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Die Erfindung betrifft einen Brennkraftmotor mit einem ersten Zylinder, einem zweiten Zylinder, dessen Kolben sich bezogen auf die Umkehrpunkte seiner Bewegung etwa synchron mit dem Kolben des ersten Zylinders bewegt, einer am Ende eines Verdichtungstakts des ersten Zylinders öffnenden Überströmverbindung zwischen den Expansionsräumen der Zylinder und Einrichtungen für die Zuführung von Verbrennungsluft und Kraftstoff.
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Ein Brennkraftmotor mit diesen Merkmalen geht aus der
WO 2008/101495 hervor, deren Offenbarung hier voll inhaltlich einbezogen ist. Der erste Zylinder dieses bekannten Brennkraftmotors ist zum Betrieb mit Brennstoffzufuhr, der zweite Zylinder zum Betrieb ohne eigene Brennstoffzufuhr vorgesehen. Ein Absperrglied der Überströmverbindung lässt sich während des Arbeitstaktes des ersten Zylinders in einer Offenstellung halten. Das Totvolumen des zweiten Zylinders ist kleiner als das des ersten und der zweite Zylinder umfasst ein zum Öffnen während einer Kompressionsphase des ersten Zylinders vorgesehenes Auslassventil. Das Auslassventil des zweiten Zylinders ist vor Erreichen des oberen Totpunkts seines Kolben schließbar, und es lässt sich so im zweiten Zylinder ein beim Öffnen des Absperrgliedes anliegender Kompressionsdruck erzeugen, der vorzugsweise gleich dem Kompressionsdruck im ersten Zylinder ist.
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Ein Brennkraftmotor der eingangs genannten Art geht ferner aus der
US 4 503 816 hervor. Der zweite Zylinder, in den beim Arbeitstakt des ersten Zylinders Verbrennungsgas aus dem ersten Zylinder überströmt, vergrößert das Expansionsvolumen, so dass die im Verbrennungsgas enthaltene Energie vollständiger als bei Ausdehnung des Verbrennungsgases nur innerhalb des ersten Zylinders in mechanische Arbeit umgesetzt werden kann. Das Auslassventil des zweiten Zylinders bleibt bei jedem Kolbenhub geöffnet bis der Kolben dieses Zylinders seinen oberen Totpunkt erreicht hat. Das in dieser Stellung verbliebene Totvolumen ist außerordentlich gering. Bei Öffnung der Überströmverbindung ist das Totvolumen drucklos bzw. es herrscht dort nur Luftdruck.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen Motor der eingangs erwähnten Art mit gegenüber diesem Stand der Technik weiter verbessertem Brennstoffnutzungsgrad und verbesserten Laufeigenschaften zu schaffen.
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Der diese Aufgabe lösende Brennkraftmotor nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Einrichtungen zur Zuführung von Verbrennungsluft und Otto-Kraftstoff oder gasförmigem Kraftstoff unter Betriebsbedingungen im Lambda-Verhältnis größer 1 erfordert, d. h. die dem Motor zugeführte Gesamtluftmasse muss größer sein als die stöchiometrisch zur Kraftstoffverbrennung erforderliche Luftmasse.
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Vorzugsweise liegt das Lambda-Verhältnis zwischen 1,1 und 1,7, insbesondere zwischen 1,2 und 1,5. Als besonders effizient hat sich ein Bereich von 1,28 bis 1,42 erwiesen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Lambda-Verhältnis variierbar. Insbesondere in der Motorstartphase lassen sich Lambda-Werte kleiner 1 einstellen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der zweite Zylinder einen in einem Ausstoßtakt des zweiten Zylinders öffnenden Einlass für Verbrennungsluft auf. Während einer Kompressionsphase des ersten Zylinders bei geöffnetem Auslassventil des zweiten Zylinders kann Frischluft in den zweiten Zylinder einführbar sein. Vorteilhaft spült diese Frischluft Verbrennungsgase eines vorangehenden Arbeitstakts aus dem zweiten Zylinder aus und sorgt für eine Nachverbrennung des in den zweiten Zylinder übergeströmten Gases und so für eine noch weitergehende Ausnutzung des Kraftstoffs.
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Vorzugsweise lässt sich an dem Einlass durch die Ausstoßströmung eine Druckminderung erzeugen, welche die Zufuhr von Verbrennungsluft unter Ladedruck unterstützt.
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Es ist sogar möglich durch erzeugten Unterdruck Verbrennungsluft, die nicht unter Ladedruck steht, anzusaugen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung lässt sich der Öffnungs- und Schließzeitpunkt für das Absperrglied der Strömungsverbindung variieren. Für das Absperrglied kann ein elektromechanischer Antrieb vorgesehen sein.
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Durch die oben genannte Erzeugung von Kompressionsdruck auch im zweiten Zylinder lässt sich ein zu frühzeitiger, den Entzündungs- und Verbrennungsvorgang störender Abfluss von brennstoffhaltigem Gas aus dem ersten in den zweiten Zylinder unmittelbar nach Öffnung der Überströmverbindung vermeiden. Zum Überströmen kommt es erst nach weitgehender Entzündung des Gases. So läuft die Verbrennung kontrolliert unter hocheffizienter Nutzung des Brennstoffs ab.
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Für den ersten Zylinder kommen sowohl Viertakt- als auch Zweitaktbetrieb in Betracht.
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Vorzugsweise ist ein dritter, dem ersten Zylinder entsprechender Zylinder vorgesehen, der gegenüber dem ersten Zylinder um 360° versetzt arbeitet. Der erste und der dritte Zylinder können dann im Viertaktverfahren betrieben werden, wobei der zweite Zylinder in jedem zweiten Takt bei jeder Abwärtsbewegung des Kolbens mechanische Arbeit verrichtet.
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Zweckmäßig sind die drei Zylinder in einer Zylinderreihenbank angeordnet, die einen Grundmodul bildet, der sich mit wenigstens einem weiteren solchen Grundmodul in Boxer-, Reihen-, V-, W- oder Stern-Anordnung kombinieren lässt.
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Die Hubkolben des Grundmoduls arbeiten zweckmäßig zueinander parallel, gegebenenfalls mit identischen Hüben. Dank eines deutlich kleineren Totvolumens im mittleren Zylinder braucht der Hubkolben im mittleren Zylinder wesentlich weniger Energie, um im Verlauf des kombinierten Ausschiebe- und Kompressionstakts schließlich bis auf den gleichen Druck zu komprimieren, wie jeder daneben liegende Zylinder. Sobald vor der Zündung Druckgleichheit erzielt ist, wird die Überströmverbindung geöffnet, wobei dank des Druckgleichgewichts zunächst keine spürbare Überströmung stattfindet. Nach der Zündung im äußeren Zylinder steigt der Verbrennungsdruck, der den Hubkolben im äußeren Zylinder direkt und über die Überströmverbindung nun auch den Hubkolben im mittleren Zylinder beaufschlagt, so dass beide Hubkolben einen Arbeitstakt ausführen. Da dann für die Expansion des Arbeitsdrucks das zusätzliche Volumen im mittleren Zylinder nutzbar ist, lässt sich der Verbrennungsdruck nahezu total expandieren, im Idealfall bis auf den Atmosphärendruck, wobei dank der Expansion auch die Temperatur deutlich vermindert ist, wenn die beiden Hubkolben ihre unteren Totpunkte erreichen. Im anderen äußeren Zylinder ist in der gleichen Zeit ein Ansaugtakt durchgeführt worden. Nach der neuerlichen Bewegungsumkehr aller Hubkolben kooperiert der mittlere Zylinder mit dem anderen äußeren Zylinder auf die vorbeschriebene Weise.
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Der Hub des mittleren Hubkolbens kann verschieden von den Hüben der äußeren Hubkolben sein. So lässt sieh z. B. ohne vergrößerten mittleren Hubkolben ein großer Expansionsraum bilden, was die axialen Abmessungen gering hält.
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Der Pleuelwinkel des mittleren Hubkolbens kann verschieden von denen der äußeren Hubkolben sein. Dann erreicht der mittlere Hubkolben seinen Totpunkt vor- oder nacheilend, z. B. um einem Zündverzug Rechnung zu tragen.
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Während die beiden äußeren Zylinder Ein- und Auslassventile aufweisen, besitzt der mittlere Zylinder zumindest ein Auslassventil, das benutzt wird, um aus dem mittleren Zylinder expandiertes und relativ kühles Abgas auszuschieben.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist das Absperrglied der Überströmverbindung ein Schieber oder ein Kolbenventil. Sowohl der Schieber als auch das Kolbenventil vermeiden in der Absperrstellung einen unerwünschten Totraum.
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Der mittlere Zylinder kann einen größeren Zylinderdurchmesser auf als die beiden äußeren Zylinder aufweisen. Dies vergrößert den zur Expansion nutzbaren Raum und auch die Beaufschlagungsfläche des Hubkolbens beim Arbeitstakt.
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Zweckmäßig sind die Arbeitstakte der beiden äußeren Zylinder um 360 Grad des Kurbelwellendrehwinkels zueinander versetzt. Auf diese Weise arbeitet der mittlere Zylinder ideal wechselweise mit jedem äußeren Zylinder bei dessen Arbeitstakt zusammen.
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Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt besteht darin, dass das Auslassventil des mittleren Zylinders während des Ausschiebe- und Kompressionstaktes dessen Hubkolbens nur zwischen dem unteren Totpunkt und einer vorbestimmten Hubposition unterhalb des oberen Totpunktes aufsteuerbar ist. So lange das Auslassventil offen ist, wird expandiertes kühles Abgas ausgeschoben. Der Schließzeitpunkt des Auslassventils wird so gewählt, dass im mittleren Zylinder nach Schließen des Auslassventils kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes wegen des kleineren Totraumes der gleiche Druck herrscht, wie im äußeren, gerade den Kompressionstakt ausführenden Zylinder.
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Um den Füllungsgrad in jedem Zylinder zu verbessern, ist es zweckmäßig wenn der Brennkraftmotor eine Aufladevorrichtung aufweist.
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Besonders zweckmäßig wird dank der parallelen Bewegung der Hubkolben des Grundmoduls dessen Kurbelgehäuse als Ladepumpe benutzt. Die Ladevorrichtung kann, vorzugsweise, vordringlich zum Laden des mittleren Zylinders verwendet werden, wobei sich dann ein Ladeverhältnis von etwa 1:3 erzielen lässt. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, im mittleren Zylinder mindestens ein zwangsgesteuertes Einlassventil vorzusehen, über welches der Zylinder mit einer brennstofffreien Ladeluftzufuhr verbindbar ist.
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Hierbei dient das Einlassventil als Spülventil während das Ausschiebe- und Kompressionstaktes im mittleren Zylinder, und zwar zumindest bis zum Schließen des Auslassventils. Es wird auf diese Weise durch die Frischluftzufuhr das Ausschieben des Abgases unterstützt, und für den nachfolgenden Arbeitstakt im mittleren Zylinder Frischluft bereitgehalten, die für eine zweckmäßige Nachverbrennung von Brennstoff aus dem äußeren Zylinder nutzbar ist.
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Diese Nachverbrennung läuft relativ mager und mit hoher Temperatur ab, was die Leistungsabgabe erhöht. Dieser Restbrennstoff aus dem äußeren Zylinder könnte im äußeren Zylinder selbst kaum vollständig verbrannt werden. Ein weiterer Vorteil der Ladeluftzufuhr zumindest zum mittleren Zylinder ist eine wünschenswerte Temperaturabsenkung, gegebenenfalls bei Verwendung eines Ladeluftkühlers.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform weist das Grundmodul als Benzin- oder Gasmotor Zündvorrichtungen nur für die beiden äußeren Zylinder auf, und natürlich auch nur Brennstoffzuführvorrichtungen für diese beiden äußeren Zylinder.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform weist der Hubkolben des mittleren Zylinders bei unter einander gleichen Zylinderhöhen einen den Totraum im mittleren Zylinder reduzierenden, erhabenen Kolbenboden auf.
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Da der mittlere Kolben bei seinen häufigeren Arbeitstakten relativ hohe Kraft auf die Kurbelwelle ausübt, ist es zweckmäßig, die Kurbelwelle auch zwischen den Kurbelzapfen für die drei Hubkolben zu lagern und das Pleuel des mittleren Hubkolbens zu verstärken.
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Zweckmäßig sind ferner die Ventile bzw. Schieber nockenwellenbetätigt, um präzise Steuerzeiten abhängig von der Kurbelwellendrehung zu erzielen.
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Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch ein Grundmodul des Brennkraftmotors,
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2 eine vergrößerte Detailvariante des Brennkraftmotors im Zylinderkopfbereich,
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3 eine weitere Ausführungsform des Brennkraftmotors bestehend aus zwei Grundmodulen im Boxeranordnung,
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4 ein aus zwei Grundmodulen bestehenden Brennkraftmotor,
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5 eine Ladeluftleitungen zeigende Außenansicht des Brennkraftmotors von 4, und
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6 verschiedene Zylinder des Brennkraftmotors von 4 und 5.
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Die in den 1 bis 6 gezeigten Brennkraftmotoren sind zum Betrieb mit Otto-Kraftstoff oder Gas einschließlich Wasserstoff vorgesehen. Jeweils vorhandene Einrichtungen zur Zuführung von Verbrennungsluft und Kraftstoff sind für ein Lambda-Verhältnis größer 1 unter normalen Betriebsbedingungen ausgelegt. Es hat sich gezeigt, dass bei einem Lambda-Verhältnis größer 1 ein einwandfreier Motorlauf bei effizienter Kraftstoffnutzung erreichbar ist.
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Der in 1 gezeigte Brennkraftmotor weist als Grundmodul A drei Zylinder in einer Zylinderreihenbank 2 eines Motorgehäuses 1 mit einer Kurbelkammer 3 auf. In jedem Zylinder ist ein Hubkolben 10, 11, 12 enthalten, wobei, vorzugsweise, der Zylinder- und Kolbendurchmesser im mittleren Zylinder größer ist als in den beiden äußeren Zylindern. Die Hubkolben 10, 11, 12, sind über Pleuel 9 mit Kurbelzapfen 5a, 5b, 5c einer Kurbelwelle 4 verbunden. Das Pleuel 9 des mittleren Hubkolbens 12 könnte verstärkt oder stärker als die anderen sein. Die Kurbelzapfen 5a, 5b, 5c liegen in einer gemeinsamen, parallel zur Achse der Kurbelwelle 4 liegenden Achse 6, so dass sich die Hubkolben 10, 11, 12, parallel zu einander bewegen.
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Die beiden äußeren Zylinder arbeiten im Viertaktverfahren, während der mittlere Zylinder im Zweitaktverfahren arbeitet. Die Kurbelwelle 4 ist an ihren Enden in Lagern 7 und auch zwischen den Kurbelzapfen 5a, 5b, 5c, in Lagern 8 gelagert. In einem Zylinderkopf 13 sind für die beiden äußeren Zylinder Ein- und Auslassventile 18 vorgesehen, die zwangsgesteuert sind (z. B. durch wenigstens eine Nockenwelle, nicht gezeigt). Die beiden äußeren Zylinder haben auch jeweils zumindest eine Zündvorrichtung 19 und auch jeweils eine Brennstoffzufuhreinrichtung (nicht gezeigt), die beispielsweise mit Brennstoffeinspritzung arbeitet. Hierbei können verschiedene Einspritzverfahren angewendet werden. Auch eine Brennstoffzufuhr über Vergaser ist möglich. Der mittlere Zylinder hat zumindest ein Auslassventil 27, das zwangsgesteuert ist. In der gezeigten Ausführungsform des Grundmoduls A ist im mittleren Zylinder ferner zumindest ein zwangsgesteuertes Einlassventil 28 vorgesehen. Dieses Einlassventil ist nicht unbedingt notwendig, jedoch insbesondere dann zweckmäßig, wenn der Brennkraftmotor M beispielsweise mit einer Ladevorrichtung betrieben wird, wie dies weiter unten, insbesondere anhand der 4 bis 6 beschrieben ist.
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Da das Grundmodul mit parallel arbeitenden Hubkolben betrieben wird, entstehen in der Kurbelkammer 3 erhebliche Druckimpulse, so dass die Kurbelkammer 3 zweckmäßig als Ladepumpe der Ladevorrichtung verwendbar ist, um zumindest den mittleren Zylinder aufzuladen, und zwar über das Einlassventil 28. Zu diesem Zweck können Einlass- und Auslasseinrichtungen 25, 26 für die Kurbelkammer 3 vorgesehen sein, wobei diese Auslassreinrichtung dann zumindest mit dem Einlassventil 28 verbunden ist.
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Die Toträume der beiden äußeren Zylinder sind mit 15 und 16 angedeutet. Der Totraum 17 des mittleren Zylinders ist erheblich kleiner als die Toträume 15, 16. Dies wird beispielsweise dadurch erzielt, dass der Hubkolben 12 im mittleren Zylinder einen erhabenen Kolbenboden 14 aufweist und/oder aufgrund des unterschiedlichen Hubs des Hubzylinders 12 oder mit einem anderen Pleuelwinkel des Pleuels 9 des mittleren Hubkolbens 12 relativ zu den anderen Pleueln 9. Ein deutlich größerer Zylinder- bzw. Kolbendurchmesser des mittleren Zylinders führt zu einer besseren Leistungsausbeute und Energieeinsparung.
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Zwischen dem Totraum 15 bzw. 16 jedes äußeren Zylinders und dem Totraum 17 des mittleren Zylinders sind Überströmverbindungen 20, 21 vorgesehen, die jeweils durch ein zwangsgesteuertes Absperrglied G geöffnet und geschlossen werden. In dem in 1 gezeigten Grundmodul A sind die Absperrglieder G Schieber 22, 23, die in etwa parallel zur Hubrichtung der Hubkolben verschiebbar im Zylinderkopf 13 angeordnet sind. Zwischen den Kurbelzapfen 5a, 5b, 5c können Ausgleichsmassen 24 auf der Kurbelwelle 4 angeordnet sein.
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Funktion:
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Der in 1 links gezeigte Hubkolben 10 führt über einen Kurbelwellendrehwinkel von 720 Grad vier Takte aus. Der erste Takt ist der Ansaugtakt mit einer Bewegung vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt, wobei das Einlassventil offen und das Auslassventil zu ist. Der zweite Takt ist ein Verdichtungstakt, bei dem sich der Hubkolben 10 von unterem Totpunkt zum oberen Totpunkt bewegt, wobei Einlass- und Auslassventil geschlossen sind. Beim Ende des Verdichtungstaktes erfolgt die Zündung. Der dritte Takt ist ein Arbeitstakt, bei dem sich der Hubkolben 10 vom oberen Totpunkte zum unteren Totpunkt bewegt, wobei die Einlass- und Auslassventile geschlossen sind. Der vierte Takt ist ein Ausschiebetakt, bei dem sich der Hubkolben 10 vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt bewegt, und bei dem das Auslassventil geöffnet und das Einlassventil geschlossen ist.
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Der in 1 rechte Hubkolben 11 führt seine vier Takte mit einer 360 Grad Versetzung gegenüber den Takten des linken Zylinders durch.
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Während der in 1 linke Hubkolben 10 seinen Ansaugtakt ausführt, ist die Überströmverbindung 20 geschlossen, hingegen die Überströmverbindung 21 geöffnet. Der mittlere Hubkolben 12 kooperiert mit dem rechten Hubkolben 11, dahingehend, dass der Verbrennungsdruck aus dem in 1 rechten Zylinder über die Überströmverbindung 21 auch auf den mittleren Hubkolben 12 einwirkt, der Leistung an die Kurbelwelle 4 abgibt. Im mittleren Zylinder ist während dieses Arbeitstaktes das Auslassventil geschlossen, und falls vorhanden, auch das Einlassventil 27.
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Beim Verdichtungstakt des linken Hubkolbens 10 wird ab dem unteren Totpunkt das Auslassventil 27 des mittleren Zylinders geöffnet, wie auch das Auslassventil des in 1 rechten Zylinders. Die Abgase werden ausgeschoben. Abhängig von der Größe des Totraums 17 und dessen Verhältnis zum Totraum 15 wird ab etwa 45 Grad Kurbelwellendrehwinkel vor dem oberen Totpunkt das Auslassventil 27 des mittleren Zylinders geschlossen. Der mittlere Hubkolben 12 beginnt dann zu verdichten, da beide Absperrglieder G in der Schließstellung sind. Sobald die Drücke in den Toträumen 15, 17 gleich sind, wird der Schieber 22 geöffnet, in etwa mit der Zündung im linken äußeren Zylinder, oder vor- bzw. nacheilend zur Zündung. Der Verbrennungsdruck im in 1 linken Zylinder wirkt nun auch auf den mittleren Hubkolben 12, der Leistung auf die Kurbelwelle 4 überträgt und vor allem zusätzliches Expansionsvolumen bereitstellt, um den Verbrennungsdruck total oder nahezu total zu expandieren, bis dieser nahe bei Atmosphärendruck liegt.
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Falls der Brennkraftmotor M über eine Aufladevorrichtung verfügt, und im mittleren Zylinder das Einlassventil 27 vorgesehen ist, wird das Einlassventil während das Kompressions- und Ausschiebetakts des mittleren Hubkolbens 12 dann geöffnet, wenn auch das Auslassventil 27 offen ist. Beispielsweise wird das Einlassventil etwa 45 Grad Kurbelwellendrehwinkel nach dem unteren Totpunkt geöffnet und in etwa gleichlaufend mit dem Auslassventil 27 geschlossen, d. h, bei etwa 45 Grad vor dem oberen Totpunkt. Dadurch wird brennstofffreie Frischluft in den mittleren Zylinder eingeführt, um das Abgas auszuschieben (zu spülen) und Frischluft einzubringen. Diese Frischluft kann zur Nachverbrennung von Brennstoff aus dem in 1 linken Zylinder benutzt werden, wobei diese Nachverbrennung mager und mit hoher Temperatur abläuft, d. h. eine günstige Leistungsausbeute ermöglicht.
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In etwa bei Erreichen des unteren Totpunkts werden beide Schieber 22, 23 geschlossen. Der in 1 linke Hubkolben 10 führt dann seinen Ausschiebetakt aus, während der in 1 rechte Hubkolben 11 seinen Verdichtungstakt ausführt, bis der in 1 rechter Schieber 23 erneut geöffnet wird.
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Somit führt jeder äußere Hubkolben 10, 11 bei jedem dritten Takt einen Arbeitstakt aus, während der mittlere Hubkolben 12 bei jedem zweiten Takt einen Arbeitstakt ausführt.
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Die Ausführungsform in 2 unterscheidet sich von der von 1 durch eine andere Ausbildung der Absperrglieder G. Anstelle der Schieber 22, 23 werden hier Kolbenventile 31, 32 verwendet, die im Zylinderkopf 13 verschiebbar geführt sind. Jedes Kolbenventil weist eine Ventilplatte 31 und einen Betätigungskolben 32 auf. Für die Ventilplatte 31 sind in der Überströmverbindung 20, 21 zwei beabstandete Ventilsitze 30 und 29 bzw. 34 und 33 vorgesehen. Die Bauweise des Kolbenventils vermeidet in der Schließstellung einen unzweckmäßigen Totraum. Ferner wird das in der Schließstellung befindliche Kolbenventil (in 2 rechts) durch den Verbrennungsdruck in dichter Anlage an seinem Ventilsitz 33 gehalten. Dies vermeidet Leckverluste.
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3 zeigt einen Brennkraftmotor M, der aus zwei Grundmodulen A zusammen gesetzt ist, die eine 180°-Boxeranordnung bilden. Zusätzlich zu den Kurbelzapfen 5a, 5b, 5c weist die Kurbelwelle 4' im Kurbelgehäuse 3a um 180 Grad um die Kurbelwellenachse versetzte weitere Kurbelzapfen 5d, 5e und 5f für die drei anderen Hubkolben des unteren Grundmoduls A auf. Die Zündfolge kann überkreuz oder direkt gegenüberliegend gewählt werden. Auch in diesem Brennkraftmotor M kann die Kurbelkammer im Kurbelgehäuse 3 als Ladepumpe einer Ladevorrichtung benutzt werden, oder eine Ladevorrichtung ergänzen, falls auch die im Viertaktverfahren arbeitenden Zylinder mit Aufladung betrieben werden.
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Da sich im Idealfall eine totale Expansion des Verbrennungsdruckes unter direkter Umwandlung in mechanische Energie im Motor selbst erzielen lässt, sind der Abgasdruck und die Abgastemperatur niedrig. Der Brennkraftmotor lässt sich mit geringer thermische Belastung betreiben, d. h. er benötigt im Betrieb kaum Kühlleistung, eher sogar eine gute Wärmeisolierung. Es wird kaum Restdruck vergeudet, was das Abgassystem entlastet. Speziell mit der Aufladung und dem Einlassventil 27 wird die im Brennstoff enthalten Energie besser genutzt. Gegebenenfalls reicht zum Erfüllen der Abgasvorschriften ein kleiner Katalysator, oder wird ein Katalysator gänzlich entbehrlich. Da bereits das Grundmodul mit drei Hubkolben in Reihenanordnung wie ein Vierzylinder arbeitet, und auch entsprechende Leistung abgibt, lassen sich zumindest in Richtung der Kurbelwellenachse kompakte Abmessungen erzielen, und kann das Gewicht des Brennkraftmotors verringert werden. Bei gebauten und betriebenen Prüfmotoren ließ sich ein Wirkungsgrad von etwa 50% oder mehr bei im Vergleich zu leistungsähnlichen herkömmlichen Motoren erzielen, und zwar bei verringertem Gewicht und kleineren Abmessungen und mit geringerem spezifischen Brennstoffverbrauch.
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Es wird nachfolgend Bezug auf die 4 bis 6 genommen, in denen ein aus zwei Grundmodulen A1 und A2 in Reihenanordnung bestehender Motor schematisch dargestellt ist.
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Jeder Modul weist drei Zylinder 50, 51 und 52 bzw. 50', 51' und 52' auf, deren Kolben jeweils über ein Pleuel 53 mit einer durchgehenden, beiden Modulen A1 und A2 gemeinsamen Kurbelwelle 54 verbunden sind.
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Zwischen Kurbelgehäusen 55 und 55' der Module A1 und A2 liegt eine Trennwand 56.
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Die Kurbelwelle 54 ist über ein Antriebselement 57 mit einer beiden Modulen A1 und A2 gemeinsamen Nockenwelle 58 verbunden. Die Nockenwelle 58 steuert je Zylinder ein Einlassventil 59 und ein Auslassventil 60.
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Zwischen dem Zylinder 51 bzw. 51' jedes Moduls und den beiden äußeren Zylindern 50, 52 bzw. 50', 52' ist jeweils ein Überströmkanal 61 vorgesehen, der sich durch einen durch die Nockenwelle 58 gesteuerten Schieber 62 absperren lässt. Der mittlere Kolben 51 bzw. 51' weist jeweils eine Erhöhung 63 auf, die das Totvolumen des betreffenden Zylinders im Vergleich zu den äußeren Zylindern deutlich verringert.
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An den äußeren Zylindern beider Module A1 und A2 sind Einrichtungen 64 zum Zünden vorgesehen.
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Wie 4 ferner erkennen lässt, ist das Motorgehäuse dreigeteilt, in einen Zylinderkopfteil 65, einen Hauptblock 66 und einen den Hauptblock nach unten abschließenden Wannenteil 67.
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Wie aus 5 hervorgeht, sind an der Außenseite des Motorgehäuses Ladeluftleitungen 68 und 69 bzw. 68' und 69' vorgesehen, die an eine Öffnung 78 bzw. 78' in der Wand des Hauptblocks 66 angeschlossen sind und dementsprechend in Verbindung mit dem Kurbelgehäuse 55 bzw. 55' stehen und die zu Einlassöffnungen 80, 81 bzw. 80', 81' der Zylinder 50 und 52 bzw. 50' und 52' führen. Vor der Öffnung 78 bzw. 78' an der Außenseite des Hauptblocks 66 ist ein Block 79 bzw. 79' angeordnet, der eine Verbindung zwischen der Öffnung 78 bzw. 78' und den Ladeluftleitungen 68, 69 bzw. 68', 69' herstellt. Ferner weist der Block einen Durchgang zu der Öffnung 78 bzw. 78' auf, in der ein Rückschlagventil 70 bzw. 70' vorgesehen ist. Schließlich mündet in den Block eine mit der Öffnung 78 bzw. 78' verbundene Leitung 73 ein, die eine Verbindung zwischen den Kurbelgehäusen 55 und 55' herstellt und deren Durchlassquerschnitt sich mit Hilfe eines Drehschiebers 74 einstellen lässt.
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Die Ladeluftleitungen 68 und 69 bzw. 68' und 69' stehen mit den Einlassventilen 59 der Zylinder 50, 52 bzw. 50', 52' in Verbindung. Von den Ladeluftleitungen 68 und 69 bzw. 68' und 69' zweigt jeweils eine durchgehende Verbindungsleitung 75 bzw. 75' ab, in der Rückschlagventile 76 und 77 bzw. 76' und 77' vorgesehen sind und die in Verbindung mit einer Einlassöffnung 82 bzw. 82' des Zylinders 51 bzw. 51' steht.
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Die Bezugszahlen 83 bzw. 83' und 84 in 6 weisen auf Auslassöffnungen der Zylinder 50, 50', 51 hin.
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Im folgenden wird die Funktionsweise des anhand der 4 bis 6 beschriebenen Brennkraftmotors erläutert.
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Wie bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen arbeiten die äußeren Zylinder 50, 52 bzw. 50', 52' der Module A1 und A2 unter Brennstoffzufuhr im Viertaktbetrieb, wobei diese Zylinder innerhalb der Module zueinander um 360° versetzt tätig sind. Die Module A1 und A2 insgesamt arbeiten zueinander um 180° versetzt, d. h. wenn die Kolben der Zylinder 50, 51 und 52 am oberen Totpunkt sind, befinden sich die Zylinder 50', 51' und 52' am unteren Totpunkt und umgekehrt. In die mittleren Zylinder 51, 51' strömt bei deren Abwärtsbewegung der Kolben durch den betreffenden Überströmkanal 61 entzündetes Gas aus einem der benachbarten Zylinder, das im nächsten Takt bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens durch das betreffende Auslassventil 60 und die Auslassöffnung 84 hindurch (6b) aus dem mittleren Zylinder ausgestoßen wird.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach den 4 bis 6 werden die äußeren Zylinder 50, 52 bzw. 50', 52' in deren Ansaugtakt durch Druckluft aus dem Kurbelgehäuse 55 bzw. 55' aufgeladen. Die Druckluft entsteht dadurch, dass sich in dieser Phase alle drei Kolben in Richtung Kurbelgehäuse bewegen und die Luft im Kurbelgehäuse verdichten.
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Ein solcher Aufladungsvorgang wird nachfolgend beispielhaft anhand der Aufladung des Zylinders 50 erläutert.
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Während der Ansaug- bzw. Aufladungsphase des Zylinders 50, in der sich der Kolben in Richtung zum Kurbelgehäuse 55 bewegt, gelangt Druckluft durch die Auslassöffnung 78, die Ladeluftleitung 68 und die Einlassöffnung 80 hindurch in den Zylinder 50. Das Auslassventil 60 des Zylinders 50 ist geschlossen. Die Kolben der Zylinder 51 und 52 befinden sich in dieser Ansaugphase des Zylinders 50 in einem Arbeitstakt. Mit der Umkehrung der Kolbenbewegung nach oben beginnt im Zylinder 50 die Verdichtungsphase. Das entsprechende Auslassventil 60 des benachbarten mittleren Zylinders 51 ist geöffnet, so dass durch die Auslassöffnung 84 hindurch Gas aus dem Zylinder 51 ausgeschoben wird. Ebenso ist das Auslassventil 60 des Zylinders 52 geöffnet. Die Einlassventile 59 der Zylinder 51 und 52 und beide Ventile des Zylinders 50 sind geschlossen.
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Etwa in einem Winkel von 45° nach dem unteren Totpunkt des Kolbens des mittleren Zylinders 51 wird das Einlassventil 59 dieses Zylinders geöffnet. Druckluft aus dem Kurbelgehäuse 55, die seit der Ansaugphase durch die Rückschlagventile 76, 77 in der Verbindungsleitung 75 eingeschlossen ist, gelangt durch die Einlassöffnung 82 und das Einlassventil 59 hindurch in den Zylinder 51 und spült darin enthaltenes Abgas des vorangehenden Arbeitstaktes aus dem Zylinder aus. Etwa 45° vor dem oberen Totpunkt werden sowohl das Einlassventil 59 als auch das Auslassventil 60 des mittleren Zylinders 51 geschlossen. Auf dem verbliebenen Restweg des Kolbens des mittleren Zylinders 51 erfolgt nun wie im Zylinder 50 eine Verdichtung.
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Am oberen Totpunkt des Kolbens des Zylinders 51 sind sowohl im Zylinder 50 als auch im Zylinder 51 etwa gleiche Kompressionsdrücke erreicht und der betreffende Schieber 62 wird unter Freigabe des Überströmkanals 61 geöffnet. Durch die Druckgleichheit in beiden Zylindern kommt es in diesem Moment noch nicht zur Strömung durch den Überströmkanal 61 und die Entzündung des Brennstoffluftgemischs im Zylinder 50 wird nicht gestört. Erst im weiteren Verlauf kommt es durch Druckanstieg im Zylinder 50 auch zur Beaufschlagung des Kolbens des Zylinders 51 durch überströmende heiße Verbrennungsgase.
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Durch die Ausspülung des Zylinders 51 befindet sich im Zylinder 51 komprimierte Frischluft, die für eine Nachverbrennung des in den Zylinder 51 übergeströmten Gases und damit für eine weitere Wirkungsgraderhöhung sorgt.
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Während die Luft im Kurbelgehäuse 55 komprimiert wird, entsteht im Kurbelgehäuse 55' durch den gleichzeitigen Hub der drei Kolben ein Unterdruck, und Luft wird durch den Block 79' hindurch in das Kurbelgehäuse 55' angesaugt. Über die Verbindungsleitung 73 und durch Öffnung des darin befindlichen Drehschiebers 74 lässt sich der durch den jeweils anderen Modul A1 bzw. A2 erzeugte Ladeluftdruck regulieren.
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Es versteht sich, dass für den in den 4 bis 6 beschriebenen Motor eine Trockensumpfschmierung verwendet wird, die eine Ladung der Zylinder mit ölfreier Luft ermöglicht.
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Abweichend von den gezeigten Ausführungsbeispielen kann bei der Zufuhr von Verbrennungsluft in den zweiten Zylinder während des Ausstoßtaktes mit Hilfe der Ausstoßströmung am Einlass des zweiten Zylinders ein Unterdruck erzeugt werden, der die Zuführung von Verbrennungsluft durch den Einlass zumindest unterstützt.
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Es hat sich herausgestellt, dass sich eine besonders effizient Kraftstoffnutzung bei Lambda-Werten um 1,35 erreichen lässt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/101495 [0002]
- US 4503816 [0003]
