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Die
Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einer Kurbelwelle,
mit wenigstens einem in einem Kompressionszylinder verschiebbar
aufgenommenen Kompressionskolben und mit wenigstens einem in einem
Arbeitszylinder verschiebbar aufgenommenen Arbeitskolben, wobei
die Bewegung des Kompressionskolbens und die Bewegung des Arbeitskolbens
kinematisch an die Bewegung der Kurbelwelle gekoppelt sind, so daß sich
der Kompressionskolben während einer einzigen Umdrehung
der Kurbelwelle um einen Ansaughub und einen Kompressionshub eines
Viertaktzyklus hin- und herbewegt und daß sich der Arbeitskolben
während einer einzigen Umdrehung der Kurbelwelle um einen
Arbeitshub und einen Auspuffhub desselben Viertaktzyklus hin- und
herbewegt, wobei der Kompressionszylinder wenigstens ein Einlaßventil
zum Ansaugen von Luft in den Kompressionszylinder bei einer Abwärtsbewegung
des Kompressionskolbens und der Arbeitszylinder wenigstens ein Auslaßventil
zum Ausstoßen von Verbrennungsgasen bei einer Aufwärtsbewegung
des Arbeitskolbens aufweist.
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Als
Verbrennungsmotoren zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, Maschinen und
dergleichen werden derzeit fast ausschließlich Hubkolbenmotoren,
die nach dem Otto- oder Diesel-Prinzip arbeiten, verwendet. Die
Mängel dieser Motoren, unter anderem nicht zufriedenstellender
Wirkungsgrad, hohe Schadstoffemission, insbesondere beim Kaltstart,
erhebliche Geräuschentwicklung und dergleichen sind bekannt und
beruhen zum großen Teil darauf, daß die Überführung
des flüssigen Brennstoffes in den gasförmigen
Zustand, die Gemischbildung, die Zündung und die Verbrennung
alle innerhalb eines sehr kleinen, kurz dauernden Teiles des Arbeitszyklus
sowie unter stark wechselnden und daher schlecht beherrschbaren
Strömungsverhältnissen stattfinden müssen.
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Aus
der
DE 602 25 451
T2 ist ein Motor bekannt, der eine Kurbelwelle aufweist,
die um eine Kurbelwellenachse des Motors rotiert. Darüber
hinaus ist ein Arbeitskolben vorgesehen, der verschiebbar innerhalb
eines ersten Zylinders aufgenommen ist und operativ mit der Kurbelwelle
verbunden ist, so daß sich der Arbeitskolben während
einer einzigen Umdrehung der Kurbelwelle um einen Arbeitshub und
einen Auspuffhub eines Viertaktzyklus hin- und herbewegt. Weiter
ist ein Kompressionskolben vorgesehen, der verschiebbar innerhalb
eines zweiten Zylinders aufgenommen ist und operativ mit der Kurbelwelle
verbunden ist, so daß sich der Kompressionskolben während
derselben Umdrehung der Kurbelwelle um einen Ansaughub und einen
Kompressionshub desselben Viertaktzyklus hin- und herbewegt. Der
erste und der zweite Zylinder sind durch einen Gasdurchgang miteinander
verbunden, wobei der Gasdurchgang ein Einlaßventil und
ein Auslaßventil enthält, die zwischen sich eine
Druckkammer definieren, wobei das Einlaßventil und das
Auslaßventil des Gasdurchgangs während des gesamten Viertaktzyklus
im wesentlichen mindestens einen vorgegebenen Zündbedingungsgasdruck
in der Druckkammer aufrecht erhalten. Um die Zündposition
des Arbeitskolbens zu erreichen, muß die Kurbelwelle um
mindestens 20° über eine Position hinaus rotieren,
in der sich der Arbeitskolben in seiner oberen Todpunktposition
befindet. Die Zündposition wird somit erst dann erreicht,
wenn der Arbeitskolben in der Abwärtsbewegung ist und einen
vorgegebenen Abstand zum oberen Todpunkt erreicht hat. Der aus dem
Stand der Technik bekannte Motor weist ebenfalls einen nicht zufriedenstellenden
Wirkungsgrad auf, der mit höheren Schadstoffemissionen
verbunden ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Verbrennungsmotor zur Verfügung
zu stellen, der sich von den aus dem Stand der Technik bekannten
Motoren durch einen höheren Wirkungsgrad, ein gutes Drehmomentverhalten,
eine geringe Schadstoffemission und geringe Herstellungs- sowie
Betriebskosten auszeichnet.
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Zur
Lösung der vorgenannten Aufgabe sind bei einem Verbrennungsmotor
der eingangs genannten Art bei einer ersten alternativen Ausführungsform der
Erfindung wenigstens zwei voneinander getrennte und den Kompressionszylinder
und den Arbeitszylinder miteinander verbindende Brennkammern zum Zünden
eines Kraftstoff-Luft-Gemisches vorgesehen, wobei jede Brennkammer über
wenigstens ein Brennkammer-Einlaßventil mit dem Kompressionszylinder
und über ein Brennkammer-Auslaßventil mit dem
Arbeitszylinder verbunden ist und wobei die Ventile derart gesteuert
sind, daß das Brennkammer-Auslaßventil einer Brennkammer
erst nach der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dieser Brennkammer
geöffnet wird und daß die Brennkammern abwechselnd
für eine Verbrennung angesteuert werden.
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Die
Erfindung betrifft einen Hubkolben-Verbrennungsmotor, wobei der
Ansaug- und Verdichtungsvorgang von wenigstens einem Kompressionskolben
und der Arbeits- und Ausdrückvorgang von wenigstens einem
Arbeitskolben ausgeführt wird. Die beiden Kolben sind gegenüberliegend
angeordnet. Zwischen dem Arbeitszylinder und dem Kompressionszylinder
besteht eine Verbindung durch wenigstens zwei im Zylinderkopf befindliche
Brennkammern, in denen das Kraftstoff-Luft-Gemisch zur Verbrennung
gebracht wird, was durch Fremd- oder durch Selbstzündung
(Dieselkraftstoff/Biodiesel) geschehen kann. Die beiden Brennkammern
werden abwechselnd, jeweils nur jede zweite Umdrehung angesteuert,
so daß für die Gemischaufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches
und für die Verbrennung in der Brennkammer ausreichend
Zeit zur Verfügung steht. Dementsprechend ist die Steuerung
der Ventile ausgebildet, wobei nach der Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches
in einer Brennkammer dieselbe Brennkammer erst nach Drehung der
Kurbelwelle um 720° angesteuert und ein Kraftstoff-Luft-Gemisch
erneut in dieser Brennkammer verbrannt wird. Die abwechselnde Verbrennung
in wenigstens zwei Brennkammern stellt eine weitgehend vollständige Verbrennung
des Kraftstoff-Luft-Gemisches sicher und trägt zu einer
geringeren Schadstoffemission bei. In der Folge zeichnet sich der
erfindungsgemäße Verbrennungsmotor durch einen
höheren Wirkungsgrad aus als die aus dem Stand der Technik
bekannten Motoren und weist geringe Herstellungs- sowie Betriebskosten
auf.
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Die
Brennkammern können grundsätzlich eine gleiche
Größe aufweisen. Es können auch wenigstens
zwei Brennkammer-Paare mit jeweils zwei Brennkammern gleicher Größe
vorgesehen sein, wobei die Brennkammern eines ersten Brennkammer-Paars
größer als die Brennkammern eines zweiten Brennkammer-Paars
sein können und wobei jeweils die beiden Brennkammern eines
Brennkammer-Paars, d. h. jeweils gleich große Brennkammern, abwechselnd
für eine Verbrennung ansteuerbar sind. Bei langsamer Fahrt
im Stadtverkehr, wenn die Zylinder einen geringeren Füllgrad
haben, kann ein Brennkammer-Paar mit kleineren Brennkammern angesteuert
und dadurch der Wirkungsgrad der Verbrennung erhöht werden.
Bei schnellerer Fahrt und maximaler Zylinderfüllung kann
dagegen das Brennkammer-Paar mit den größeren
Brennkammern angesteuert werden. Dadurch lassen sich die Kraftstoffausnut zung
verbessern und ein hoher Wirkungsgrad der Verbrennung sicherstellen.
Die Verbrennung findet dabei jeweils abwechselnd in gleich großen Brennkammern
statt.
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Bei
einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen
sein, daß wenigstens zwei Brennkammer-Paare mit jeweils
zwei Brennkammern unterschiedlicher Größe vorgesehen
sind, wobei jeweils die beiden unterschiedlich großen Brennkammern
eines Brennkammer-Paars gemeinsam für eine Verbrennung
ansteuerbar sind und wobei die Brennkammer-Paare abwechselnd angesteuert
werden. Auch hier ist es vorzugsweise so, daß die Brennkammer-Paare
jeweils ein gleich großes Gesamtbrennkammervolumen aufweisen,
wobei sich das Gesamtbrennkammervolumen zusammensetzt aus den Volumina
der einem Brennkammer-Paar zugeordneten Brennkammern mit unterschiedlicher Größe.
Das Gesamtvolumen der größeren Brennkammer und
der kleineren Brennkammer eines Brennkammer-Paars kann für
eine maximale Zylinderfüllung ausgelegt sein. Beispielsweise
können eine große und eine kleine Brennkammer
ein Brennkammerpaar bilden und jeweils gleichzeitig für
eine Verbrennung angesteuert werden. Bei der nächsten Umdrehung
der Kurbelwelle werden dann eine größere Brennkammer
und eine kleinere Brennkammer eines weiteren Brennkammer-Paars für
eine Verbrennung angesteuert. In diesem Zusammenhang kann die größere
Brennkammer ca. doppelt so groß wie die kleinere Brennkammer
sein. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Größenverhältnisse
möglich.
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Das
Ansteuern bzw. An- und Abschalten der Ventile kann elektrisch, pneumatisch,
mechanisch oder hydraulisch geschehen. Es können auch selbsttätige,
durch den im Zylinder herrschenden Gasdruck betätigte Ventile,
sogenannte Flatterventile, vorgesehen sein.
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Die
Ansteuerung der Ventile kann das Öffnen des Brennkammer-Auslaßventils
bei Rotation der Kurbelwelle um weniger als 20°, vorzugsweise
weniger als 10°, insbesondere weniger als 5°, über
eine Position hinaus vorsehen, in der sich der Arbeitskolben in
seiner oberen Todpunktposition befindet. Vorzugsweise wird das Brennkammer-Auslaßventil
geöffnet, wenn sich der Arbeitskolben unmittelbar im oberen
Todpunkt befindet, mit einer Abweichung von ±1° bis
4° bezogen auf die Rotation der Kurbelwelle. Beim Öffnen des
Brennkammer-Auslaßventils ist die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches
in der Brennkammer vorzugsweise vollständig oder im wesentlichen
vollständig erfolgt und der Verbrennungsvorgang insoweit
abgeschlossen. Das verbrannte Gemisch wird dann durch Öffnen
des Brennkammer-Auslaßventils der angesteuerten Brennkammer in
den Arbeitszylinder geleitet.
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In
konstruktiver Hinsicht wird die kinematische Kopplung der Bewegung
von Kompressionskolben und Arbeitskolben mit der Kurbelwelle vorzugsweise
derart ausgebildet, daß der Kompressionskolben und der
Arbeitskolben während eines Viertaktzyklus bei der Bewegung
vom jeweiligen oberen Todpunkt in den jeweiligen unteren Todpunkt
und zurück durchgehend eine gegenläufige Bewegung
ausführen. Vorzugsweise sind dabei der Kompressionszylinder
und der Arbeitszylinder nebeneinander in einer Ebene quer zur Längsachse
der Kurbelwelle, insbesondere senkrecht zur Längsachse
der Kurbelwelle, angeordnet. Dies führt zu einem platzsparenden
Aufbau des Verbrennungsmotors und ermöglicht eine kinematische
Kopplung der Bewegung von Kompressionskolben und Arbeitskolben bei
geringen Reibungsverlusten, worauf nachfolgend noch eingegangen wird.
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Zur
Lösung der oben genannten Aufgabe ist bei einem Verbrennungsmotor
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß bei
einer alternativen Ausführungsform vorgesehen, daß der
Arbeitskolben über ein mehrteiliges Knickpleuel mit der
Kurbelwelle gelenkig verbunden ist, wobei das Knickpleuel wenigstens
zwei Pleuelstangen aufweist, wobei die Pleuelstangen endseitig über
wenigstens ein erstes Drehgelenk verbunden sind, wobei das andere
Ende einer ersten Pleuelstange des Knickpleuels gelenkig mit dem
Arbeitskolben und das andere Ende einer zweiten Pleuelstange des
Knickpleuels gelenkig mit der Kurbelwelle verbunden ist, nämlich
mit einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle, wobei an dem ersten Drehgelenk
ein Querpleuel endseitig angelenkt ist, wobei das Querpleuel in
der Art einer Wippstange um eine Drehachse drehbar gelagert ist,
wobei das andere Ende des Querpleuels über wenigstens ein zweites
Drehgelenk mit wenigstens einer dritten Pleuelstange gelenkig verbunden
ist und wobei die dritte Pleuelstange mit dem Kompressionskolben
gelenkig verbunden ist. Durch die vorgeschlagene kinematische Kopplung
von Kompressionskolben, Arbeitskolben und Kurbelwelle können
in der Auf- und Abbewegung der Kolben die Reibkräfte an
den Zylinderwänden verrin gert werden, was eine verbesserte Kraftübertragung
auf die Kurbelwelle bewirkt und somit zu einer Drehmomentsteigerung
führt. Durch die Teilung des Knickpleuels unter dem Arbeitskolben wird
eine verbesserte Krafteinbringung in die Rotation der Kurbelwelle
erreicht, wobei durch die Verbindung des Arbeitskolbens mit dem
Kompressionskolben durch das Querpleuel der Druck über
dem Arbeitskolben nahezu ohne Verluste zur Verdichtung genutzt werden
kann. Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen gelenkigen
Verbindung zwischen dem Arbeitskolben und dem Kompressionskolben
mit der Kurbelwelle muß weniger Energie aus der Rotation entnommen
werden, um die Verdichtung über dem Kompressionskolben
zu bewirken. Dabei wird die Restenergie der verbrannten Gase im
Arbeitszylinder, bevor der Arbeitskolben den unteren Todpunkt erreicht
hat, noch ausgenutzt, um den Kompressionskolben nach oben zu bewegen.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Motoren geht dieser Restenergieanteil
verloren mit dem Ausdrücken des verbrannten Gases in das
Abgassystem. Der beschriebene Kurbeltrieb des erfindungsgemäßen
Verbrennungsmotors trägt somit zu einem höheren
Wirkungsgrad, einem besseren Drehmomentverhalten sowie geringeren
Schadstoffemissionen bei geringen Herstellungs- und Betriebskosten
bei.
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Weitere
Vorteile und Merkmale des bei dem erfindungsgemäßen
Verbrennungsmotor vorgesehenen Kurbeltriebes sind in der Zeichnung
und in den Unteransprüchen beschrieben.
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Bei
einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verbrennungsmotors ist zur Lösung der eingangs genannten
Aufgabe vorgesehen, daß wenigstens zwei voneinander getrennte
und den Kompressionszylinder und den Arbeitszylinder miteinander
verbindende Kompressionskammern zum Verdichten von Luft oder zum
Verdichten eines Kraftstoff-Luft-Gemisches vorgesehen sind, bzw.
zur Aufnahme von im Kompressionszylinder verdichteter Luft bzw.
zur Aufnahme eines verdichteten Kraftstoff-Luft-Gemisches, wobei
das Zünden und die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im
Arbeitszylinder erfolgen, wobei jede Kompressionskammer über
wenigstens ein Kompressionskammer-Einlaßventil mit dem
Kompressionszylinder und über wenigstens ein Kompressionskammer-Auslaßventil
mit dem Arbeitszylinder verbunden ist und wobei die Ventile derart
gesteuert sind, daß die Kompressionskammern abwechselnd
für eine Verdichtung ansteuerbar sind.
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Diese
Ausführungsform der Erfindung betrifft wiederum einen Hubkolben-Verbrennungsmotor,
bei dem der Ansaug- und Verdichtungsvorgang in einem Kompressionszylinder
mit Kompressionskolben und der Arbeits- und Ausdrückvorgang
in einem Arbeitszylinder mit Arbeitskolben ausgeführt werden.
Vorzugsweise sind die beiden Zylinder-Kolben-Anordnungen gegenüberliegend
angeordnet, so wie dies oben bereits beschrieben worden ist. Zwischen
dem Kompressionszylinder und dem Arbeitszylinder besteht eine Verbindung
durch wenigstens zwei im Zylinderkopf befindliche Kompressionskammern,
in die die durch den Kompressionskolben angesaugte Luft während
des Verdichtungstaktes hineingedrückt wird. Die Luft kann
in der Kompressionskammer als Gasgemisch für die Verbrennung
oder erst nachdem sie in den Arbeitszylinder ”entlassen” worden
ist, über dem Arbeitskolben aufbereitet werden. Gezündet wird
jedoch erst im Arbeitszylinder, je nach Kraftstoffart durch Selbstzündung
oder durch Fremdzündung. Der erfindungsgemäße
Verbrennungsmotor mit zwei Kompressionskammern führt zu
einem höheren Wirkungsgrad bei der Kraftstoffverbrennung, zu
einem besseren Drehmomentverhalten und zu geringeren Schadstoffemissionen
bei gleichzeitig geringen Herstellungs- und Betriebskosten.
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Bei
einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann die Ansteuerung
der Ventile das Öffnen des Kompressionskammer-Auslaßventils
bei Rotation der Kurbelwelle um mehr als 340° bis 360°,
vorzugsweise mehr als 350° bis 360°, insbesondere mehr
als 355° bis 360°, vorsehen, wobei sich der Arbeitskolben
bei Rotation der Kurbelwelle um 360° in seiner oberen Todpunktposition
befindet. Vorzugsweise erfolgt das Einleiten der verdichteten Luft
bzw. des verdichteten Kraftstoff-Luft-Gemisches somit unmittelbar,
bevor der Arbeitskolben seinen oberen Todpunkt erreicht hat. Mit
dem Einleiten des Druckes aus einer Kompressionskammer in den Arbeitszylinder
wird somit vor dem Erreichen einer 360°-Kurbelwellenumdrehung
begonnen. Das Kompressionskammer-Auslaßventil schließt
vorzugsweise, bevor es zum Zünden und Verbrennen des Kraftstoff-Luft-Gemisches
in dem Arbeitszylinder kommt. Wesentlich dabei ist, daß die
beiden Kompressionskammern abwechselnd, d. h. jeweils nur jede zweite Umdrehung,
angesteuert werden, so wie dies eingangs im Zusammenhang mit der
erfindungsgemäßen Ausführungsform eines
Verbrennungsmotors mit zwei Brennkammern beschrieben worden ist.
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Die
Kompressionskammern können eine gleiche Größe
aufweisen. Es können auch wenigstens zwei unterschiedliche
Kompressionskammerpaare mit jeweils zwei Kompressionskammern gleicher
Größe vorgesehen sein, wobei die Kompressionskammern
eines ersten Kompressionskammer-Paars größer sind
als die Kompressionskammern eines zweiten Kompressionskammer-Paars und
wobei jeweils die beiden gleichen Kompressionskammern eines Kompressionskammer-Paars
abwechselnd für eine Verdichtung ansteuerbar sind. Auch
ist es möglich, daß wenigstens zwei Kompressionskammer-Paare
mit jeweils wenigstens zwei Kompressionskammern unterschiedlicher
Größe vorgesehen sind, wobei jeweils die beiden
unterschiedlich großen Kompressionskammern eines Kompressionskammer-Paars
gemeinsam für eine Verdichtung ansteuerbar sind und wobei
die Kompressionskammer-Paare abwechselnd angesteuert werden.
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Durch
Wasser, destilliertes Wasser oder auch deren Gemische in Verbindung
mit Alkohol und gegebenenfalls weiteren Komponenten kann die Temperatur
der Verbrennungsluft bzw. des Kraftstoff-Luft-Gemisches vorteilhaft
beeinflußt werden. In diesem Zusammenhang ist es bei einer
vierten alternativen Ausführungsform der Erfindung zur
Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgesehen, daß wenigstens
eine Einrichtung zum Einspritzen von Wasser und/oder destilliertem
Wasser und/oder Alkohol und/oder einer Mischung aus Wasser und Alkohol und
gegebenenfalls weiteren Stoffen in den Kompressionszylinder und/oder
in eine den Kompressionszylinder und den Arbeitszylinder miteinander
verbindende Brennkammer und/oder in eine den Kompressionszylinder
und den Arbeitszylinder miteinander verbindende Kompressionskammer
und/oder in einen Ansaugtrakt des Kompressionszylinders vorgesehen
ist. Durch einen ausreichend hohen Wasseranteil im Kraftstoff-Luft-Gemisch
kann insbesondere eine Selbstzündung bei der Kompression
des Gasgemisches ausgeschlossen werden.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben
eines Verbrennungsmotors der vorbeschriebenen Art mit den anhand
der Zeichnung beschriebenen Verfahrensschritten.
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Die
vorgenannten Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung sowie
die nachfolgend beschriebenen Aspekte und Merkmale der vorliegenden
Erfindung können unabhängig voneinander, aber auch
in einer beliebigen Kombination realisiert werden.
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Weitere
Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
anhand der Zeichnung. Es zeigt
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit zwei
Brennkammern in einer Querschnittsansicht, wobei Ventile der Brennkammern
im wesentlichen parallel zu den Zylinderachsen angeordnet sind,
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2 eine
schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit vier
Brennkammern in einer Ansicht von oben, wobei Ventile der Brennkammern im
wesentlichen senkrecht zu den Zylinderachsen angeordnet sind,
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3a bis
f eine schematische Darstellung des Viertakt-Zyklus des in 1 dargestellten
Verbrennungsmotors beim Betrieb des Verbrennungsmotors,
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4 eine
schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit
zwei Kompressionskammern in einer Querschnittsansicht, wobei Ventile
der Kompressionskammern im wesentlichen parallel zu den Zylinderachsen
angeordnet sind,
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5 eine
schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit
zwei Kompressionskammern in einer Ansicht von oben, wobei Ventile
der Kompressionskammern im wesentlichen senkrecht zu den Zylinderachsen
angeordnet sind,
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6 eine
schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit
zwei Kompressionskammern und wenigstens einer Brennkammer im Arbeitskolben
in einer Querschnittsansicht,
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7 eine
schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit
zwei Kompressionskammern und mit wenigstens einer Brennkammer im Arbeitskolben
in einer Querschnittsansicht und
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8 bis 10 Perspektivische
Darstellungen weiterer Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen
Verbrennungsmotors, wobei der Arbeitskolben über ein mehrteiliges
Knickpleuel mit der Kurbelwelle gelenkig verbunden ist.
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In 1 ist
ein Verbrennungsmotor 1 in einer schematischen Querschnittsansicht
dargestellt. Der Verbrennungsmotor 1 weist eine Kurbelwelle
auf, die nicht im einzelnen dargestellt ist. Dargestellt ist jedoch
die Längsachse 2 der Kurbelwelle, um die ein Kurbelarm 3 beim
Betrieb des Verbrennungsmotors 1 rotiert. Der Verbrennungsmotor 1 weist
einen in einem Kompressionszylinder 4 verschiebbar aufgenommenen
Kompressionskolben 5 und einen in einem Arbeitszylinder 6 verschiebbar
aufgenommenen Arbeitskolben 7 auf, wobei die Bewegung des
Kompressionskolbens 5 und die Bewegung des Arbeitskolbens 7 kinematisch
an die Bewegung der Kurbelwelle gekoppelt sind, so daß sich
der Kompressionskolben 5 während einer einzigen
Umdrehung der Kurbelwelle um einen Ansaughub und einen Kompressionshub
eines Viertaktzyklus hin- und herbewegt und daß sich der
Arbeitskolben 7 während einer einzigen Umdrehung
der Kurbelwelle um einen Arbeitshub und einen Auspuffhub desselben
Viertaktzyklus hin- und herbewegt. Der Kompressionszylinder 4 weist
wenigstens zwei Einlaßventile 8 zum Ansaugen von
Luft in den Kompressionszylinder 4 bei einer Abwärtsbewegung
des Kompressionskolbens und der Arbeitszylinder 7 zwei
Auslaßventile 9 zum Ausstoßen von Verbrennungsgasen
aus dem Arbeitszylinder 6 während einer Aufwärtsbewegung
des Arbeitskolbens 7 auf. Die Einlaßventile 8 und
die Auslaßventile 9 sind senkrecht zu den Zylinderachsen von
Kompressionszylinder 4 und Arbeitszylinder 6 angeordnet.
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Um
für die Gemischaufbereitung und die Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches
ausreichend Zeit zur Verfügung zu stellen, sind wenigstens zwei,
vorzugsweise vier voneinander getrennte und den Kompressionszylinder 4 und
den Arbeitszylinder 6 miteinander verbindende Brennkammern 10–13 zum
Zünden und Verbrennen eines Kraftstoff-Luft-Gemisches vorgesehen.
Dies ist in den 1 bis 3 dargestellt.
Jede Brennkammer 10–13 ist über
wenigstens ein Brennkammer-Einlaßventil 14a–d
mit dem Kompressionszylinder 4 und über wenigstens
ein Brennkammer-Auslaßventil 15a–d mit dem
Arbeitszylinder 6 verbunden. Die Ventile 8, 9, 14a–d, 15a–d
sind derart gesteuert, daß das Brennkammer-Auslaßventil 15a–d
einer Brennkammer 10– 13 erst nach der
Verbrennung des Kraftstoff--Luft-Gemisches in dieser Brennkammer 10–13 geöffnet
wird und daß die Brennkammern 10–13 abwechselnd
für eine Verbrennung ansteuerbar sind. Dadurch kann eine
weitgehend vollständige Verbrennung des Kraftstoffes in
den Brennkammern 10–13 sichergestellt
werden, was zu einem höheren Wirkungsgrad und einer geringeren
Schadstoffemission des dargestellten Verbrennungsmotors 1 führt.
In 1 ist lediglich eine Brennkammer 10 dargestellt mit
einem Brennkammer-Einlaßventil 14a und einem Brennkammer-Auslaßventil 15a.
Die Brennkammerventile 14a, 15a sind parallel
zu den Längsachsen des Kompressionszylinders 4 und
des Arbeitszylinders 6 angeordnet.
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In 2 ist
eine zweite Ausführungsform eines Verbrennungsmotors 1 mit
vier Brennkammern 10–13 dargestellt,
wobei hier die Brennkammer-Einlaßventile 14a–d
und die Brennkammer-Auslaßventile 15a–d
senkrecht zur Längsachse des Kompressionszylinders 4 und
senkrecht zur Längsachse des Arbeitszylinders 6 angeordnet
sind. Dadurch wird die Verbrennung des Kraftstoffs in den Brennkammern 10–13 möglichst
wenig durch die Ventile 14a–d, 15a–d
gestört. Grundsätzlich ist es aber auch hier möglich,
daß die Brennkammer-Einlaßventile 14a–d und/oder
die Brennkammer-Auslaßventile 15a–d parallel
zu der Längsachse des Kompressionszylinders 4 bzw.
zur Längsachse des Arbeitszylinders 6 angeordnet
sind.
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Wie
sich aus 2 ergibt, weisen die Brennkammern 10 und 13 ein
größeres Brennkammervolumen auf als die Brennkammern 11 und 12.
Bei langsamer Fahrt im Stadtverkehr, wenn die Zylinder einen geringeren
Füllgrad haben, können die kleineren Brennkammern 11, 12 abwechselnd
angesteuert werden, wodurch sich der Wirkungsgrad der Verbrennung
erhöht. Für eine maximale Zylinderfüllung können
dagegen die größeren Brennkammern 10, 13 abwechselnd
angesteuert werden. Grundsätzlich ist es auch möglich,
die Größen der Brennkammern 10–13 so
zu wählen, daß das Brennkammervolumen der größeren
Brennkammern 10, 13 ca. doppelt so groß ist
wie das Brennkammervolumen der kleineren Brennkammern 11, 12.
Das Gesamtbrennkammervolumen einer größeren Brennkammer 10, 13 und
einer kleineren Brennkammern 11, 12 kann dann
für eine maximale Zylinderfüllung ausreichend
sein. Dann könnten beispielsweise die Brennkammern 10 und 11 und
die Brennkammern 12 und 13 jeweils gleichzeitig
angesteuert werden. Es versteht sich, daß die Erfindung
nicht auf die in 2 dargestellten Größenverhältnisse
beschränkt ist.
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Nachfolgend
wird die Funktionsweise des Verbrennungsmotors 1 im einzelnen
beschrieben. Luft wird durch die geöffneten Einlaßventile 8 bei
der Abwärtsbewegung des Kompressionskolbens 5 in den
Kompressionszylinder 4 eingesaugt. Am unteren Todpunkt
des Kompressionskolbens 5 schließt die Einlaßventile 8 und
das Brennkammer-Einlaßventil 14a der ersten Brennkammer 10 öffnet.
Dies ist schematisch in den 3a und 3b dargestellt.
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Bei
der Aufwärtsbewegung des Kompressionskolbens 5 (vgl. 3c–3f)
wird die angesaugte Luft in die erste Brennkammer 10 gedrückt, bei
der das Brennkammer-Auslaßventil 15a zunächst geschlossen
ist. Wenn der Kompressionskolben 5 am oberen Todpunkt angekommen
ist, schließt das erste Brennkammer-Einlaßventil 14a der
Brennkammer 10.
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Wird
als Kraftstoff Diesel oder Bioöl eingesetzt, wird jetzt
die Luft für die Verbrennung vorbereitet, indem Kraftstoff
durch eine Düse 16 in die Brennkammer 10 eingespritzt
und dabei durch Selbstzündung zur Verbrennung gebracht
wird. Wird als Kraftstoff Benzin, Gas, Wasserstoff oder Alkohol
eingesetzt, wird bei Direkteinspritzung die Luft für die
Verbrennung vorbereitet, indem Kraftstoff durch die Düse 16 eingespritzt
und anschließend durch Fremdzündung mittels einer
nicht dargestellten Zündkerze in der Brennkammer 10 zur
Verbrennung gebracht wird. Wird als Kraftstoff Benzin, Gas, Wasserstoff oder
Alkohol eingesetzt, kann die Anreicherung der Luft auch in einem
Saugrohr oder einem Einlaßkanal 17 des Zylinderkopfes
geschehen. Dann wird das in der Brennkammer 10 befindliche
verdichtete Gemisch durch Fremdzündung mittels Zündkerze
zur Verbrennung gebracht. Die Anreicherung der Verbrennungsluft
mit Kraftstoff kann auch im Kompressionszylinder 4 durch
eine Düse 18 erfolgen. Anschließend wird
das in der Brennkammer 10 befindliche verdichtete Gemisch
durch Fremdzündung mittels Zündkerze zur Verbrennung
gebracht. Die Anreicherung der Luft kann auch teilweise im Saugrohr
oder im Einlaßkanal 17 im Zylinderkopf, im Kompressionszylinder 4 durch
die Düse 18 und/oder in der Brennkammer 10 durch
die Düse 16 geschehen. Es versteht sich, daß die
anderen Brennkammern 11, 12, 13 ebenfalls
entsprechende Düsen 16 aufweisen können.
Anschließend wird das in der Brennkammer 10 befindliche
verdichtete Kraftstoff-Luft-Gemisch durch Fremdzündung
mittels Zündkerze zur Verbrennung gebracht.
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Sobald
der Kompressionskolben 5 im oberen Todpunkt ist, befindet
sich der Arbeitskolben 7 ungefähr im unteren Todpunkt
(vgl. 3f), was dazu führt,
daß das Brennkammer-Auslaßventil 15a der ersten
Brennkammer 10 schließt. Als nächstes drückt
der Arbeitskolben 7 das entspannte, verbrannte Gemisch
durch die geöffneten Auslaßventile 9 aus dem
Arbeitszylinder 6 durch den Auslaßkanal 19 des Zylinderkopfes
in den Auspuff.
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Gleichzeitig
ist der Kompressionskolben 4 auf dem Weg zum unteren Todpunkt.
Durch die geöffneten Einlaßventile 8 wird
Luft angesaugt. Ist der Arbeitskolben 7 im oberen Todpunkt
angekommen, werden die Auslaßventile 9 geschlossen
und das in der ersten Brennkammer 10 befindliche verbrannte Gemisch
wird jetzt durch Öffnen des ersten Brennkammer-Auslaßventils 15a in
den Arbeitszylinder 6 geleitet.
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Ungefähr
zeitgleich schließen die Einlaßventile 8,
das zweite Brennkammer-Einlaßventil 14b der zweiten
gleich großen Brennkammer 13 wird geöffnet und
auf dem Weg des Kompressionskolbens 5 vom unteren Todpunkt
zum oberen Todpunkt wird die vorher angesaugte Luft bzw. das Kraftstoff-Luft-Gemisch
nun in die Brennkammer 13 gedrückt und dabei verdichtet.
An schließend wird jetzt wie oben beschrieben verfahren,
lediglich in bezug auf die Brennkammer 13. Dabei ist der
Arbeitskolben 7 auf dem Weg vom oberen Todpunkt zum unteren
Todpunkt. Beim unteren Todpunkt schließt das erste Brennkammer-Auslaßventil 15a und
die Auslaßventile 9 öffnen, wobei sich
der Kompressionskolben 5 ungefähr am oberen Todpunkt
befindet. Dann schließt das zweite Brennkammer-Einlaßventil 14b und
die Einlaßventile 8 öffnen.
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Gemäß 1 sind
der Kompressionszylinder 4 und der Arbeitszylinder 6 nebeneinander
in einer Ebene senkrecht zur Längsachse 2 der
Kurbelwelle angeordnet.
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Wie
sich aus 1 weiter ergibt, ist der Arbeitskolben 5 über
ein mehrteiliges Knickpleuel 20 mit der Kurbelwelle gelenkig
verbunden, wobei das Knickpleuel 20 wenigstens zwei Pleuelstangen 21, 22 aufweist,
wobei die Pleuelstangen 21, 22 endseitig über
wenigstens ein erstes Drehgelenk 23 verbunden sind, wobei
das andere Ende der ersten Pleuelstange 21 des Knickpleuels 20 gelenkig
mit dem Arbeitskolben 7 und das andere Ende der zweiten
Pleuelstange 22 des Knickpleuels gelenkig an einem Kurbelarm 3 der
Kurbelwelle gelagert ist. An dem ersten Drehgelenk 23 ist
ein Querpleuel 24 endseitig angelenkt, wobei das Querpleuel 24 in
der Art einer Wippstange um eine Drehachse 25 drehbar gelagert
ist. Das Querpleuel 24 muß nicht zwingend eine
gerade Form haben. Das andere Ende des Querpleuels 24 ist über
wenigstens ein zweites Drehgelenk 26 mit wenigstens einer
dritten Pleuelstange 27 mit dem Kompressionskolben 5 gelenkig
verbunden. Die dargestellte Form der kinematischen Kopplung von Kompressionskolben 5,
Arbeitskolben 7 und Kurbelwelle führt dazu, daß der
Kompressionskolben 5 und der Arbeitskolben 7 stets
eine gegenläufige Bewegung während des Viertaktzyklusses
ausführen. Durch die gelenkige Verbindung über
Knickpleuel 20 und Querpleuel 24 können
der Kompressionskolben 5 und der Arbeitskolben 7 bei
geringeren Reibungsverlusten auf- und abbewegt werden, was zu einer Erhöhung
des Gesamtwirkungsgrades bei der Kraftstoffverbrennung führt.
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Wie
sich weiter aus 1 ergibt, ist die Längsachse 2 der
Kurbelwelle unterhalb von der Drehachse des ersten Drehgelenkes 23 und
unterhalb von der Drehachse des zweiten Drehgelenkes 26 angeordnet.
Darüber hinaus kann die Längsachse 2 der
Kurbelwelle unterhalb von der Drehachse 25 des Querpleuels 24 verlaufen.
Die Längsachse 2 der Kurbelwelle ist in horizontaler
Richtung seitlich von der Drehachse des ersten Drehgelenkes 23 beabstandet
und, vorzugsweise, im Bereich zwischen den Drehachsen des ersten
Drehgelenkes 23 und des zweiten Drehgelenkes 26 angeordnet.
Dieser Aufbau führt zu sehr geringen Reibungsverlusten
und damit zu einem hohen Grad der Energieausnutzung bei der Kraftstoffverbrennung.
Darüber hinaus ist vorzugsweise vorgesehen, daß die
Längsachse 2 der Kurbelwelle in horizontaler Richtung
im Bereich zwischen der Drehachse 25 des Querpleuels 24 und
der Drehachse des ersten Drehgelenkes 23 verläuft.
In horizontaler Richtung ist die Längsachse 2 der
Kurbelwelle von der Mittellängsachse des Arbeitskolbens 7 entsprechend
beabstandet.
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Die
Pleuelstangen 21, 27 sind jeweils im Bereich der
Mittellängsachse des Arbeitskolbens 7 bzw. des
Kompressionskolbens 5 angelenkt. Die Drehachse 25 des
Querpleuels 24 befindet sich in vertikaler Richtung zwischen
der Drehachse des ersten Drehgelenks 23 und der Drehachse
des zweiten Drehgelenks 26.
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Schematisch
dargestellt ist, daß auch eine exzentrische Lagerung des
Querpleuels 24 vorgesehen sein kann, um die Bewegung der
Kolben 5, 7 bei noch geringeren Reibungsverlusten
in den Zylindern 4, 6 zu ermöglichen.
Die exzentrische Lagerung hat Auswirkungen auf die Pleuelstellung
der beiden Pleuel 21, 27, die an den Kolben 5, 7 angelenkt
sind oder das Lager mittels Stellmotor in seiner Lage verändert
werden. Das Querpleuel 24 kann exzentrisch auf einer rotierenden
Welle gelagert sein. Auch ist es möglich, daß unterschiedlich
weit voneinander beabstandete Positionen vorgegeben sind, an denen
sich das Querpleuel 24 zentrisch oder exzentrisch lagern läßt.
Das die Drehachse 25 des Querpleuels 24 festlegende
Lager kann auf einem Bolzen, einem stufenweise verstellbaren Bolzen
oder einer rotierenden Welle angeordnet sein, die auch exzentrisch
gelagert sein kann.
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Gemäß 1 können
die Zylinder 5, 7 geneigt zur vertikalen Motorachse
angeordnet sein. Hier kann eine positive oder negative Neigung zur Motorachse
vorliegen. Grundsätzlich können die Zylinder 5, 7 aber
auch parallel zueinander angeordnet sein.
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Der
Kompressionskolben 5 kann auch auf der, bezogen auf 1,
rechten Seite des Arbeitskolbens 7 angeordnet sein, bei
gleicher Anordnung der Längsachse 2 der Kurbelwelle.
Grundsätzlich sind aber auch andere Anordnungen von Kurbelachse
zu Kolben 5, 7 vorteilhaft und möglich.
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Im übrigen
kann das Knickpleuel 20 auch aus mehr als zwei Pleuelstangen 21, 22 bestehen.
Es können weitere Pleuelstangen vorgesehen sein, um eine
gewünschte Minimierung der Reibungsverluste bei der Auf-
und Abbewegung der Kolben 5, 7 in den Zylindern 4, 6 zu
erreichen.
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Der
Kompressionszylinder 4 und der Arbeitszylinder 6 können
auch unterschiedlich große Zylindervolumina aufweisen mit
Bezug auf das Zylindervolumen zwischen dem oberen Todpunkt und dem unteren
Todpunkt des Kompressionskolbens 5 bzw. des Arbeitskolbens 7.
Hier sind gleiche oder unterschiedliche Zylindergeometrien möglich.
Beispielsweise können Kolben 5, 7 mit
runder Querschnittsform mit Kolben 5, 7 mit ovaler
Querschnittsform kombiniert werden. Der dargestellte Verbrennungsmotor 1 kann
auch mit Turbo- oder Kompressoraufladung betrieben werden.
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Eine Änderung
des Zylindervolumens läßt sich auch durch eine Änderung
der Länge des Querpleuels 24 oder der Anordnung
der Drehachse 25 des Querpleuels 24 erreichen,
was eine Änderung des Hubs des Kompressionskolbens 5 zur
Folge hat.
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In
einer bestimmten nicht dargestellten symmetrischen Anordnung der
Kolben 5, 7 und der Anordnungen von Längsachse 2 der
Kurbelwelle und der Drehachse 25 des Querpleuels 24 ist
es grundsätzlich möglich, ein weiteres Pleuel,
das nicht im einzelnen dargestellt ist, an dem Kurbelarm 3 einerseits
und am zweiten Drehgelenk 26 andererseits anzulenken. Dadurch
kann eine Verbindung zwischen der Kurbelwelle, dem Querpleuel 24 und
der dritten Pleuelstange 27 erreicht werden. Das weitere
Pleuel muß nicht zwingend auf demselben Kurbelzapfen gelagert
sein wie die Pleuelstange 22.
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Die
Längenverhältnisse der Pleuelstangen 21, 22 und 27 sowie
des Querpleuels 24 sind nicht auf die in 1 dargestellten
Verhältnisse beschränkt.
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In
den 4 bis 6 sind alternative Ausführungsformen
von Verbrennungsmotoren 28 dargestellt, wobei die mit dem
in den 1 bis 3 dargestellten
und beschriebenen Verbrennungsmotor 1 übereinstimmenden
Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen worden sind. Nachfolgend
werden lediglich die Unterschiede zwischen den Verbrennungsmotoren 1 und 28 beschrieben.
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Der
Verbrennungsmotor 28 weist an der Stelle von Brennkammern
wenigstens zwei voneinander getrennte und den Kompressionszylinder 4 und
den Arbeitszylinder 6 miteinander verbindende Kompressionskammern 29, 30 auf,
die gemäß 5 gleich große
Volumina aufweisen können. Die Kompressionskammern 29, 30 sind
zum Verdichten von Luft oder zum Verdichten eines Kraftstoff-Luft-Gemisches vorgesehen,
wobei das Zünden und die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches
bei der in 4 dargestellten Ausführungsform
im Arbeitszylinder 6 erfolgen.
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Jede
Kompressionskammer 29, 30 ist über wenigstens
ein Kompressionskammer-Einlaßventil 31a, 31b mit
dem Kompressionszylinder 4 und über wenigstens
ein Kompressionskammer-Auslaßventil 32a, 32b mit
dem Arbeitszylinder 6 verbunden. Die Ventile 8, 31a, 31b, 32a, 32b, 9 sind
derart gesteuert, daß die Kompressionskammern 29, 30 abwechselnd für
eine Verdichtung ansteuerbar sind. Bei den in den 4 und 6 dargestellten
Verbrennungsmotoren 28 sind die Ventile 8, 31a, 31b, 32a, 32b, 9 im
wesentlichen parallel zur Längsachse des Arbeitszylinders 4 bzw.
des Kompressionszylinders 6 angeordnet. Bei der in 5 dargestellten
Ausführungsform sind die Kompressionskammer-Einlaßventile 31a, 31b und
die Kompressionskammer-Auslaßventile 32a, 32b senkrecht
zur jeweiligen Zylinderlängsachse angeordnet. Darüber
hinaus versteht sich, daß grundsätzlich auch mehr
als zwei Kompressionskammern 29, 30 vorgesehen
sein können. Es können Kompressionskammern mit
unterschiedlicher Größe vorgesehen sein, so wie
dies für die Brennkammern 10–13 in 2 dargestellt
ist.
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Die
Funktionsweise des in 4 dargestellten Verbrennungsmotors 28 wird
nachfolgend beschrieben. Die Luft wird durch die geöffneten
Einlaßventile 8 bei der Abwärtsbewegung
des Kompressionskolbens 5 in den Kompressionszylinder 4 eingesaugt.
Am unteren Todpunkt des Kompressionskolbens 5 schließen
die Einlaßventile 8 und das Kompressionskammer-Einlaßventil 31a der
ersten Kompressionskammer 29 öffnet. Bei der Aufwärtsbewegung
des Kompressionskolbens 5 wird die angesaugte Luft in die
erste Kompressionskammer 29, bei der das Kompressionskammer-Auslaßventil 32a geschlossen
ist, gedrückt. Wenn der Kompressionskolben 5 am
oberen Todpunkt angekommen ist, schließt das erste Kompressionskammer-Einlaßventil 31a. Der
Arbeitskolben 7 beginnt jetzt ungefähr den Weg nach
oben und drückt die entspannten Abgase aus den geöffneten
Auslaßventilen 9 durch den Auslaßkanal 19 in
den Auspuff.
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Der
Kompressionskolben 5 ist jetzt wieder ungefähr
am unteren Todpunkt im Kompressionszylinder 4 angekommen
und hat die Luft durch die geöffneten Einlaßventile 8 angesaugt.
Der Arbeitskolben 7 befindet sich nun kurz vor einer Stellung
bei 360° Kurbelwellenumdrehung.
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Wird
als Kraftstoff Diesel oder Bioöl eingesetzt, wird die verdichtete
Luft jetzt für die Verbrennung vorbereitet, indem sie aus
der ersten Kompressionskammer 29 durch das nun geöffnete
Kompressionskammer-Auslaßventil 32a in den Arbeitszylinder 6 geleitet
wird. Nach Schließen des Kompressionskammer-Auslaßventils 32a wird
Kraftstoff eingespritzt. Durch den hohen Druck wird der Kraftstoff
im Zylinder 6 durch Selbstzündung zur Verbrennung
gebracht. Wird als Kraftstoff Benzin, Gas, Wasserstoff oder Alkohol
eingesetzt, wird bei Direkteinspritzung die Luft für die
Verbrennung vorbereitet, indem sie durch das offene Kompressionskammer-Auslaßventil 32a in
den Arbeitszylinder 6 geleitet wird. Nach Schließen
des Kompressionskammer-Auslaßventils 32a wird
Kraftstoff durch eine Düse 33 eingespritzt und
anschließend mit einer Zündkerze 34 zur
Verbrennung gebracht.
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Die
Anreicherung der Luft kann auch im Saugrohr oder im Einlaßkanal 17 des
Zylinderkopfes geschehen. Nach der Anreicherung wird das in der ersten
Kompressionskammer 29 befindliche verdichtete Gemisch durch
das offene Kompressionskammer-Auslaßventil 32a in
den Arbeitszylinder 6 geleitet und nach Schließen
des Kompressionskammer-Auslaßventils 32a durch
Fremdzündung mittels Zündkerze 34 zur
Verbrennung gebracht. Die Anreicherung der Luft kann auch im Kompressionszylinder
durch die Düse 18 geschehen. Danach wird das in
der ersten Kompressionskammer 29 befindliche verdichte te Gemisch
wiederum durch das offene Kompressionskammer-Auslaßventil 32a in
den Arbeitszylinder 6 geleitet und nach Schließen
des Kompressionskammer-Auslaßventils 32a durch
Fremdzündung zur Verbrennung gebracht. Schließlich
kann die Anreicherung der Luft auch teilweise im Saugrohr oder Einlaßkanal 17 im
Zylinderkopf, im Kompressionszylinder 4 durch die Düse 18 und/oder
in der Kompressionskammer 29 durch die Düse 16 geschehen.
Es versteht sich, daß auch die zweite Kompressionskammer 30 eine
entsprechende Düse 16 aufweisen kann. Dann wird
wiederum das in der ersten Kompressionskammer 29 befindliche
verdichtete Gemisch durch das geöffnete Kompressionskammer-Auslaßventil 32a in
den Arbeitszylinder 6 geleitet und nach Schließen
des Kompressionskammer-Auslaßventils 32a durch
Fremdzündung zur Verbrennung gebracht.
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Der
Arbeitskolben 7 ist nach der Zündung wieder auf
dem Weg nach unten und drückt dadurch den im Kompressionszylinder 4 befindlichen
Kompressionskolben 5 mittels des Querpleuels 24 nach oben.
Der Kompressionskolben 5 drückt jetzt die Luft durch
das geöffnete Kompressionskammer-Einlaßventil 31b in
die zweite Kompressionskammer 30.
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Sobald
der Kompressionskolben 5 den oberen Todpunkt erreicht hat,
befindet sich der Arbeitskolben 7 ungefähr im
unteren Todpunkt, was dazu führt, daß das Brennkammer-Auslaßventil 32a schließt.
Als nächstes drückt der Arbeitskolben 7 das entspannte,
verbrannte Gemisch durch die geöffneten Auslaßventile 9 durch
den Auslaßkanal 19 des Zylinderkopfes in den Auspuff.
Gleichzeitig ist der Kompressionskolben 5 auf dem Weg zum
unteren Todpunkt und saugt durch die geöffneten Einlaßventile 8 Luft
an. Ist der Arbeitskolben 7 kurz vor der Stellung bei einer
360° Kurbelwellenumdrehung angekommen, werden die Auslaßventile 9 geschlossen und
der in der zweiten Kompressionskammer 30 befindliche Druck
wird durch das Kompressionskammer-Auslaßventil 32b in
den Arbeitszylinder 6 über dem Arbeitskolben 7 geleitet.
Jetzt wird wie zuvor beschrieben weiter verfahren, bezogen auf die
zweite Kompressionskammer 30.
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Bei
der Verwendung von Diesel oder Bioöl als Kraftstoff können,
müssen aber nicht zwingend, die Ventile 31a, 31b, 32a, 32b der
Kompressionskam mern 29, 30 im wesentlichen senkrecht
zu der jeweiligen Zylinderachse angeordnet sein.
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Bei
dem in 6 dargestellten Verbrennungsmotor 28 ist
ein vorzugsweise vasenförmiger Brennraum 35 im
Arbeitskolben 7 vorgesehen. Der Brennraum 35 ist
derart im Arbeitskolben 7 angeordnet und weist eine Querschnittsgeometrie
derart auf, daß die zur Verbrennung des Kraftstoffs aus
der jeweiligen Kompressionskammer 29, 30 ausströmende Luft
so in den Brennraum 35 geleitet wird, daß sich eine
Rotationsströmung bzw. ein Strudel der einströmenden
Luft ausbildet, in deren mittlerem Bereich anschließend
Kraftstoff eingespritzt wird. Dies erfordert eine entsprechende
Geometrie des Brennraums 35, der bei der dargestellten
Ausführungsform vorzugsweise vasenförmig ist.
Aus der jeweiligen Kompressionskammer 29, 30 trifft
die ausströmende Luft auf die innere Wandung 36 des
Brennraums 35 und wird dabei umgelenkt, so daß sich
eine rotierende Wandströmung im Brennraum 35 ergibt.
Es kommt also zu einem gerichteten Austreten der Luft aus der jeweiligen
Kompressionskammer 29, 30 in Richtung auf die
inneren Seitenwandflächen des Brennraums 35 im
oberen Bereich der Seitenwandflächen. Es versteht sich,
daß abweichend zu der in 6 schematisch
dargestellten Ausführungsform die Austrittsöffnung
der jeweiligen Kompressionskammer 29, 30 entsprechend
ausgerichtet sein kann auf den Brennraum 35 ausgerichtet
und eine entsprechend angepaßte Austrittsgeometrie aufweisen
kann.
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Im
Brennraum 35 des Kolbens 7 befinden sich nach
der Verbrennung des Kraftstoffs und dem Ausdrücken der
verbrannten Gase noch warme Restgase. Beim darauffolgenden Einströmen
der Frischgase aus der jeweiligen Kompressionskammer 29, 30 für
den nächsten Verbrennungsvorgang werden diese Restgase
abgekühlt. Diese Abkühlung wird durch die Ausbildung
einer Rotationsströmung an der inneren Wandung 36 des
Brennraums 35 verlangsamt. Insbesondere bei Betrieb des
Verbrennungsmotors 28 mit Dieselkraftstoff werden bei der Verbrennung
die für die Verbrennung nicht benötigten kälteren
Luft-/Gasmassen durch die ausgebildete Rotationsströmung
nach außen gedrückt und verhindern so ein schnelles
Abkühlen der Gase bzw. des verbrannten Gemisches am Arbeitskolben 7.
Die für die Verbrennung nicht benötigten kälteren
Luft-/Gasmassen bilden dabei an der inneren Wandung 36 des Brennraums 35 ein
Luftpolster aus, das isolierend wirkt. Dadurch wird der Druckabbau
im Arbeitszylinder 6 verringert. Es versteht sich, daß der
Brennraum 35 lediglich schematisch in 6 dargestellt
ist. Der Brennraum 35 kann auch weiter benachbart zur Austrittsöffnung
der Kompressionskammer 29, 30 angeordnet sein.
Grundsätzlich könnte der Brennraum 35 auch
eine andere Querschnittsform aufweisen, die die Ausbildung einer
Rotationsströmung an der inneren Wandung 36 des
Brennraums 35 begünstigt. Zudem können
mehrere Brennräume 35 vorgesehen sein, wobei jeder
Brennraum 35 einer bestimmten Kompressionskammer 29, 30 räumlich
zugeordnet ist.
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In 7 ist
eine fünfte Ausführungsform eines Verbrennungsmotors 28 dargestellt,
die im wesentlichen der in 6 dargestellten
Ausführungsform entspricht, allerdings bei gespiegelter
Anordnung von Kompressionskolben 5 und Arbeitskolben 7,
was eine andere Anordnung der Pleuel zur kinematischen Kopplung
der Kolben 5, 7 bedingt.
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In
den 8 bis 10 sind weitere Ausführungsformen
von Verbrennungsmotoren 28 dargestellt, wobei der Arbeitskolben 7 über
ein mehrteiliges Knickpleuel 20 mit der Kurbelwelle gelenkig
verbunden ist. Das Knickpleuel 20 weist wiederum jeweils zwei
Pleuelstangen 21, 22 auf, wobei die Pleuelstangen 21, 22 endseitig über
wenigstens ein erstes Drehgelenk 23 miteinander verbunden
sind. Das andere Ende einer ersten Pleuelstange 21 ist
gelenkig mit dem Arbeitskolben 7 und das andere Ende einer zweiten
Pleuelstange 22 gelenkig mit zwei Hubzapfen 37 verbunden,
die die zweite Pleuelstange 22 aufnehmen und im Betrieb
eine Kreisbahn um die Drehachse der Kurbelwelle beschreiben. Die
Hubzapfen 37 sind mit einem Wellenzapfen 38 der
Kurbelwelle verbunden.
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Im
Bereich des ersten Drehgelenkes 23 sind gemäß 8 zwei
parallel und beabstandet voneinander angeordnete Pleuelstangen 39, 40 endseitig an
den Pleuelstangen 21, 22 angelenkt. Die Pleuelstangen 39, 40 sind
in der Art einer Wippe um eine Drehachse 25 schwenkbar
gelagert. Die Pleuelstangen 39, 40 bilden bei
den in 8 und 9 dargestellten Ausführungsformen
ein Querpleuel, über das die Bewegungen von Arbeitskolben 7 und
Kompressionskolben 5 gekoppelt sind.
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An
dem anderen Ende ist jede Pleuelstange 39, 40 über
wenigstens ein zweites Drehgelenk 26 mit einer dritten
Pleuelstange 27 gelenkig verbunden. Die dritte Pleuelstange 27 ist
jeweils mit dem Kompressionskolben 5 gelenkig verbunden.
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Wie
sich aus den 8 und 9 ergibt, kann
der Abstand zwischen den Pleuelstangen 39, 40 derart
groß gewählt sein, daß ein Durchschwingen der
Hubzapfen 37 möglich ist. Dadurch läßt
sich die Drehachse 25 näher zur Drehachse der
Kurbelwelle anordnen, was sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad bei
der Kraftstoffverbrennung auswirkt und eine geringere Bauhöhe
bedingt.
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Bei
der in 9 dargestellten Ausführungsform ist die
zweite Pleuelstange 22 über ein zweites Drehgelenk 41 mit
den Pleuelstangen 39, 40 gelenkig verbunden. Die
erste Pleuelstange 21 ist über das erste Drehgelenk 23 mit
den Pleuelstangen 39, 40 verbunden. Die Pleuelstangen 21, 22 müssen
somit nicht zwingend über ein gemeinsames Drehgelenk mit
dem Querpleuel verbunden sein, was auch für die zuvor beschriebenen
Ausführungsformen von Verbrennungsmotoren 1, 28 gelten
kann.
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Bei
der in 10 dargestellten Ausführungsform
weist das Querpleuel 24 einen mit einer dritten Pleuelstange 27 gelenkig
verbundenen ersten Wippenarm 42 auf, der sich bis zur Drehachse 25 erstreckt.
Am anderen Ende weist das Querpleuel 24 zwei parallel zueinander
angeordnete Schenkel 43, 44 auf, die an den Enden
die beiden Pleuelstangen 21, 22 aufnehmen und
gelenkig mit den Pleuelstangen 21, 22 verbunden
sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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