DE102008049088A1

DE102008049088A1 - Internal-combustion engine e.g. vee inline six-cylinder engine, has two groups of cylinders e.g. combustion and expansion cylinders, and pistons movable in cylinders, where stroke of piston is changeable in cylinders of one of groups

Info

Publication number: DE102008049088A1
Application number: DE102008049088A
Authority: DE
Inventors: Matthias Brendel
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2028-09-27
Also published as: DE102008049088B4

Abstract

The engine (1) has two groups of cylinders (2, 4) e.g. combustion cylinders (2a, 2b) and expansion cylinder (4a), and pistons movable in the cylinders. Combustion of fuel and partial expansion of pressurized combustion gases take place in one of the groups of cylinders in a four-stroke process. Additional expansion of the gases takes place in the other group of cylinders in a two-stroke process, where a stroke of one of the pistons is changeable in the cylinders of the latter group. The number of cylinders of the latter group is larger than the number of cylinders of the former group. An independent claim is also included for a method for operating an internal-combustion engine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mit einer ersten Gruppe von Zylindern, im folgenden zumeist Verbrennungszylinder genannt, und einer zweiten Gruppe von Zylindern, im folgenden zumeist Expansionszylinder genannt, von denen die ersteren im Viertakt-Verfahren und die letzteren im Zweitakt-Verfahren betrieben werden. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine.The The invention relates to an internal combustion engine according to the The preamble of claim 1, comprising a first group of cylinders, in the following mostly called combustion cylinder, and a second Group of cylinders, hereinafter referred to as expansion cylinders, of which the former in the four-stroke process and the latter in the Two-stroke procedure can be operated. The invention further relates to Method for operating such an internal combustion engine.

Heute übliche Brennkraftmaschinen arbeiten überwiegend im Viertakt-Verfahren, wobei in einem ersten Ansaugtakt ein Kraftstoff-Luft-Gemisch bzw. bei der Direkteinspritzung Luft in einen Verbrennungszylinder angesaugt wird, während sich der Kolben im Zylinder in Richtung seines unteren Totpunkts bewegt, wobei in einem zweiten Verdichtungstakt das Kraftstoff-Luft-Gemisch bzw. die Luft im Zylinder verdichtet und bei der Direkteinspritzung Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen, während sich der Kolben im Zylinder in Richtung seines oberen Totpunkts bewegt, wobei in einem dritten Arbeits- oder Expansionstakt nach der Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs das bei dessen Verbrennung gebildete, unter Druck stehende Verbrennungsgas den Kolben im Zylinder in Richtung seines unteren Totpunkts drückt und mechanische Arbeit leistet, und wobei in einem vierten Ausstoßtakt das Verbrennungsgas aus dem Zylinder ausgestoßen wird. Die vier Takte erfolgen im Verlauf von zwei Umdrehungen der Kurbelwelle und besitzen im Wesentlichen dieselbe Länge.Today usual Internal combustion engines operate predominantly in the four-stroke process, wherein in a first intake stroke, a fuel-air mixture or at the direct injection sucked air into a combustion cylinder while the piston is moving in the direction of its cylinder bottom dead center, wherein in a second compression stroke the Fuel-air mixture or compressed air in the cylinder and In direct injection, fuel is injected into the cylinder is used to generate a fuel-air mixture while the piston in the cylinder moves towards its top dead center moved, wherein in a third working or expansion stroke after the ignition of the fuel-air mixture at the Combustion formed, pressurized combustion gas the piston pushes in the cylinder towards its bottom dead center and does mechanical work, and wherein in a fourth exhaust stroke the combustion gas is expelled from the cylinder. The four strokes occur over two revolutions of the crankshaft and have substantially the same length.

Ein Nachteil der bekannten, im Viertakt-Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschinen besteht darin, dass das im Ausstoßtakt aus dem Verbrennungszylinder ausgestoßene Verbrennungsgas noch einen relativ hohen Druck und eine relativ hohe Temperatur besitzt, so dass ein erheblicher Anteil der Energie mit dem Abgas ungenutzt durch den Abgastrakt entweicht bzw. einem Abgasturbolader zugeführt wird.One Disadvantage of the known, working in four-stroke process internal combustion engines is that in the exhaust stroke from the combustion cylinder ejected combustion gas still a relatively high pressure and has a relatively high temperature, so that a considerable Share of energy with the exhaust unused by the exhaust tract escapes or is supplied to an exhaust gas turbocharger.

Um dieses Problem zu lösen, wurde bereits vorgeschlagen, Brennkraftmaschinen neben den im Viertakt-Verfahren arbeitenden Verbrennungszylindern mit zusätzlichen Expansionszylindern auszustatten, in denen dem beim Ausstoßtakt aus den Zylindern ausgestoßenen Verbrennungsgas durch weitere Expansion auf ein niedrigeres Druckniveau weitere Energie entzogen und in mechanische Kolbenarbeit umgewandelt wird. Durch diese ”Expansionsverlängerung” kann bei gleichem Kraftstoffverbrauch die von der Brenn kraftmaschine geleistete Arbeit und dadurch auch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine gesteigert werden.Around To solve this problem has already been proposed, internal combustion engines in addition to the four-stroke combustion cylinders equipped with additional expansion cylinders in which the ejected from the cylinders at the exhaust stroke Combustion gas by further expansion to a lower pressure level extracted further energy and converted into mechanical piston work becomes. Through this "expansion extension" can at the same fuel consumption of the internal combustion engine performed work and thereby also the efficiency of the internal combustion engine be increased.

Aus der WO 99/06682 A2 ist bereits eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art bekannt, bei der jedem Verbrennungszylinder ein Expansionszylinder zugeordnet ist, der über ein Auslassventil mit dem Verbrennungszylinder verbindbar ist, um das aus dem Verbrennungszylinder ausgestoßene teilweise expandierte und noch unter Druck stehende Verbrennungsgas für eine Nachexpansion in den Expansionszylinder zuzuführen. Die bekannte Brennkraftmaschine weist zwei parallele Kurbelwellen auf, von denen die eine durch Pleuel mit den Kolben in den Verbrennungszylindern und die andere durch Pleuel mit den Kolben in den Expansionszylindern verbunden ist. Die Expansionszylinder werden im Zweitakt-Verfahren betrieben, wobei in einem ersten Arbeits- oder Expansionstakt das unter Druck stehende Verbrennungsgas aus dem zugehörigen Verbrennungszylinder den Kolben im Expansionszylinder in Richtung seines unteren Totpunkts drückt und mechanische Arbeit leistet, und wobei in einem zweiten Ausstoßtakt das Verbrennungsgas aus dem Expansionszylinder in einen Abgastrakt ausgestoßen wird. Um die von den Kolben in den Expansionszylindern geleistete Arbeit auf die von den Kolben der Verbrennungszylinder angetriebene Kurbelwelle zu übertragen und zugleich die Bewegung der Kolben in den Verbrennungszylindern und in den Expansionszylindern zu synchronisieren, sind die beiden Kurbelwellen durch ein Zahnradgetriebe mit einem Übersetzungsverhältnis von 2:1 fest miteinander gekoppelt.From the WO 99/06682 A2 An internal combustion engine of the aforementioned type is already known in which each combustion cylinder is associated with an expansion cylinder which is connectable via an exhaust valve with the combustion cylinder to supply the expelled from the combustion cylinder partially expanded and still pressurized combustion gas for a Nachexpansion in the expansion cylinder , The known internal combustion engine has two parallel crankshafts, one of which is connected by connecting rods with the pistons in the combustion cylinders and the other by connecting rods with the pistons in the expansion cylinders. The expansion cylinders are operated in the two-stroke process, wherein in a first working or expansion cycle, the pressurized combustion gas from the associated combustion cylinder presses the piston in the expansion cylinder in the direction of its bottom dead center and performs mechanical work, and wherein in a second exhaust stroke, the combustion gas the expansion cylinder is ejected into an exhaust tract. In order to transfer the work done by the pistons in the expansion cylinders to the crankshaft driven by the pistons of the combustion cylinders and at the same time to synchronize the movement of the pistons in the combustion cylinders and in the expansion cylinders, the two crankshafts are driven by a gear transmission with a gear ratio of 2: 1 firmly coupled together.

Während in den meisten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine die durch die Expansionsverlängerung geleistete zusätzliche Nutzarbeit größer ist als der Energieverlust infolge der Reibung der Kolben in den Expansionszylindern, kann es insbesondere bei geringen bis sehr geringen Lasten vorkommen, dass der Energieverlust infolge der Reibung der Kolben in den Expansionszylindern die zusätzliche Nutzarbeit übersteigt. Im Falle einer festen Kopplung zwischen den Kurbelwellen der Verbrennungszylinder und der Expansionszylinder hat dies zur Folge, dass der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine unter den Wirkungsgrad herkömmlicher Brennkraftmaschinen sinkt.While in most operating states of the internal combustion engine the extra performed by the expansion extension Useful work is greater than the energy lost as a result the friction of the pistons in the expansion cylinders, it can in particular At low to very low loads occur that the energy loss as a result of friction of pistons in expansion cylinders additional Useful work exceeds. In case of a fixed coupling between the crankshafts of the combustion cylinders and the expansion cylinders This has the consequence that the efficiency of the internal combustion engine under the efficiency of conventional internal combustion engines sinks.

Aus der DE 10 2006 003 737 B3 und aus der US 6 453 869 B1 sind bereits Vorrichtungen an sich bekannt, mit denen sich der Hub eines Kolbens in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine verändern lässt, zum Beispiel um den Kolbenhub während des Arbeits- oder Expansionstakts zu vergrößern bzw. während des Ansaug- und Ausstoßtaktes zu verkleinern.From the DE 10 2006 003 737 B3 and from the US Pat. No. 6,453,869 B1 already devices are known per se, with which the stroke of a piston in a cylinder of an internal combustion engine can be changed, for example, to increase the piston stroke during the working or expansion stroke or to reduce during the intake and exhaust stroke.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass bei geringen und sehr geringen Lasten ein Absinken des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine unter den Wirkungsgrad einer herkömmlichen Brennkraftmaschine in einem vergleichbaren Betriebszustand vermieden werden kann.Proceeding from this, the present invention seeks to improve an internal combustion engine and a method of the type mentioned in that at low and very low loads a decrease in the efficiency of the Brenn can be avoided under the efficiency of a conventional internal combustion engine in a comparable operating condition.

Diese Aufgabe wird bei der Brennkraftmaschine erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Hub der Kolben in den Expansionszylindern variabel oder veränderbar ist, wobei die im Hinblick auf das Verfahren erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, dass die Veränderung des Kolbenhubs in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine erfolgt.These Task is in the internal combustion engine according to the invention solved that the stroke of the pistons in the expansion cylinders is variable or changeable, with regard to the method according to the invention is proposed that the change of the piston stroke in dependence from the respective operating state of the internal combustion engine.

Durch die erfindungsgemäße Merkmalskombination lässt sich der Hub der Kolben in den Expansionszylindern an die Menge des im jeweiligen Betriebszustand anfallenden Verbrennungsgases anpassen, indem in den Expansionszylindern bei Volllast der maximale Kolbenhub eingestellt wird, während bei geringen Lasten ein kleinerer Kolbenhub und bei sehr geringen Lasten ggf. sogar ein Nullhub eingestellt wird. Durch den kleineren Kolbenhub kann nicht nur die Reibung in den Expansionszylindern verringert werden, sondern auch die Ladungswechselverluste, was auch in thermodynamischer Hinsicht von Vorteil ist.By the feature combination of the invention leaves The stroke of the pistons in the expansion cylinders to the crowd of the resulting in each operating condition combustion gas adjust by the maximum in the expansion cylinders at full load Piston stroke is adjusted while at low loads a smaller piston stroke and possibly very low loads a zero stroke is set. Due to the smaller piston stroke can not only the friction in the expansion cylinders are reduced, but also the charge exchange losses, which also in thermodynamic terms of Advantage is.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kolben in den Verbrennungszylindern und in den Expansionszylindern mit einer gemeinsamen Kurbelwelle verbunden sind, wobei diese Verbindung im Falle der Kolben in den Verbrennungszylindern durch gewöhnliche Pleuel erfolgt, während die Verbindung im Falle der Kolben in den Expansionszylindern eine geeignete Vorrichtung umfasst, mit der sich der Kolbenhub in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine verändern lässt.A preferred embodiment of the invention provides that the piston in the combustion cylinders and in the expansion cylinders with a common crankshaft are connected, this connection in the case of pistons in the combustion cylinders by ordinary Connecting rod is done while the connection in the case of the piston in the expansion cylinders comprises a suitable device with the piston stroke depends on the operating condition the internal combustion engine can change.

Eine geeignete Vorrichtung kann beispielsweise eine in Bezug zur Zylinderachse der Expansionszylinder versetzt angeordnete Kurbelwelle und für jeden Expansionszylinder einen mit dem Kolben im Expansionszylinder mittelbar gekoppelten, die Zylinderachse schneidenden Übertragungshebel umfassen, der einerseits an einer gelenkig mit der Kurbelwelle verbundenen Pleuelstange und andererseits an einem im Zylinderkurbelgehäuse der Brennkraftmaschine linear beweglichen Lagerbock angelenkt ist, wie in der DE 10 2006 003 737 B3 offenbart.A suitable device may comprise, for example, a crankshaft staggered with respect to the cylinder axis of the expansion cylinder and a transmission lever interlinking with the cylinder in the expansion cylinder for each expansion cylinder, the transmission shaft intersecting on one side with a connecting rod articulated to the crankshaft and the other with a cylinder crankcase the internal combustion engine is articulated linearly movable bearing block, as in the DE 10 2006 003 737 B3 disclosed.

Bei einer anderen geeigneten Vorrichtung können hingegen sowohl die Kolben in den Verbrennungszylindern und die Kolben in den Expansionszylindern mit der gemeinsamen Kurbelwelle durch Pleuel verbunden werden, wobei jedoch zwischen den mit den Kolben der Expansionszylinder verbundenen Pleueln und den zugehörigen Hubzapfen der Kurbelwelle Exzenterbuchsen angeordnet sind, die sich in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine gemeinsam durch einen Stellmechanismus verdrehen lassen, um den Hub der Kolben gleichzeitig in sämtlichen Expansionszylindern zu verändern, ähnlich wie in der US 6 453 869 B1 offenbart, wobei jedoch die Hubzapfen für die Pleuel der Kolben in den Verbrennungszylindern nicht mit Exzenterbuchsen ausgestattet sind.In another suitable device, however, both the pistons in the combustion cylinders and the pistons in the expansion cylinders with the common crankshaft can be connected by connecting rods, but between the connected to the pistons of the expansion cylinders connecting rods and the associated crank pin of the crankshaft eccentric bushings are arranged, the can be rotated together by an adjusting mechanism in response to the operating condition of the internal combustion engine to simultaneously change the stroke of the piston in all expansion cylinders, similar to in the US Pat. No. 6,453,869 B1 disclosed, but wherein the crank pins for the connecting rods of the pistons in the combustion cylinders are not equipped with eccentric bushes.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Anzahl der Expansionszylinder halb so groß wie die Anzahl der Verbrennungszylinder ist, und dass jeder Expansionszylinder abwechselnd aus zwei benachbarten Verbrennungszylindern mit Verbrennungsgas gespeist wird. Dadurch kann der für die Expansionszylinder und den Kurbeltrieb erforderliche konstruktive Aufwand erheblich verringert werden. In diesem Fall kann abwechselnd aus zwei im Gegentakt arbeitenden Verbrennungszylindern heißes, unter Druck stehendes Verbrennungsgas in jeden der Expansionszylinder zugeführt werden. Die Expansionszylinder werden wie bei der Brennkraftmaschine aus der WO 99/06682 A2 im Zweitakt-Verfahren betrieben, wobei in einem ersten Arbeits- oder Expansionstakt das unter Druck stehende Verbrennungsgas aus einem der beiden zugehörigen Verbrennungszylinder den Kolben im Expansionszylinder in Richtung seines unteren Totpunkts drückt und mechanische Arbeit leistet, und wobei in einem zweiten Ausstoßtakt das Verbrennungsgas aus dem Expansionszylinder ausgestoßen wird. Die zwei Takte erfolgen im Verlauf von einer Umdrehung der Kurbelwelle und besitzen im Wesentlichen dieselbe Länge. Bei der nächsten Umdrehung der Kurbelwelle wird aus dem anderen der beiden zugehörigen Verbrennungszylinder unter Druck stehendes Verbrennungsgas in den Expansionszylinder zugeführt.A further preferred embodiment of the invention provides that the number of expansion cylinders is half the number of combustion cylinders, and that each expansion cylinder is fed alternately from two adjacent combustion cylinders with combustion gas. As a result, the design effort required for the expansion cylinder and the crank mechanism can be considerably reduced. In this case, hot, pressurized combustion gas may alternately be supplied to each of the expansion cylinders from two reciprocating combustion cylinders. The expansion cylinders are as in the internal combustion engine from the WO 99/06682 A2 operated in the two-stroke process, wherein in a first working or expansion cycle, the pressurized combustion gas from one of the two associated combustion cylinder pushes the piston in the expansion cylinder in the direction of its bottom dead center and performs mechanical work, and wherein in a second exhaust stroke, the combustion gas from the Expansion cylinder is ejected. The two strokes occur in the course of one revolution of the crankshaft and have substantially the same length. During the next revolution of the crankshaft, pressurized combustion gas is supplied from the other of the two associated combustion cylinders into the expansion cylinder.

Hinsichtlich der Anordnung der Verbrennungszylinder und der Expansionszylinder der Brennkraftmaschine gibt es mehrere vorteilhafte Varianten:
Eine erste Variante und bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine R3- oder V6-Anordnung vor, wobei in der oder jeder Zylinderbank zwischen zwei im Viertakt-Verfahren betriebenen Verbrennungszylindern ein im Zweitakt-Verfahren betriebener Expansionszylinder angeordnet ist, dem abwechselnd Verbrennungsgas aus den beiden Verbrennungszylindern zugeführt wird.With regard to the arrangement of the combustion cylinder and the expansion cylinder of the internal combustion engine, there are several advantageous variants:
A first variant and preferred embodiment of the invention provides an R3 or V6 arrangement, wherein in the or each cylinder bank between two operated in four-stroke combustion cylinders method is operated in a two-stroke cycle expansion cylinder, the alternately supplied combustion gas from the two combustion cylinders becomes.

Eine zweite Variante und andere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Doppel-R-Anordnung vor, bei der eine herkömmliche Vierzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine mit zwei zusätzlichen Expansionszylindern ausgestattet wird, die in einer zu der Reihe von Verbrennungszylindern parallelen Reihe angeordnet sind, wobei die Expansionszylinder jeweils in Bezug zu den beiden Verbrennungszylindern, aus denen sie mit Verbrennungsgas gespeist werden, versetzt sind.A second variant and other preferred embodiment of the invention provides a double-R arrangement in which a conventional four-cylinder in-line engine is equipped with two additional expansion cylinders arranged in a row parallel to the row of combustion cylinders, the expansion cylinders each in relation to the two combustion cylinders, from which they communicate with combustion gas fed are offset.

Eine dritte Variante und noch andere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine VR6-Anordnung vor, die gleichfalls vier Verbrennungszylinder und zwei Expansionszylinder umfasst, wobei jedoch jede Zylinderbank insgesamt drei Zylinder aufweist, die in der einen Zylinderbank sämtlich von Verbrennungszylindern gebildet werden, während sie in der anderen Zylinderbank von zwei Expansionszylindern und einem dazwischen angeordneten Verbrennungszylinder gebildet werden. Die Expansionszylinder werden dort jeweils aus den benachbarten Verbrennungszylindern mit Verbrennungsgas gespeist.A third variant and still another preferred embodiment of the invention provides a VR6 assembly, which also has four combustion cylinders and two expansion cylinders, but with each cylinder bank a total of three cylinders, in the one cylinder bank are all formed by combustion cylinders while she in the other cylinder bank of two expansion cylinders and an interposed combustion cylinder are formed. The expansion cylinders are there each from the neighboring Combustion cylinders fed with combustion gas.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:in the Following is the invention with reference to some shown in the drawing Embodiments explained in more detail. Show it:

1: eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit zwei Verbrennungszylindern und einem Expansionszylinder; 1 a schematic representation of an internal combustion engine with two combustion cylinders and an expansion cylinder;

2: eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit vier Verbrennungszylindern und zwei Expansionszylindern; 2 a schematic representation of an internal combustion engine with four combustion cylinders and two expansion cylinders;

3: eine schematische Darstellung einer anderen Brennkraftmaschine mit vier Verbrennungszylindern und zwei Expansionszylindern. 3 : A schematic representation of another internal combustion engine with four combustion cylinders and two expansion cylinders.

Die in der Zeichnung dargestellten Brennkraftmaschinen 1 umfassen jeweils eine erste Gruppe 2 von sogenannten Verbrennungszylindern 2a, 2b; 2a, 2b, 2c, 2d, die nach dem Viertakt-Prinzip arbeiten und jeweils in bekannter Weise einen im Zylinder auf und ab beweglichen Kolben umfassen, der durch einen Pleuel mit einer Kurbelwelle 3 der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist. Die Brennkraftmaschinen 1 umfassen weiter eine zweite Gruppe 4 von sogenannten Expansionszylindern 4a; 4a, 4b, deren Anzahl halb so groß wie die Anzahl der Zylinder 2a, 2b; 2a, 2b, 2c, 2d der ersten Gruppe 2 ist. Die Expansionszylinder 4a; 4a, 4b arbeiten nach dem Zweitakt-Prinzip und umfassen ebenfalls einen in jedem Zylinder 4a; 4a, 4b auf und ab beweglichen Kolben, der mit der Kurbelwelle 3 der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist. Die Expansionszylinder 4a; 4a, 4b weisen stets einen größeren Durchmesser als die Verbrennungszylinder 2a, 2b; 2a, 2b, 2c, 2d auf.The internal combustion engines shown in the drawing 1 each include a first group 2 of so-called combustion cylinders 2a . 2 B ; 2a . 2 B . 2c . 2d , Which operate on the four-stroke principle and each include in a known manner a piston movable up and down in the cylinder, by a connecting rod with a crankshaft 3 the internal combustion engine 1 connected is. The internal combustion engines 1 further comprise a second group 4 of so-called expansion cylinders 4a ; 4a . 4b whose number is half the number of cylinders 2a . 2 B ; 2a . 2 B . 2c . 2d the first group 2 is. The expansion cylinders 4a ; 4a . 4b work on the two-stroke principle and also include one in each cylinder 4a ; 4a . 4b up and down moving piston, with the crankshaft 3 the internal combustion engine 1 connected is. The expansion cylinders 4a ; 4a . 4b always have a larger diameter than the combustion cylinder 2a . 2 B ; 2a . 2 B . 2c . 2d on.

Die in 1 dargestellte, als R3-Motor ausgebildete Brennkraftmaschine 1 umfasst einen einzigen Expansionszylinder 4a, der in einer Zylinderbank in Reihe zwischen zwei Verbrennungszylindern 2a, 2b angeordnet ist und abwechselnd aus den beiden Verbrennungszylindern 2a, 2b mit Verbrennungsgas gespeist wird. Eine entsprechende Anordnung ist auch bei einer als V6-Motor ausgebildeten Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) möglich. In beiden Fällen verläuft die gemeinsame Kurbelwelle 3 durch die Mittelachsen der Zylinder 2a, 2b, 4a.In the 1 illustrated, designed as R3 engine internal combustion engine 1 includes a single expansion cylinder 4a in a cylinder bank in series between two combustion cylinders 2a . 2 B is arranged and alternately from the two combustion cylinders 2a . 2 B is fed with combustion gas. A corresponding arrangement is also possible with an internal combustion engine (not shown) designed as a V6 engine. In both cases, the common crankshaft runs 3 through the center axes of the cylinders 2a . 2 B . 4a ,

Bei der in 2 dargestellten, als Doppel-R-Motor ausgebildeten Brennkraftmaschine 1 sind hingegen vier Verbrennungszylinder 2a, 2b, 2c, 2d und zwei Expansionszylinder 4a, 4b in zwei parallelen Reihen angeordnet, wobei die Expansionszylinder 4a, 4b jeweils versetzt zwischen zwei benachbarten Verbrennungszylindern 2a, 2b; 2c, 2d angeordnet sind, aus denen sie jeweils mit Verbrennungsgas gespeist werden. Die gemeinsame Kurbelwelle 3 ist hier gegenüber den Mittelachsen der Reihe von Verbrennungszylindern 2a, 2b, 2c, 2d und der Reihe von Expansionszylindern 4a, 4b versetzt, wobei der Versatz gegenüber der Reihe von Expansionszylindern 4a, 4b größer als gegenüber der Reihe von Verbrennungszylindern 2a, 2b, 2c, 2d ist.At the in 2 illustrated, designed as a double-R engine internal combustion engine 1 however, are four combustion cylinders 2a . 2 B . 2c . 2d and two expansion cylinders 4a . 4b arranged in two parallel rows, the expansion cylinders 4a . 4b each offset between two adjacent combustion cylinders 2a . 2 B ; 2c . 2d are arranged, from which they are each fed with combustion gas. The common crankshaft 3 is here opposite the center axes of the series of combustion cylinders 2a . 2 B . 2c . 2d and the series of expansion cylinders 4a . 4b offset, with the offset relative to the row of expansion cylinders 4a . 4b larger than the row of combustion cylinders 2a . 2 B . 2c . 2d is.

Bei der in 3 dargestellten, als VR-Motor ausgebildeten Brennkraftmaschine 1 sind vier Verbrennungszylinder 2a, 2b, 2c, 2d und zwei Expansionszylinder 4a, 4b in zwei Zylinderbänken angeordnet, die jeweils drei Zylinder umfassen. In einer der beiden Zylinderbänke befinden sich drei Verbrennungszylinder 2a, 2b, 2c, während die andere Zylinderbank zwei Expansionszylinder 4a, 4b und einen dazwischen angeordneten Verbrennungszylinder 2d umfasst. Die gemeinsame Kurbelwelle 3 verläuft hier durch die Mittelachsen der Verbrennungszylinder 2a, 2b, 2c und der Expansions- bzw. Verbrennungszylinder 4a, 2d, 4b.At the in 3 illustrated, designed as a VR engine internal combustion engine 1 are four combustion cylinders 2a . 2 B . 2c . 2d and two expansion cylinders 4a . 4b arranged in two cylinder banks, each comprising three cylinders. In one of the two cylinder banks are three combustion cylinders 2a . 2 B . 2c while the other cylinder bank has two expansion cylinders 4a . 4b and a combustion cylinder disposed therebetween 2d includes. The common crankshaft 3 here passes through the center axes of the combustion cylinder 2a . 2 B . 2c and the expansion or combustion cylinder 4a . 2d . 4b ,

Bei sämtlichen Anordnungen werden die Expansionszylinder 4a; 4a, 4b jeweils aus zwei benachbarten Verbrennungszylindern 2a, 2b; 2c, 2d mit Verbrennungsgas gespeist, wie nachfolgend beschrieben wird.In all arrangements, the expansion cylinders 4a ; 4a . 4b each of two adjacent combustion cylinders 2a . 2 B ; 2c . 2d fed with combustion gas, as described below.

In jedem der Verbrennungszylinder 2a, 2b, 2c, 2d wird in einem Ansaugtakt ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinder 2 angesaugt, während sich der Kolben (nicht dargestellt) im Zylinder 2 in Richtung seines unteren Totpunkts bewegt. Anschließend wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder 2 in einem Verdichtungstakt verdichtet, während sich der Kolben im Zylinder in Richtung seines oberen Totpunkts bewegt. Nach der Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Zylinder 2 drückt das bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs gebildete, unter Druck stehende Verbrennungsgas in einem Arbeits- oder Expansionstakt den Kolben im Zylinder 2 in Richtung seines unteren Totpunkts, wobei mechanische Arbeit an der Kurbelwelle 3 geleistet wird. In einem Ausstoßtakt wird zuletzt das Verbrennungsgas aus dem Zylinder 2 ausgestoßen, während sich der Kolben im Zylinder 2 in Richtung seines oberen Totpunkts bewegt.In each of the combustion cylinders 2a . 2 B . 2c . 2d In a suction stroke, a fuel-air mixture is introduced into the cylinder 2 sucked while the piston (not shown) in the cylinder 2 moved towards its bottom dead center. Subsequently, the fuel-air mixture in the cylinder 2 compressed in a compression stroke, while the piston moves in the cylinder in the direction of its top dead center. After ignition of the fuel-air mixture in the cylinder 2 Pressurized combustion gas formed during combustion of the fuel-air mixture presses the piston in the cylinder in a working or expansion stroke 2 towards its bottom dead center, with mechanical work on the crankshaft 3 is done. In an exhaust stroke, the combustion gas is finally out of the cylinder 2 expelled while the piston in the cylinder 2 moved towards its top dead center.

Im Unterschied zu herkömmlichen Brennkraftmaschinen, bei denen das Verbrennungsgas beim Ausstoßtakt durch ein geöffnetes Auslassventil des Zylinders 2 in den Abgastrakt ausgestoßen wird, wird das noch immer unter einem Druck von mehreren bar stehende Verbrennungsgas bei den in der Zeichnung dargestellten Brennkraftmaschinen 1 in einen der Expansionszylinder 4a; 4a, 4b geschoben, wo das Verbrennungsgas in einem Nachexpansionstakt den Kolben des Expansionszylinders 4 in Richtung seines unteren Totpunkts drückt. Dem Verbrennungsgas wird dabei durch die Expansion auf ein niedrigeres Druckniveau weitere Energie entzogen, die im Expansionszylinder 4 in mechanische Kolbenarbeit umgewandelt wird. Auf den Expansionstakt folgt im Expansionszylinder 4 ein Ausstoßtakt, bei dem das expandierte Verbrennungsgas aus dem Zylinder 4 in einen Abgastrakt (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 1 ausgestoßen wird, während sich der Kolben in Richtung seines oberen Totpunkts bewegt.In contrast to conventional internal combustion engines, in which the combustion gas at the exhaust stroke through an open exhaust valve of the cylinder 2 is ejected into the exhaust system, which is still under a pressure of several bar standing combustion gas in the internal combustion engine shown in the drawing 1 into one of the expansion cylinders 4a ; 4a . 4b pushed, where the combustion gas in a Nachexpansionstakt the piston of the expansion cylinder 4 towards its bottom dead center. The combustion gas is thereby removed by the expansion to a lower pressure level, further energy in the expansion cylinder 4 is converted into mechanical piston work. The expansion stroke follows in the expansion cylinder 4 an exhaust stroke, in which the expanded combustion gas from the cylinder 4 in an exhaust tract (not shown) of the internal combustion engine 1 is ejected while the piston is moving toward its top dead center.

Die Verbrennungszylinder 2a, 2b; 2c, 2d der Brennkraftmaschine 1 sind jeweils über ihre Auslassventile paarweise mit einem der Expansionszylinder 4a; 4b verbindbar, so dass jedem Expansionszylinder 4a, 4b in zwei aufeinanderfolgenden Zyklen abwechselnd das unter Druck stehende Verbrennungsgas aus einem der zwei benachbarten Verbrennungszylinder 2a, 2b; 2c, 2d zugeführt werden kann, während sich der Kolben im Expansionszylinder 4a, 4b in Richtung seines unteren Totpunkts bewegt.The combustion cylinder 2a . 2 B ; 2c . 2d the internal combustion engine 1 are in each case via their exhaust valves in pairs with one of the expansion cylinders 4a ; 4b connectable, allowing each expansion cylinder 4a . 4b in two consecutive cycles, the pressurized combustion gas alternately from one of the two adjacent combustion cylinders 2a . 2 B ; 2c . 2d can be fed while the piston in the expansion cylinder 4a . 4b moved towards its bottom dead center.

Da die Kolben in den Verbrennungszylindern 2a, 2b, 2c, 2d und die Kolben in den Expansionszylindern 4a, 4b mit der gemeinsamen Kurbelwelle 3 verbunden sind, werden die Kolben in den Verbrennungszylindern 2a, 2b, 2c, 2d und die Kolben in den Expansionszylindern 4a, 4b synchronisiert, so dass während einer Umdrehung der Kurbelwelle 3 jeweils zwei Takte in einem Paar Verbrennungszylinder 2a, 2b; 2c, 2d mit zwei Takten in dem zugehörigen Expansionszylinder 4a; 4b zusammenfallen. Die Takte in dem Paar Verbrennungszylinder 2a und 2b bzw. 2c und 2d sind dabei gegeneinander versetzt, so dass in einem der Verbrennungszylinder 2a bzw. 2c der Expansionstakt vorgenommen wird, während in dem anderen 2b bzw. 2d der Ansaugtakt vorgenommen wird.Because the pistons in the combustion cylinders 2a . 2 B . 2c . 2d and the pistons in the expansion cylinders 4a . 4b with the common crankshaft 3 are connected, the pistons in the combustion cylinders 2a . 2 B . 2c . 2d and the pistons in the expansion cylinders 4a . 4b synchronized so that during one revolution of the crankshaft 3 two bars each in a pair of combustion cylinders 2a . 2 B ; 2c . 2d with two bars in the associated expansion cylinder 4a ; 4b coincide. The bars in the pair of combustion cylinders 2a and 2 B respectively. 2c and 2d are offset from each other, so that in one of the combustion cylinder 2a respectively. 2c the expansion stroke is made while in the other 2 B respectively. 2d the intake stroke is made.

Der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 steigt durch die Expansionsverlängerung nahezu in sämtlichen Betriebszuständen an, jedoch kann es bei einer sehr geringen Last in Verbindung mit einer sehr großen Expansionsverlängerung zu einer Verringerung des Wirkungsgrades kommen, da das unter geringem Druck stehende Verbrennungsgas durch die lange Expansion auf ein Druckniveau unterhalb des Atmosphärendrucks expandiert wird.The efficiency of the internal combustion engine 1 increases by the expansion extension in almost all operating conditions, however, at a very low load in conjunction with a very large expansion extension to a reduction in efficiency, since the low-pressure combustion gas expands due to the long expansion to a pressure level below atmospheric pressure becomes.

Um dies zu vermeiden, ist der Hub der Kolben in den Expansionszylindern 4a, 4b in Abhängigkeit vom Betrieszustand der Brennkraftmaschine 1 verstellbar, so dass bei sehr geringen Lasten an Stelle einer Expansionsverlängerung von beispielsweise 100% eine Expansionsverlängerung von beispielsweise etwa 30% eingestellt werden kann, bei der sich noch eine Wirkungsgradsteigerung ergibt.To avoid this, the stroke of the pistons in the expansion cylinders 4a . 4b depending on the operating state of the internal combustion engine 1 adjustable, so that at very low loads instead of an expansion extension of, for example, 100%, an expansion extension of, for example, about 30% can be adjusted, at which there is still an increase in efficiency.

Zur Verstellung des Hubs der Kolben in den Expansionszylindern 4a, 4b kann zum Beispiel zwischen jedem Kolben und der Kurbelwelle 3 ein Hebelmechanismus von der aus der DE 10 2006 003 737 B3 bekannten Art verwendet werden, der daher hier nicht näher beschrieben werden soll. Alternativ kann zwischen die Pleuel der Kolben der Expansionszylinder 4a, 4b und die zugehörigen Hubzapfen der Kurbelwelle eine bei Bedarf verdrehbare Exzenterhülse eingesetzt werden, ähnlich wie in der US 6,453,869 B1 offenbart, während zwischen den Pleueln der Kolben der Verbrennungszylinder 2a, 2b, 2c, 2d und den zugehörigen Hubzapfen der Kurbelwelle 3 keine Exzenterhülse vorgesehen wird.To adjust the stroke of the pistons in the expansion cylinders 4a . 4b For example, between each piston and the crankshaft 3 a lever mechanism from the DE 10 2006 003 737 B3 known type are used, which should therefore not be described in detail here. Alternatively, between the connecting rods of the pistons of the expansion cylinder 4a . 4b and the associated crank pin of the crankshaft, if necessary, a rotatable eccentric sleeve can be used, similar to the US Pat. No. 6,453,869 B1 discloses, while between the connecting rods of the piston of the combustion cylinder 2a . 2 B . 2c . 2d and the associated crankpin of the crankshaft 3 no eccentric sleeve is provided.

11: BrennkraftmaschineInternal combustion engine
22: erste Gruppe von Zylindern (Verbrennungszylinder)first Group of cylinders (combustion cylinders)
33: Kurbelwellecrankshaft
44: zweite Gruppe von Zylindern (Expansionszylinder)second Group of cylinders (expansion cylinder)

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 99/06682 A2 [0005, 0014]
- DE 102006003737 B3 [0007, 0012, 0033]
- US 6453869 B1 [0007, 0013, 0033]

Claims

Internal combustion engine having a first and a second group of cylinders and in the cylinders movable piston, wherein in the cylinders of the first group in a four-stroke process combustion of fuel and a partial expansion of pressurized combustion gases takes place and wherein in the cylinders of the second Group in a two-stroke process further expansion of the combustion gases takes place after their exit from the cylinders of the first group, characterized in that the stroke of the pistons in the cylinders ( 4a . 4b ) of the second group ( 4 ) is changeable.

Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the number of cylinders ( 4a . 4b ) of the second group ( 4 ) is half the number of cylinders ( 2a . 2 B . 2c . 2d ) of the first group ( 2 ).

Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized by adjusting means for adjusting the stroke of the pistons in the cylinders ( 4a . 4b ) of the second group ( 4 ).

Internal combustion engine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the pistons in the cylinders ( 2a . 2 B . 2c . 2d ; 4a . 4b ) of the first and second groups ( 2 ; 4 ) with a common crankshaft ( 3 ) are connected.

Internal combustion engine according to claim 3 and 4, characterized in that the connection between the pistons in the cylinders ( 4a . 4b ) of the second group ( 4 ) and the crankshaft ( 3 ) comprises the adjusting means.

Internal combustion engine according to one of claims 3 to 5, characterized in that the adjusting means for each cylinder ( 4a . 4b ) of the second group ( 4 ) comprise a transmission lever which is connected to the piston in the cylinder ( 4a . 4b ) is indirectly coupled, the cylinder axis intersects and at an articulated to the crankshaft ( 3 ) Connecting rod and is articulated on a linearly movable in a cylinder crankcase of the internal combustion engine bearing block.

Internal combustion engine according to one of claims 3 to 5, characterized in that the adjusting means for each cylinder ( 4a . 4b ) of the second group ( 4 ) comprise a rotatable eccentric sleeve which, between connecting rods of the pistons of the cylinder ( 4a . 4b ) and an associated crankpin of the crankshaft ( 3 ) is arranged.

Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that each cylinder ( 4a ; 4a . 4b ) of the second group ( 4 ) alternately with two adjacent cylinders ( 2a . 2 B ; 2c . 2d )) of the first group ( 2 ) is connectable.

Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that between two cylinders ( 2a ; 2 B ) of the first group ( 2 ) a cylinder ( 4a ) of the second group ( 4 ) is arranged in series.

Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized by at least one row of three cylinders in which a cylinder ( 4a ) of the second group ( 4 ) between two cylinders ( 2a . 2 B ) of the first group ( 2 ) is arranged.

Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized by a row of three cylinders in which a cylinder ( 2d ) of the first group ( 2 ) between two cylinders ( 4a . 4b ) of the first group ( 4 ) is arranged.

Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the cylinders ( 2a . 2 B . 2c . 2d ) of the first group ( 2 ) and the cylinders ( 4a . 4b ) of the second group ( 4 ) are arranged in two parallel rows.

Method for operating an internal combustion engine according to one of Claims 1 to 12, characterized in that the stroke of the pistons in the cylinders ( 4a . 4b ) of the second group ( 4 ) is changed depending on the operating state of the internal combustion engine.

Method according to claim 13, characterized in that the stroke of the pistons in the cylinders ( 4a . 4b ) of the second group ( 4 ) is reduced at low loads.

Method for operating an internal combustion engine according to one of Claims 1 to 12, characterized in that each cylinder ( 4a . 4b ) of the second group ( 4 ) alternately from two cylinders ( 2a . 2 B ; 2c . 2d ) of the first group ( 2 ) is fed with combustion gas.