DE102010007749B4

DE102010007749B4 - Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine sowie Hubkolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010007749B4
Application number: DE201010007749
Authority: DE
Inventors: Dr. Ing. Kreuter Peter; Dr. Ing. Reinicke-Murmann Joachim; Dominik Pennings; Dipl.-Ing. Bey Ralf
Original assignee: Meta Motoren und Energie Technik GmbH
Current assignee: Meta Motoren und Energie Technik GmbH
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2012-03-22
Anticipated expiration: 2030-02-13
Also published as: DE102010007749A1

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, enthält die folgenden Schritte: Füllen einer Verdichterkammer (32) mit Frischladung unter Volumenvergrößerung der Verdichterkammer; Verdichten der Frischladung unter Volumenverkleinerung der Verdichterkammer; Überschieben der verdichteten Frischluft in eine Brennkammer (28); Verbrennen der in der Brennkammer befindlichen verdichteten Frischladung; Überströmen der zumindest teilweise verbrannten Frischladung in eine Arbeitskammer (36); Expandieren der in die Arbeitskammer übergeströmten und verbrannten Frischladung unter Volumenvergrößerung der Arbeitskammer unter Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit und Ausschieben der verbrannten Frischladung unter Volumenverkleinerung der Arbeitskammer.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine sowie eine entsprechend dem Verfahren arbeitende Hubkolbenbrennkraftmaschine.
Bei herkömmlichen, nach dem Viertakt-Verfahren arbeitenden Hubkolbenbrennkraftmaschinen findet der Arbeitsprozess innerhalb einer sich periodisch in ihrem Volumen ändernden Arbeitskammer statt. Die Volumenänderung während des Kompressionstaktes entspricht normalerweise der Volumenänderung während des Expansionstaktes. Aus thermodynamischer Sicht ist ein Prozess vorteilhaft, bei dem während der Expansion eine stärkere Volumenzunahme stattfindet als während der Kompression. Dies kann bei Hubkolbenmotoren durch eine Begrenzung der Füllung des Ansaugvolumens mittels des „Miller” oder des „Atkinson” Verfahrens erreicht werden. Hierbei wird eine Leistungsverminderung in Kauf genommen, da nicht die gesamte angesaugte Luftmenge zur Leistungserzeugung verwendet wird.
Eine weitere Eigenart herkömmlicher Hubkolbenbrennkraftmaschinen liegt darin, dass die Temperatur der Wand der Arbeitskammer nicht auf einen für einen jeweiligen Prozessschritt vorteilhaften Wert eingestellt werden kann. Weiterhin werden alle Takte mit denselben Bauteilen durchgeführt, deren Dimensionierung sich deshalb nach der maximal auftretenden Belastung richtet.
Ein Ansatz, die vorstehenden Probleme zu entschärfen, sind Hubkolbenbrennkraftmaschinen, bei denen der Prozess auf mehrere Arbeitsräume aufgeteilt wird. Ein Beispiel einer solchen Hubkolbenbrennkraftmaschine ist in der DE 10 2008 026 291 A1 beschrieben. Bei dieser Brennkraftmaschine wird Frischluft oder Frischladung in einem Verdichterzylinder verdichtet und in einen Überströmzylinder übergeschoben. Aus dem Überströmzylinder wird die verdichtete Frischluft bzw. Frischladung mittels eines Überströmkolbens vollständig in einen Arbeitszylinder ausgeschoben, in dem die Verbrennung stattfindet und die Verbrennungsenergie in Bewegungsenergie eines im Arbeitszylinder arbeitenden Arbeitskolbens umgewandelt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mit geringem Bauaufwand durchführbares Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zu schaffen, das bei hohem Wirkungsgrad einen geringen Schadstoffgehalt der Abgase ermöglicht. Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, eine Hubkolbenbrennkraftmaschine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu schaffen.
Der auf das Verfahren gerichtete Teil der Erfindungsaufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das Verfahren gemäß dem Anspruch 1 wird mit den Merkmalen des Anspruchs 2 in vorteilhafter Weise weitergebildet.
Der Anspruch 3 ist auf eine Hubkolbenbrennkraftmaschine zur Lösung des diesbezüglichen Teils der Erfindungsaufgabe gerichtet.
Die auf den Anspruch 3 rückbezogenen Unteransprüche kennzeichnen vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschine.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
In den Zeichnungen stellen dar:
1 eine perspektivische Ansicht von mit Ausnahme eines eine Brennkammer begrenzenden Bauteils beweglichen Teilen einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
2 bis 6 schematische Schnittansichten der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in verschiedenen Betriebsphasen,
7 eine der 1 entsprechende Ansicht einer abgeänderten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
8 einen Schnitt durch einen Brennkammerkolben der Brennkraftmaschine gemäß 7,
9 bis 17 schematische Schnittansichten der Brennkraftmaschine gemäß 7 in verschiedenen Betriebszuständen,
18 eine perspektivische Ansicht eines Dichtleistensystems,
19 schematisch einen Querschnitt und eine Aufsicht auf eine abgeänderte Form einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
20 einen Schnitt durch die Maschine gemäß 19 in der Ebene A-A der 19,
21 und 22 den 19 und 20 entsprechende Ansichten einer abgeänderten Ausführungsform der Brennkraftmaschine gemäß 19 und 20.
Gemäß 1 weist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine eine Kurbelwelle 10 auf, deren Kurbeln über Pleuel mit einem Verdichterkolben 12, einem Arbeitskolben 14, einem Überschiebsteuerschieber 16 und einem Überströmsteuerschieber 18 verbunden sind. Im dargestellten Beispiel weisen die Kolben und die Steuerschieber senkrecht zu ihrer Bewegbarkeitsrichtung jeweils einen rechteckigen Querschnitt auf. Der Arbeitskolben 14 ist in Kurbelwellenlängsrichtung verhältnismäßig lang und über zwei Pleuel mit zwei Kurbeln der Kurbelwelle 10 verbunden.
2 zeigt die Anordnung gemäß 1 in Seitenansicht bei teilweise geöffnetem Motorgehäuse, das einen Verdichterzylinder 24 und ein Arbeitszylinder 26 bildet, zwischen denen eine Brennkammer 28 angeordnet ist.
In dem Verdichterzylinder 24 arbeitet der Verdichterkolben 12 und begrenzt eine zwischen ihm und einem Zylinderkopf 30 ausgebildete Verdichterkammer 32. Das oder die Einlassventile 20 öffnen bzw. schließen in die Verdichterkammer 32 führende Einlasskanäle 34.
In ähnlicher Weise arbeitet im Arbeitszylinder der Arbeitskolben 14 unter Bildung einer Arbeitskammer 36. Das oder die Auslassventile 32 öffnen oder schließen einen oder mehrere Auslasskanäle 38.
Die motorgehäusefest ausgebildete Brennkammer 28 ist durch einen Überschubdurchlass 40 hindurch mit der Verdichterkammer 32 verbunden. Der Überschubdurchlass 40 ist vorzugsweise als ein senkrecht zur Bewegungsrichtung des Verdichterkolbens 12 gerichteter Schlitz in einer Trennwand 42 ausgebildet, die den Verdichterzylinder 24 gemäß 1 nach rechts hin begrenzt.
In ähnlicher Weise ist die Brennkammer 28 mit der Arbeitskammer 36 durch einen Überströmdurchlass 44 verbunden, der als zur Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens 14 senkrecht gerichteter Schlitz in der gemäß 1 linksseitigen Trennwand 46 des Arbeitszylinders 26 ausgebildet ist.
Der Überschubdurchlass 40 und der Überströmdurchlass 44 gehen jeweils vom obersten Bereich der zugehörigen Kammer aus.
Entsprechend der Querschnittsform der Kolben sind die Trennwände 42 und 46 zumindest in dem Bereich des Kolbenhubs entsprechend der Kontur der Kolben eben ausgebildet. Auch die von der jeweiligen Kammer abgewandten Seiten der Trennwände 42 und 46 sind eben ausgebildet und bilden Führungsflächen für den Überschubsteuerschieber 16 bzw. den Überströmsteuerschieber 18. Die Schieber 16 bzw. 18 sind derart ausgebildet, dass sie im Bereich ihrer unteren Totpunkte den jeweiligen Durchlass 40 bzw. 44 freigeben und ihn ansonsten überdecken, so dass die Verdichterkammer 32 bzw. die Arbeitskammer 36 von der Brennkammer 28 getrennt ist.
Die Brennkammer 28 ist zwischen dem Zylinderkopf 30 und einem starr mit dem Zylinderkopf 30 bzw. dem Motorgehäuse verbundenen Bauteil 48 ausgebildet. An dem Bauteil 48 sind seitliche Führungsflächen zur Führung der Bewegung der Steuerschieber 16 und 18 ausgebildet. Wie aus 1 ersichtlich, sind die zumindest im Bereich ihrer Führungen vorteilhafterweise als Flachteile ausgebildeten Steuerschieber durch die Führungsflächen weitgehend abgestützt, so dass die Steuerschieber mit geringer Dicke und entsprechend gewichtsgünstig ausgebildet sein können. Auch die Trennwände 42 und 46 sind verhältnismäßig dünnwandig, so dass die infolge der Durchlässe 40 und 44 vorhandenen Totvolumina der jeweiligen Kammern 32 bzw. 36 klein sind.
Im Folgenden wird die Funktion der Brennkraftmaschine anhand der 2 bis 6 beschrieben.
Gemäß 2 ist das Einlassventil 20 offen und der Verdichterkolben 12 bewegt sich unter Ansaugen von Frischladung (Frischluft oder bereits mit Kraftstoff versetzte Frischluft) von seinem OT zu seinem UT. Der Überschubdurchlass 40 wird vom Überschubsteuerschieber 16 verschlossen. Der Überströmdurchlass 44 ist infolge des im Bereich seines UT befindlichen Überströmsteuerschiebers 18 offen. Das Auslassventil 22 ist geschlossen.
In 3 hat der Verdichterkolben 12 seinen UT erreicht, und hat das Einlassventil 20 geschlossen. Der Überschubsteuerschieber 16, der zusammen mit dem Überschubdurchlass 40 ein Schieberventil bildet, hat sich nach unten bewegt und gibt den Überschubdurchlass 40 frei, so dass in der Verdichterkammer 32 befindliche Frischladung verdichtet und in die Brennkammer 28 übergeschoben wird. Der Überströmsteuerschieber 18 hat sich nach oben bewegt und verschließt den Überströmdurchlass 44. Der Arbeitskolben 14 hat sich in seinen UT bewegt und schiebt bei seiner anschließenden Aufwärtsbewegung den Inhalt der Arbeitskammer 36 bei geöffnetem Auslassventil 22 nach außen.
Gemäß 4 befindet sich der Verdichterkolben 12 in seinem OT, so dass das Volumen der Verdichterkammer 32 bei geschlossenem Einlassventil 20 annähernd Null ist und die gesamte Frischladung in die Brennkammer 28 bei zunächst noch offenem Überschubdurchlass 40 in die Brennkammer 28 übergeschoben ist. In der Darstellung der 4 hat sich der Überschubsteuerschieber 16 so weit nach oben bewegt, dass er den Überschubdurchlass 40 verschließt. Der Überströmsteuerschieber 18 hat sich erst so weit nach unten bewegt, dass er den Überströmdurchlass 44 weiterhin verschließt. Der Arbeitskolben 14 befindet sich im Bereich seines OT bei minimalem Volumen der Arbeitskammer 36 (annähernd Null) und bereits geschlossenem Auslassventil 22.
Im Zustand der 4 verbrennt die in der Brennkammer 28 befindliche, hochverdichtete Ladung nach Fremdzündung oder Selbstzündung vorzugsweise annähernd vollständig, bevor gemäß 5 der Überströmsteuerschieber 18 den Überströmdurchlass 44 freigibt und die zumindest teilweise verbrannte Ladung in die Arbeitskammer 36 überströmt und unter Abwärtsbewegung des Arbeitskolbens 14 und Umwandlung der thermischen Verbrennungsenergie in Bewegungsenergie des Arbeitskolbens 14 expandiert. Der Überschubsteuerschieber 16 bewegt sich in seinen OT. Der Verdichterkolben 12 beginnt bei offenem Einlassventil 20 seine Abwärtsbewegung unter erneuter Befüllung der Verdichterkammer 12.
6 zeigt die Brennkraftmaschine bei annähernd im UT befindlichen Verdichterkolben 12, noch offenem Einlassventil 20, offenen Schieberventilen bzw. offenem Überschubdurchlass 40 und offenem Überströmdurchlass 44, im UT befindlichen Arbeitskolben 14 und gerade öffnendem Auslassventil 22.
Im Anschluss an die Stellungen gemäß 6 bewegt sich der Arbeitskolben 14 zum Ausstoßen der verbrannten Ladung aufwärts, werden das Einlassventil 20 sowie der Überströmsteuerschieber 18 geschlossen, so dass bei der anschließenden Aufwärtsbewegung des Verdichterkolbens 12 Frischladung in die Brennkammer 28 übergeschoben wird und der Zustand der 2 wieder erreicht wird.
Dadurch, dass das Auslassventil bei der Bewegung des Arbeitskolbens 14 vom UT zum OT in geeigneter Weise vor dem OT geschlossen wird, kann ein Teil des Abgases verdichtet werden, so dass bei Öffnung des Überstromschiebers 18 (4) nur eine geringe Druckdifferenz zwischen der Brennkammer 28 und der Arbeitskammer 36 herrscht und das Überströmen mit moderaten Strömungsgeschwindigkeiten erfolgt. Um Wärmeverluste zu minimieren und eine möglichst isochore Verbrennung zu erreichen, wird eine möglichst vollständige Verbrennung in der Brennkammer angestrebt.
Bei der beschriebenen dreistufig (Verdichtung, Verbrennung, Expansion) aufgebauten Brennkraftmaschine verläuft das Ansaugen und Verdichten der angesaugten Frischladung thermodynamisch günstig in dem kühlen Verdichterzylinder 24. Mit Beginn des Verdichtungshubs des Verdichterkolbens 12 beginnt das Überschieben der Frischladung in die Brennkammer 28 bei von der Arbeitskammer 36 abgetrennter Brennkammer 28. Sobald die Frischladung in die Brennkammer 28 übergeschoben ist, wird die Ladung dort gezündet oder verbrennt infolge der hohen erreichten Verdichtung selbsttätig, wobei die Brennkammer 28 von der Verdichterkammer 32 und der Arbeitskammer 36 getrennt ist, so dass die Verbrennung bei weitgehend konstantem Volumen der Brennkammer 28 erfolgt. Das Volumen der Brennkammer 28 wird durch die während der Verbrennung erfolgende geringfügige Bewegung der Steuerschieber kaum verändert. Nach oder noch während der Verbrennung öffnet der Überströmsteuerschieber 18 den Überströmdurchlass 44, so dass die verbrannte oder noch verbrennende Ladung zu ihrer Expansion in die Arbeitskammer 36 überströmt.
Das oder die Einlassventile 20 und das oder die Auslassventile 22 können in an sich bekannter Weise von einer Nockenwelle betätigt werden, die drehfest, gegebenenfalls unter Zwischenanordnung eines Phasenstellers, mit der Kurbelwelle verbunden ist. Die Kurbeln bzw. Kröpfungen der Kurbelwelle sind derart angeordnet, dass die Hubbewegungen der Kolben und der Steuerschieber wie beschrieben aufeinander abgestimmt sind. Die Steuerschieber können anstelle von der Kurbelwelle ebenfalls über Nocken von einer Nockenwelle betätigt werden, um einen zweckentsprechenden Hubverlauf zu erzielen. Dadurch, dass die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine im Zweitaktverfahren arbeitet, können in vorteilhafter Weise alle Ladungswechselorgane z. B. über Hebelmechanismen direkt von an der Kurbelwelle angebrachten Nocken betätigt werden. An Stelle von Nocken können Excenter verwendet werden, die die Ventile über einen Kurbeltrieb mittels Rampen betätigen.
Das Verdichtungsverhältnis ist durch das Verhältnis des maximalen Volumens der Verdichterkammer 32 zum Volumen der Brennkammer 28 gegeben. Das Expansionsverhältnis ist durch das Verhältnis zwischen dem maximalen Volumen der Arbeitskammer 36 und dem Volumen der Brennkammer 28 gegeben und ist vorteilhafterweise größer als das Verdichtungsverhältnis.
Der angesaugten Frischluft kann flüssiger Kraftstoff (Benzin oder Diesel) oder gasförmiger Kraftstoff stromoberhalb des Einlassventils 20, in der Verdichterkammer 32 oder erst in der Brennkammer 28 zugesetzt werden. Bei Fremdzündung ist in der Brennkammer 28 beispielsweise eine Zündkerze angeordnet. Das Verdichtungsverhältnis kann verändert werden, indem beispielsweise die Brennkammer an einen Kolben angrenzt, mittels dessen das Volumen der Brennkammer zur Einstellung eines vorbestimmten Verhältnisses verändert werden kann.
Die Querschnitte insbesondere der Kolben 12 und 14 müssen nicht rechteckig sein, sondern können auch oval oder sogar kreisförmig sein, wobei die Trennwände und die Steuerschieber dann zweckentsprechend gestaltet werden, so dass eine einwandfreie Führung gewährleistet ist und insbesondere der Durchlass 40 ein möglichst geringes Totvolumen bedingt. Die Schieber sind vorteilhaft derart auf die Durchlässe abgestimmt, dass die durch beide geschaffenen Schieberventile möglichst große Durchlassquerschnitte über lange Zeiträume aufweisen, insbesondere der Überströmdurchlass 44 während möglichst der gesamten Bewegung des Arbeitskolbens 14 vom OT zum UT offen ist.
Die Steuerschieber 16 und 18 weisen vorteilhafterweise jeweils zwei Dichtsysteme 50 und 52 (5) auf, wobei beide Dichtsysteme vollständig um den jeweiligen Schieber umlaufen und das gemäß 5 obere Dichtsystem den jeweiligen Durchlass bei der Hubbewegung des Schiebers überfährt und das jeweilige untere Dichtsystem ständig unterhalb des Durchlasses bleibt. Die Dichtsysteme können alternativ im Motorgehäuse angeordnet sein.
Anhand der 7 bis 17 wird eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine beschrieben, wobei für denen der 1 und 2 entsprechende Teile gleiche Bezugszeichen verwendet werden und nur die geänderten Teile beschrieben werden.
Im Unterschied zur bisher beschriebenen Ausführungsform ist die Brennkammer in der weiteren Ausführungsform nicht stationär, sondern innerhalb eines Brennkammerkolbens 60 ausgebildet, der mit der Kurbelwelle 10 über einen Pleuel verbunden ist und die Steuerschieber 16 und 18 ersetzt.
Gemäß 8, die einen vergrößerten Querschnitt durch den Brennkammerkolben 60 zeigt, enthält der Brennkammerkolben 60 die Brennkammer 28, die einen gemäß 8 zur linken Außenseite des Brennkammerkolbens 60 geführten Überschubkanal 62 und einen zur rechten Seite der Brennkammer 60 geführten Überströmkanal 64 aufweist. Auf weitere in 8 sichtbare Einzelheiten des in seinem Querschnitt rechteckigen Brennkammerkolbens 60 wird weiter unten eingegangen.
9 zeigt den in die Brennkraftmaschine eingebauten Überströmkolben 60 zwischen den mit den Durchlässen 40 bzw. 44 ausgebildeten Trennwänden 42 und 46. Wie ersichtlich, übernimmt der Brennkammerkolben 60 die Funktion der Schieber, indem die gemäß 9 linksseitige Öffnung des Überschubkanals 62 zeitweilig den Überschubdurchlass 40 überdeckt und die rechtsseitige Öffnung des Überströmkanals 64 zeitweilig den Überströmdurchlass 44 überdeckt. Durch zweckentsprechende Abstimmung der relativen Lagen der Durchlässe 40 und 44 sowie der Kanäle 62 und 64 und der Hubbewegung des Brennkammerkolbens 60 werden funktional ähnliche Betriebszustände erreicht, wie sie vorstehend erläutert wurden:
9: Ansaugen von Frischladung in die Verdichterkammer 32, Überströmen der verbrannten Ladung aus der Brennkammer 28 in die Arbeitskammer 36 bei offenem, durch den Überströmdurchlass 44 und den Überströmkanal 64 gebildeten Überströmschieberventil;
10: Verdichten der Frischladung und Überschieben in die Brennkammer 29 bei offenem Überschubschieberventil 40, 62 und geschlossenem Überströmschieberventil 44, 64;
11: Fortdauer des Überschiebens;
12: Fortdauer des Überschiebens und Ausschieben der verbrannten Ladung aus der Arbeitskammer 36 bei offenem Auslassventil 22;
13: Ende des Überschiebens bei sich schließendem Überschiebesteuerventil und Ende des Ausschiebens bei noch offenem Auslassventil und Beginn der Verbrennung der in der Brennkammer befindlichen, verdichteten Frischladung bei noch offenem Auslassventil;
14: Zumindest teilweises Verbrennen der in der Brennkammer 28 befindlichen Frischladung bei geschlossenem Einlassventil, geschlossenem Überschubschieberventil und geschlossenem Überströmschieberventil sowie noch geschlossenem Auslassventil 22.
15: Beginn des Überströmens der verbrannten Ladung aus der Brennkammer 28 in die Arbeitskammer 36 sowie Beginn des Ansaugens von Frischladung in die Verdichterkammer 32.
16: Andauern der Vorgänge gemäß 15.
17: Andauern der Befüllung der Verdichterkammer 32 mit Frischladung und Fortdauer des Überströmens verbrannter Ladung aus der Brennkammer 28 in die Arbeitskammer. An den Zustand der 17 schließt sich der Zustand der 9 an, so dass der Zyklus erneut beginnt.
Vorteilhaft ist, wenn die Verbindung zwischen der Verdichterkammer 32 und der Brennkammer 28 möglichst während des gesamten Verdichtungshubs des Verdichterkolbens 12 offen ist und die Verbindung zwischen der Brennkammer 28 und der Arbeitskammer 36 möglichst während der gesamten Abwärtsbewegung des Verdichterkolbens 14 offen ist. Damit für die Verbrennung bei geschlossener Brennkammer 28 ausreichend Zeit ist, eilt der Arbeitskolben 14 dem Verdichterkolben 12 vorteilhaft um einige Grad Kurbelwinkel nach, beispielsweise zwischen 5° und 40°.
Die Temperaturen in den einzelnen Bereichen der Brennkraftmaschine können aufgrund thermodynamischer Zweckmäßigkeiten vorteilhaft eingestellt werden, indem beispielsweise die Brennkraftmaschine auch im Bereich des Verdichterzylinders gekühlt wird und die Brennkammer und/oder die Expansions- bzw. Arbeitskammer thermisch möglichst isoliert ist und aus hochtemperaturfesten Werkstoffen besteht.
Um den Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine weiter zu erhöhen, können die Wärmeverluste der Brennkammer genutzt werden, um zusätzlich mechanische Leistung zu erzeugen. Hierzu ist gemäß 8 die Brennkammer 28 zumindest teilweise von einem Kühlvolumen 72 umgeben, das über einen Zufuhrkanal 74 mit der gemäß 8 linken Seite des Brennkammerkolbens 60 verbunden ist und über einen Abfuhrkanal 76 mit der rechten Seite des Brennkammerkolbens verbunden ist. Der Einlass in den Zufuhrkanal liegt etwas oberhalb des Einlasses des Überschubkanals 62. Der Auslass aus dem Abfuhrkanal 76 ist etwas unterhalb des Auslasses des Überströmkanals 64 angeordnet. Mit der beschriebenen Anordnung wird erreicht, dass das Kühlvolumen während zumindest eines Teils der Verdichtungsphase mit der Verdichterkammer 12 verbunden wird und die verdichtete Frischladung einströmt (Zustand gemäß 11). Vor dem Ende der Verdichtungsphase (12) wird das Kühlvolumen von der Verdichterkammer getrennt. Infolge der hohen Wandtemperatur der Brennkammer 28 und des geringen Abstandes zwischen dem Kühlvolumen und der Brennkammer erhöht sich die Temperatur der im Kühlvolumen 72 enthaltenen Frischladung während der Verweilzeit stark, wodurch der Druck im Kühlvolumen erheblich zunimmt, jedoch unter dem in der Brennkammer 28 herrschenden Druck bleibt. Nachdem das verbrannte Gas in der Arbeitskammer expandiert, wird das Kühlvolumen über den Abfuhrkanal mit der Arbeitskammer verbunden (16) und strömt unter Expansion, d. h. Arbeitsabgabe an den Arbeitskolben, in die Arbeitskammer aus. Die vorbeschriebene Art der Kühlung der Brennkammer mittels des sie umgebenden Kühlvolumens wird bevorzugt in Ausführungsformen der Brennkraftmaschine eingesetzt, bei der der Kraftstoff direkt in die Brennkammer eingespritzt wird. Bei dem geschilderten Nebenprozess zur Wirkungsgradsteigerung wird der Verdichterkammer während der Verdichtungsphase Frischladung entnommen, dieser Frischladung wird bei von der Verdichterkammer und der Arbeitskammer abgetrennter Brennkammer aus der Brennkammer isochor Wärme zugeführt. Die auf diese Weise erhitzte und unter hohem Druck stehende, in dem Kühlvolumen befindliche Frischladung strömt anschließend in die Arbeitskammer über und gibt dort mechanische Arbeit ab.
Das geschilderte Verfahren kann auch bei der Ausführungsform der Brennkraftmaschine gemäß 1 und 2 angewendet werden kann.
18 zeigt ein Dichtleistensystem, wie es vorteilhafterweise um den Umfang eines mit rechteckigem Querschnitt ausgebildeten Kolbens oder Steuerschiebers umlaufend als Dichtsystem 50 oder 52 (5) verwendet werden kann. Das Dichtleistensystem wird in eine umlaufende Nut des jeweiligen Bauteils eingesetzt und befindet sich im montierten Zustand in einer Ebene, die senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens oder Steuerschiebers gerichtet ist. Das Dichtleistensystem ist im dargestellten Beispiel aus zwei jeweils um 90° abgebogenen Dichtleisten 82 und 84 zusammengesetzt, die zwei diagonal gegenüberliegende Ecken des jeweiligen Bauteils umfassen und die an ihren Endbereichen abgeflacht sind, wobei über den abgeflachten Bereichen Eckstücke 86 und 88 angeordnet werden. Mit der beschriebenen Konstruktion werden Wärmeausdehnungen, Fertigungstoleranzen und Verformungen infolge mechanischer Belastungen ausgeglichen. Es versteht sich, dass auch andere Aufteilungen des Dichtleistensystems möglich sind, beispielsweise längs jeder Seite eine eigene Dichtleiste angeordnet ist und an jeder Ecke ein Eckstück angeordnet ist.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen der Brennkraftmaschine waren die Kolben für eine zweckentsprechende Ausbildung der Schieberventile nicht kreisrund sondern oval oder rechteckig.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Brennkraftmaschine erläutert, bei der der Verdichterzylinder und der Arbeitszylinder sowie der Verdichterkolben und der Arbeitskolben mit kreisrundem Querschnitt ausgebildet sein können.
19 zeigt einen Schnitt durch Teile einer solchen Brennkraftmaschine, geschnitten parallel zur Kurbelwelle. 20 zeigt einen Schnitt durch die Brennkraftmaschine, geschnitten in der Ebene A-A der 19. Der untere Teil der 19 zeigt eine Aufsicht auf die Zylinder.
Gemäß den Figuren weist die Brennkraftmaschine einen Verdichterzylinder 24 und einen durch eine Trennwand 90 von dem Verdichterzylinder 24 getrennten Arbeitszylinder 26 auf. In dem Verdichterzylinder arbeitet ein Verdichterkolben 12. Im Arbeitszylinder 26 arbeitet ein Arbeitskolben 14. Die Kolben sind über Pleuel 90 und 92 mit einer gemeinsamen Kurbelwelle (nicht dargestellt) verbunden. An dem Zylinderkopf 30 der Brennkraftmaschine ist ein Verbindungsrohr 96 starr befestigt oder in diesen integriert, in dem in gegenseitigem konstanten Abstand zwei Kolben 98 eines Kolbenbauteils 100 hin und her beweglich sind, die mittels einer Brücke 102 starr verbunden sind.
Die Verdichterkammer 32 ist mit dem Inneren des Verbindungsrohres 90 über einen Überschubdurchlass 40 verbunden. Die Arbeitskammer 36 ist mit dem Inneren des Verbindungsrohres 96 über einen Überströmdurchlass 44 verbunden. Der Verdichterkolben 12 und der Arbeitskolben 14 sind jeweils mit Ansätzen versehen, die im oberen Totpunkt der Kolben in den jeweiligen Durchlass zur Verminderung von Totvolumina einragen.
Der Abstand zwischen den Kolben 98 ist derart, dass, wie dargestellt, beide Kolben gleichzeitig je einen der Durchlässe 40 und 44 überdecken bzw. verschließen. Wie im unteren Teil der 19 dargestellt, befinden sich die Durchlasse 40 und 44 seitlich neben den Einlassventilen 20 und Auslassventilen 22.
Durch zweckentsprechende Betätigung der Brücke 102, beispielsweise mittels einer von der Kurbelwelle angetriebenen Nockenwelle und Ausbildung der Kolben bzw. von deren Abstand lässt sich das Kolbenbauteil 100 derart bewegen, dass in seiner gemäß 19 nach links verschobenen Stellung nur der Überschubdurchlass 40 freigegeben ist und in seiner nach rechts verschobenen Stellung nur der Überströmdurchlass 44 freigegeben ist. Der Raum zwischen den Kolben 98 übernimmt somit die Funktion einer Brennkammer 28 so dass die Brennkraftmaschine gemäß den 19 und 20 in gleicher Weise funktioniert wie die vorbeschriebenen Ausführungsformen.
Die Ausführungsform der Brennkraftmaschine gemäß 21 und 22 unterscheidet sich von der der 19 und 20 darin, dass die Brücke 102 mit Betätigungsansätzen 104 und 106 versehen ist, die über Führungsflächen Kipphebel 108 und 110 betätigen, die wiederum die Einlassventile 20 bzw. die Auslassventile 22 betätigen. Auf diese Weise kann ein eigener Nockentrieb für die Einlass- und Auslassventile eingespart werden und muss lediglich die Brücke 102 bzw. das Kolbenbauteil 100 in geeigneter Weise betätigt werden.
Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, arbeiten die drei hintereinander angeordneten Kammern im Zweitakt periodisch über jeweils 360° Kurbelwinkel. Dabei erfolgt beispielsweise die Bewegung des Arbeitskolbens 14 um soviel Grad nach der Bewegung des Verdichterkolbens 12, wie die Verbrennung in der Brennkammer 28 andauert. Wenn die isochore Verbrennung in der Brennkammer 28 beispielsweise über 30° Kurbelwinkel andauert, erreicht der Arbeitskolben 14 seinen UT 30° Kurbelwinkel später als der Verdichterkolben 12.
Die beispielhaft beschriebene Brennkraftmaschine kann vielfältig abgeändert werden. Die Ventile bzw. Steuerschieber müssen nicht zwangsläufig über Mechanismen von der Kurbelwelle her betätigt werden, sondern können mittels eigener Aktoren betätigt werden, um bezüglich der Steuerzeiten maximale Freiheit zu erlangen. Eine Brennkraftmaschine kann insgesamt aus mehreren der beispielhaft beschriebenen Doppelzylindereinheiten zusammengesetzt sein, wobei V-Anordnungen, Reihenanordnungen, Sternanordnungen, Boxeranordnungen usw. möglich sind. Die Brennkraftmaschine kann aufgeladen betrieben werden, beispielsweise mittels eines Abgasturboladers und/oder eines unmittelbar von der Kurbelwelle drehangetriebenen Laders.
Die Laststeuerung kann über eine Steuerung der Füllung der Verdichterkammer und/oder durch Veränderung der Menge des zugemessenen Kraftstoffes erfolgen.
Die Brennkraftmaschine kann durch zweckmäßige Auslegung mit Fremdzündung in der Brennkammer oder Selbstzündung betrieben werden, da die verdichtete Frischluft oder Frischladung nach ihrem Überschieben in der heißen Brennkammer aufgeheizt und dadurch weiter verdichtet wird. Flüssiger, gasförmiger oder auch pulverisierter Kraftstoff kann stromoberhalb der Verdichterkammer, in der Verdichterkammer oder direkt in der Brennkammer zugeführt werden.
Bezugszeichenliste

10: Kurbelwelle
12: Verdichterkolben
14: Arbeitskolben
16: Überschubsteuerschieber
18: Überströmsteuerschieber
20: Einlassventil
22: Auslassventil
24: Verdichterzylinder
26: Arbeitszylinder
28: Brennkammer
30: Zylinderkopf
32: Verdichterkammer
34: Einlasskanal
36: Arbeitskammer
38: Auslasskanal
40: Überschubdurchlass
42: Trennwand
44: Überströmdurchlass
46: Trennwand
48: Bauteil
50: Dichtsystem
52: Dichtsystem
60: Brennkammerkolben
62: Überschubkanal
64: Überströmkanal
72: Kühlvolumen
74: Zufuhrkanal
76: Abfuhrkanal
80: Dichtleistensystem
82: Dichtleiste
84: Dichtleiste
86: Eckstück
88: Eckstück
90: Trennwand
92: Pleuel
94: Pleuel
96: Verbindungsrohr
98: Kolben
100: Kolbenbauteil
102: Brücke
104: Betätigungsansatz
106: Betätigungsansatz
108: Kipphebel
110: Kipphebel

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, enthaltend folgende Schritte: – Füllen einer Verdichterkammer (32) mit Frischladung unter Volumenvergrößerung der Verdichterkammer, – Verdichten der Frischladung unter Volumenverkleinerung der Verdichterkammer, – Überschieben der verdichteten Frischluft in eine Brennkammer (28) mit konstantem Volumen, – Verbrennen der in der Brennkammer befindlichen verdichteten Frischladung, – Überströmen der zumindest teilweise verbrannten Frischladung in eine Arbeitskammer (36), – Expandieren der in die Arbeitskammer übergeströmten und verbrannten Frischladung unter Volumenvergrößerung der Arbeitskammer unter Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit und – Ausschieben der verbrannten Frischladung unter Volumenverkleinerung der Arbeitskammer.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Überschieben und das Verdichten zumindest teilweise gleichzeitig erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei während der Verdichtung ein Teil der verdichteten Frischladung abgezweigt wird, der abgezweigte Teil der verdichteten Frischladung mittels in der Brennkammer (28) entstehender Hitze aufgeheizt und dadurch komprimiert wird und der komprimierte abgezweigte Teil der Frischladung während der Expansion der Arbeitskammer zugeführt wird und dort unter Arbeitsabgabe expandiert.
Hubkolbenbrennkraftmaschine, enthaltend eine von einem Verdichterkolben (12) begrenzte Verdichterkammer (32) mit einer mittels eines Einlassventils (20) verschließbaren Einlassöffnung, eine Brennkammer (28) mit konstantem Volumen, die über einen mittels eines Überschubventils (16) verschließbaren Überschubdurchlass (40) mit der Verdichterkammer verbindbar ist, eine von einem Arbeitskolben (14) begrenzte Arbeitskammer (36), die über einen mittels eines Überströmventils (18) verschließbaren Überströmdurchlass (44) mit der Brennkammer verbindbar ist und eine mittels eines Auslassventils (22) verschließbare Auslassöffnung aufweist, eine Gemischbildungseinrichtung zum Erzeugen eines brennfähigen Frischluft-Brennstoffgemisches in der Brennkammer und eine Betätigungs- und Steuereinrichtung, die den Betrieb der Ventile und der Kolben derart steuert, dass folgende Arbeitsschritte ablaufen: – Füllen einer Verdichterkammer mit Frischladung unter Volumenvergrößerung der Verdichterkammer, – Verdichten der Frischladung unter Volumenverkleinerung der Verdichterkammer, – Überschieben der verdichteten Frischluft in eine Brennkammer, – Verbrennen der in der Brennkammer befindlichen verdichteten Frischladung, – Überströmen der zumindest teilweise verbrannten Frischladung in eine Arbeitskammer, – Expandieren der in die Arbeitskammer übergeströmten und verbrannten Frischladung unter Volumenvergrößerung der Arbeitskammer unter Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit und – Ausschieben der verbrannten Frischladung unter Volumenverkleinerung der Arbeitskammer.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 4, wobei das Einlassventil (20) etwa zu dem Zeitpunkt geschlossen wird, zu dem die Verdichterkammer (32) ihr maximales Volumen hat, das Überschubventil (16) etwa zu dem Zeitpunkt geschlossen wird, zu dem die Verdichterkammer ihr minimales Volumen hat, das Überströmventil (18) geöffnet wird, wenn zumindest ein wesentlicher Teil des brennfähigen Gemisches verbrannt ist, und das Auslassventil (22) etwa zu dem Zeitpunkt geöffnet wird, zu dem die Arbeitskammer (36) ihr maximales Volumen hat.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 5, wobei das Überströmventil (18) geschlossen wird, wenn die Arbeitskammer (36) zumindest annähernd ihr maximales Volumen hat.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Verhältnis zwischen maximalem und minimalem Volumen der Verdichterkammer (32) kleiner ist als das Verhältnis zwischen maximalem und minimalem Volumen der Arbeitskammer (36).
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei das maximale Volumen der Arbeitskammer (36) größer ist als das maximale Volumen der Verdichterkammer (32).
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Brennkammer (28) zwischen der Verdichterkammer (32) und der Arbeitskammer (34) angeordnet ist und die Verdichterkammer und die Arbeitskammer eine zur Brennkammer hin zumindest teilweise ebene Seitenwand (42, 46) aufweisen, längs der jeweils ein Steuerschieber (16, 18) hin und her beweglich ist, aufweist, der einen durch die jeweilige Seitenwand führenden Durchlass (40, 44) für eine Verbindung der Verdichterkammer bzw. Arbeitskammer mit der Brennkammer schließt oder öffnet.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 9, wobei jeder Steuerschieber (16, 18) Dichtungen enthält, deren eine Durchlassöffnung (40, 44) in der jeweiligen Seitenwand überläuft und bei geöffneter Durchlassöffnung nach außen abdichtet und deren andere bei geschlossener Durchlassöffnung nach außen abdichtet.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei wenigstens einer der Kolben (12, 14) und/oder Steuerschieber (16, 18) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 11, wobei der mit rechteckigem Querschnitt ausgebildete Kolben (12, 14) und/oder Steuerschieber (16, 18) mit wenigstens einem mehrteiligen Dichtleistensystem (80) versehen ist, das in einer zur Bewegungsrichtung des Kolbens und/oder Steuerschiebers senkrechten Ebene angeordnet ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 12, wobei die Brennkammer (28) innerhalb eines etwa parallel zu dem Verdichterkolben (12) bzw. Arbeitskolben (14) hin und her beweglichen Brennkammerkolbens (60) ausgebildet ist, an deren voneinander abgewandten Seitenwänden ein Überschubkanal (62) bzw. ein Überströmkanal (64) münden, welche Kanäle mit der Brennkammer verbunden sind und welche Seitenwände sich längs die Verdichterkammer (32) bzw. die Arbeitskammer (36) begrenzender Trennwände (42, 46) bewegen, die mit einem Überschubdurchlass (40) bzw. einem Überströmdurchlass ausgebildet sind.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei eine mit der Einlassöffnung ausgebildete Stirnwand (30) der Verdichterkammer (32) mit dem Überschubdurchlass (40) und eine mit der Auslassöffnung ausgebildete Stirnwand (30) der Arbeitskammer (36) mit dem Überströmdurchlass (44) ausgebildet sind, welche Durchlässe in ein Verbindungsrohr (96) münden, in dem mit zwei in gegenseitigem Abstand aneinander befestigte und zwischen sich die Brennkammer (28) bildende Kolben (98) eines Kolbenbauteils (100) hin und her beweglich ist, wobei die Kolben derart beabstandet sind, dass sie in einer Stellung des Kolbenbauteils beide Durchlässe verschließen.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 14, wobei das Kolbenbauteil (100) entsprechend der Drehung einer Kurbelwelle (10) der Brennkraftmaschine hin und her bewegt wird und das Einlassventil (20) und das Auslassventil (22) von dem Kolbenbauteil betätigt werden.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 15, wobei die Brennkammer (28) wärmeleitend mit einer Kühlkammer (72) verbunden ist, die während zumindest eines Teils der Volumenverminderung der Verdichterkammer (32) mit der Verdichterkammer verbunden ist und während eines Teils der Volumenvergrößerung der Arbeitskammer (36) mit der Arbeitskammer verbunden ist.