrenzten Verdichterkammer (34) mit einem Frischladungseinlassventil (46) und einem Überströmventil (52), einer Überströmkammer (42), die bei offenem Überströmventil mit der Frischluftkammer verbunden ist und bei offenem Einlassventil mit der Arbeitskammer verbunden ist, einem mit dem Arbeitskolben und dem Verdichterkolben verbundenen Kurbeltrieb (10) und einer Steuereinrichtung (53, 56, 58, 60, 62) zur Steuerung des Betriebes der Ventile derart, dass – Frischladung in die Verdichterkammer unter Volumenzunahme der Verdichterkammer einströmt, – in der Verdichterkammer befindliche Frischladung unter Volumenverminderung der Verdichterkammer verdichtet wird, – verdichtete Frischladung in die Überströmkammer ausgeschoben wird, – in der Überströmkammer befindliche verdichtete Frischladung in die Arbeitskammer ausgeschoben wird, – in der Arbeitskammer befindliche Frischladung unter Volumenvergrößerung der Arbeitskammer und Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeitsleistung verbrennt und – verbrannte Ladung unter Volumenverkleinerung der Arbeitskammer ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmkammer (42) von einem zwischen OT und UT beweglichen Überströmkolben (40) begrenzt wird, wobei das Volumen der Überströmkammer im OT des Überströmkolbens annähernd Null beträgt, und die Bewegung des Überströmkolbens von der Steuereinrichtung derart auf die Bewegung des Verdichterkolbens (16) und des Arbeitskolbens (18) sowie die Betätigung der Ventile (46, 50, 54) abgestimmt ist, dass im Wesentlichen die gesamte, bei einem Verdichtungshub des Verdichterkolbens in die Überströmkammer ausgeschobene Frischladung in die Arbeitskammer ausgeschoben wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichterkolben (16) und der Arbeitskolben (18) mit einer gemeinsamen Kurbelwelle (10) verbunden sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmkolben (40) von einem vom Kurbeltrieb (10) angetriebenen Nockentrieb betätigt wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Frischladungseinlassventil (46), das Einlassventil (54) und das Auslassventil (50) von einem von der Kurbelwelle (10) angetriebenen Nockentrieb betätigt werden.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichterzylinder (20) und der Arbeitszylinder (22) nebeneinander angeordnet sind und der Überströmkolben (40) in einem Zylinder (33) arbeitet, der in Bewegungsrichtung der Kolben (16, 18) gesehen den Verdichterzylinder und den Arbeitszylinder überlappt und an eine dem Verdichterzylinder und dem Arbeitszylinder gemeinsame Stirnwand (32) angrenzt, in der das Überströmventil (52) und das Einlassventil (54) angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Schaft des Einlassventils (54) unter Abdichtung durch den Überströmkolben (40) erstreckt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Überströmventil (52) als ein Tellerventil ausgebildet ist, das bei Bewegung in Richtung weg von der Verdichterkammer (34) öffnet und dessen Schaft unter Abdichtung in dem Überströmkolben (40) gegen die Kraft einer den Ventilteller in Richtung auf die Stirnwand (32) drängenden Feder geführt ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitszylinder (22) und der Verdichterzylinder (20) thermisch voneinander isoliert sind und das Temperaturniveau des Arbeitszylinders höher ist als das des Verdichterzylinders.