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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft allgemein Verbrennungsmotoren.
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HINTERGRUND
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Die Angaben in diesem Abschnitt liefern nur auf die vorliegende Offenbarung bezogene Hintergrundinformation und stellen möglicherweise keinen Stand der Technik dar.
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Moderne Verbrennungsmotoren umfassen im Allgemeinen Motoren mit Funkenzündung und Motoren mit Kompressionszündung. Während des Betriebs hängt die Effizienz eines Verbrennungsmotors von vielen Faktoren ab, einschließlich der volumetrischen und der thermodynamischen Effizienz.
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Es ist bekannt, Motoren mit Aufladungseinrichtungen zu verwenden, einschließlich von Turboladern und Turbokompressoren, die hauptsächlich Erweiterungen für eine Basis-Motorkonstruktion sind. Obgleich sie relativ leicht zu warten sind, können diese Einrichtungen problematisch und bezüglich verschiedener Aspekte begrenzt sein, die ihrer Konstruktion eigen sind.
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Aus der
US 8,091,521 B2 sind ein Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Betreiben desselben bekannt, welcher umfasst: einen Kompressorzylinder mit einem Einlass, einem ersten Auslass, einem zweiten Auslass und einem Kolben, der in dem Kompressorzylinder verschiebbar beweglich und mit einer rotierenden Kurbelwelle funktional verbunden ist, wobei der Kompressorzylinder eine erste Kompressionsstufe für eine Ladung liefert, wenn die Ladung während jeder Umdrehung der Kurbelwelle aus dem Kompressorzylinder übertragen wird; und einen ersten Arbeitszylinder mit einem entsprechenden Einlass, der mit dem ersten Auslass des Kompressorzylinders in Fluidverbindung steht, einem entsprechenden Auslass und einem entsprechenden Kolben, der in dem ersten Arbeitszylinder verschiebbar beweglich und mit der rotierenden Kurbelwelle funktional verbunden ist, wobei der erste Arbeitszylinder eine zweite Kompressionsstufe liefert und für ein Zünden der Ladung in dem ersten Arbeitszylinder bei jeder zweiten Umdrehung der Kurbelwelle sorgt; sowie einen zweiten Arbeitszylinder mit einem entsprechenden Einlass, der mit dem zweiten Auslass des Kompressorzylinders in Fluidverbindung steht, einem entsprechenden Auslass und einem entsprechenden Kolben, der in dem zweiten Arbeitszylinder verschiebbar beweglich und mit der rotierenden Kurbelwelle funktional verbunden ist, wobei der zweite Arbeitszylinder eine zweite Kompressionsstufe liefert und für ein Zünden der Ladung in dem zweiten Arbeitszylinder bei jeder zweiten Umdrehung der Kurbelwelle sorgt.
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In der
DE 195 28 342 A1 ist ein ähnlicher Verbrennungsmotor beschrieben, der jedoch nur einen Arbeitszylinder pro Kompressionszylinder aufweist.
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Auch die
JP H 04166656 A beschreibt einen ähnlichen Verbrennungsmotor mit einem Arbeitszylinder und einem Kompressionszylinder, wobei ein äußeres Abgasrückführungssystem vorgesehen ist, das mit dem Auslass des Arbeitszylinders gekoppelt ist und einen Anschluss mit langer Strecke umfasst, um einen Abgasweg vom Arbeitszylinder zum Einlass des Kompressionszylinders zu liefern.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Betreiben desselben zu schaffen, bei denen auf einfache Weise eine Aufladung erreicht wird und gleichzeitig die Eigenschaften einer Zylinderladung für einen gewünschten Verbrennungsmodus anpassbar sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen den Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
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Ein Verbrennungsmotor umfasst einen Kompressorzylinder mit einem entsprechenden Einlass, einem ersten Auslass und einem entsprechenden Kolben, der in dem Kompressorzylinder verschiebbar beweglich und mit einer rotierenden Kurbelwelle funktional verbunden ist. Der Kompressorzylinder liefert eine erste Kompressionsstufe für eine Ladung, wenn die Ladung während jeder Umdrehung der Kurbelwelle aus dem Kompressorzylinder übertragen wird. Ein erster Arbeitszylinder umfasst einen entsprechenden Einlass, der mit dem ersten Auslass des Kompressorzylinders in Fluidverbindung steht, einen entsprechenden Auslass und einen entsprechenden Kolben, der in dem ersten Arbeitszylinder verschiebbar beweglich und mit der rotierenden Kurbelwelle funktional verbunden ist. Der erste Arbeitszylinder liefert eine zweite Kompressionsstufe und sorgt für eine Zündung der Ladung in dem ersten Arbeitszylinder bei jeder zweiten Umdrehung der Kurbelwelle.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, von denen:
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1 einen Motor gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch darstellt;
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2 einen Motor mit Wärmetauscher-Einrichtungen und Abgasrückführungssystemen (AGR-Systemen) gemäß der vorliegenden Offenbarung schematisch darstellt; und
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3–7 die Bewegung und die Position von Kolben und Ventilen in einem Motor gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellen.
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AUSFÜHRLCHE BESCHREIBUNG
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Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, in denen das Gezeigte lediglich zu dem Zweck dient, bestimmte beispielhafte Ausführungsformen darzustellen, und nicht zu dem Zweck, selbige einzuschränken, zeigt 1 eine schematische Darstellung eines Motors 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die vorliegende Offenbarung sieht einen Dreizylinder-Verbrennungsmotor vor, der einen Zweittakt-Kompressorzylinder 2 und ein Paar von Viertakt-Arbeitszylindern 14, 16 aufweist. Das Paar von Arbeitszylindern 14, 16 kann als ein erster Arbeitszylinder 14 und ein zweiter Arbeitszylinder 16 bezeichnet werden.
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Der Kompressorzylinder 2 kann eine Bohrung aufweisen, in die ein entsprechender Hubkolben 13 (in 3–7 gezeigt) eingepasst ist, der mittels einer Pleuelstange mit einer rotierenden Kurbelwelle funktional verbunden ist. Der Kompressorzylinder 2 saugt eine Ladung mittels eines Kompressoreinlasses 4 an. Speziell wird die Ladung während eines ersten Takts des Kolbens 13, der zu dem Kompressorzylinder 2 gehört, bei jeder Kurbelwellenumdrehung in den Kompressorzylinder aufgenommen. Die Ladung kann Einlassluft oder eine Kombination von Einlassluft und einer äußeren Abgasrückführung (einer äußeren AGR) umfassen. Bei alternativen Ausführungsformen kann die Ladung ferner ein Luft-Kraftstoff-Gemisch umfassen, wenn der Motor ein Motor mit Vergaser ist. Die Ladung wird in den Kompressorzylinder 2 bei einem ersten Druck aufgenommen, der typischerweise der Umgebungsdruck ist. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der erste Druck ein beliebiger bereitgestellter Druck oberhalb des Umgebungsdrucks sein. Der Kompressorzylinder 2 umfasst zusätzlich ein Paar von Kompressorauslässen 6, 8, durch welche die Ladung, die in dem Kompressorzylinder 2 vorhanden ist, bei einem zweiten Druck aus dem Kompressorzylinder 2 übertragen wird. Das Paar von Kompressorzylinderauslässen 6, 8 kann als ein erster Kompressorzylinderauslass 6, der zu dem ersten Arbeitszylinder 14 gehört, und ein zweiter Kompressorzylinderauslass 8 bezeichnet werden, der zu dem zweiten Arbeitszylinder 16 gehört. Der Kompressorzylinder 2 liefert eine erste Kompressionsstufe für die Ladung, wenn die Ladung während jeder Umdrehung der Kurbelwelle aus dem Kompressorzylinder 2 übertragen wird.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der Kompressorzylinder 2 ein Zweitakt-Kompressorzylinder, bei dem ein Einlasstakt (ein erster Takt) und ein Kompressionstakt (ein zweiter Takt) während jeder Umdrehung der Kurbelwelle auftreten. Mit anderen Worten wird die Ladung, nachdem die Ladung während des ersten Takts in den Kompressorzylinder 2 aufgenommen wird, während eines zweiten Takts des Kolbens 13, der zu dem Kompressorzylinder 2 gehört, bei jeder Kurbelwellenumdrehung abwechselnd zu dem ersten bzw. dem zweiten Arbeitszylinder 14, 16 übertragen. Dementsprechend kann der Kompressorzylinder 2 ein entsprechendes Ventil aufweisen, das in dem Kompressorzylindereinlass 4 angeordnet ist und selektiv zwischen einer offenen Position zum Aufnehmen der Ladung während des ersten Takts und einer geschlossenen Position zum Übertragen der Ladung während des zweiten Takts betätigt wird. Das Übertragen liefert eine erste Kompression (eine erste Kompressionsstufe) für die Ladung. Die erste Kompression für die Ladung wird durch den Kompressorzylinder 2 realisiert, der ein größeres Volumen als jeder von dem ersten bzw. dem zweiten Arbeitszylinder 14, 16 aufweist. Der erste Takt des Kolbens 13, der zu dem Kompressorzylinder gehört, umfasst eine Bewegung in einer Richtung zum unteren Totpunkt des Kompressorzylinders 2. Auf ähnliche Weise umfasst der zweite Takt des Kolbens 13, der zu dem Kompressorzylinder gehört, eine Bewegung in einer Richtung zum oberen Totpunkt des Kompressorzylinders 2.
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Der erste Arbeitszylinder 14 umfasst einen Einlass 10 (einen ersten Arbeitszylindereinlass), der mit dem ersten Kompressorzylinderauslass 6 in Fluidverbindung steht, einen Auslass 18 (einen ersten Arbeitszylinderauslass) und einen entsprechenden Kolben 15 (der in 3–7 gezeigt ist), der in dem ersten Arbeitszylinder 14 verschiebbar beweglich und mit der rotierenden Kurbelwelle funktional verbunden ist. Der erste Arbeitszylinder 14 durchläuft eine zweite Kompressionsstufe und ein Brennen (eine Zündung) der Ladung in dem ersten Arbeitszylinder 14 bei jeder zweiten Umdrehung der Kurbelwelle. Der zweite Arbeitszylinder 16 umfasst einen Einlass 12 (einen zweiten Arbeitszylindereinlass), der mit dem zweiten Kompressorzylinderauslass 8 in Fluidverbindung steht, einen Auslass 20 (einen zweiten Arbeitszylinderauslass) und einen entsprechenden Kolben 17 (der in 3–7 gezeigt ist), der in dem zweiten Arbeitszylinder 16 verschiebbar beweglich und mit der rotierenden Kurbelwelle funktional verbunden ist. Der zweite Arbeitszylinder 16 durchläuft eine zweite Kompressionsstufe und ein Brennen (eine Zündung) der Ladung in dem zweiten Arbeitszylinder 16 einmal bei jeder zweiten Umdrehung der Kurbelwelle. Bei einer beispielhaften Ausführungsform tritt die zweite Kompressionsstufe und das Brennen (die Zündung) der Ladung in dem ersten Arbeitszylinder 14 während jeder anderen Umdrehung der Kurbelwelle auf, bei der die zweite Kompressionsstufe und die Zündung der Ladung in dem zweiten Arbeitszylinder 16 nicht auftritt. Jeder der Arbeitszylinderauslässe 18, 20 kann ein Ventil aufweisen, das selektiv zwischen einer geschlossenen Position und einer offenen Position betätigt wird, um während eines Auslasstakts bei jeder zweiten Umdrehung der Kurbelwelle abwechselnd Abgas aus dem ersten bzw. dem zweiten Arbeitszylinder 14, 16 auszustoßen.
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Beim Ausstoßen aus jedem der Arbeitszylinderauslässe 18, 20 werden die Abgase des Motors entweder direkt in die Atmosphäre ausgelassen oder zu einem Abgasnachbehandlungssystem geleitet, das einen Oxidations- und einen Reduktionskatalysator aufweisen kann, ohne auf diese beschränkt zu sein. Wie nachstehend in weiterem Detail unter Bezugnahme auf 2 erläutert ist, kann ein Teil der Abgase des Motors durch ein äußeres Abgasrückführungssystem (AGR-System) 150 zurückgeführt und als ein Teil einer Ladung in einem nachfolgenden Motorzyklus verwendet werden.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bewegen sich die Kolben 15, 17, die jeweils zu dem ersten bzw. zu dem zweiten Arbeitszylinder 14, 16 gehören, in eine Richtung entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung des Kolbens 13, der zu dem Kompressorzylinder 2 gehört. Somit bewegen sich die Kolben der Arbeitszylinder gegenphasig zu dem Kolben des Kompressorzylinders. Eine solche gegenphasige Bewegung kann absolut sein, wodurch sie die vollständige Drehung der Kurbelwelle umfasst, oder sie kann um einen gewissen vorbestimmten Winkel verschoben sein, wobei die Kurbelwinkelposition des Kolbens des Kompressorzylinders am oberen Totpunkt und am unteren Totpunkt bezogen auf die Kurbelwinkelposition der Kolben der Arbeitszylinder am oberen Totpunkt und am unteren Totpunkt nach früh oder nach spät verstellt sein kann. Solche Verschiebungen können beispielsweise unterschiedliche Grade der effektiven Kompressionsverhältnisse der Ladung liefern und die Einlassströmungsdynamik und verschiedene Einlasskanalgeometrien berücksichtigen. Im Allgemeinen wird jedoch in Betracht gezogen, dass die Bewegung des Kolbens des Kompressorzylinders im Wesentlichen gegenphasig zu der Bewegung der Kolben der Arbeitszylinder verläuft. Wie hierin verwendet, umfasst der Begriff ”im Wesentlichen gegenphasig” solche Verschiebungswinkel. Vorzugsweise ist ein solcher Verschiebungswinkel kleiner als ungefähr +/–90 Grad der Kurbelwellendrehung. Bevorzugter ist ein solcher Verschiebungswinkel kleiner als ungefähr +/–45 Grad der Kurbelwellendrehung. Bevorzugter ist ein solcher Verschiebungswinkel kleiner als ungefähr +/–22,5 Grad der Kurbelwellendrehung.
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Ein erster Anschluss 9 ist zwischen dem ersten Kompressorzylinderauslass 6 und dem ersten Arbeitszylindereinlass 10 angeordnet. Jeder von dem ersten Kompressorzylinderauslass 6 und dem ersten Arbeitszylindereinlass 10 weist Ventile auf, die selektiv zwischen einer offenen und einer geschlossenen Position aktiviert werden, die eine ausreichende Ventilzeiteinstellung liefern, um selektiv eine Fluidverbindung zwischen dem Kompressorzylinder 2 und dem ersten Arbeitszylinder 14 mittels des ersten Anschlusses 9 herzustellen. Auf ähnliche Weise ist ein zweiter Anschluss 11 zwischen dem zweiten Kompressorzylinderauslass 8 und dem zweiten Arbeitszylindereinlass 12 angeordnet. Jeder von dem zweiten Kompressorzylinderauslass 8 und dem zweiten Arbeitszylindereinlass 12 weist Ventile auf, die selektiv zwischen einer offenen und einer geschlossenen Position aktiviert werden, die eine ausreichende Ventilzeiteinstellung liefern, um eine Fluidverbindung zwischen dem Kompressorzylinder 2 und dem zweiten Arbeitszylinder 16 mittels des zweiten Anschlusses 11 herzustellen.
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Wie zuvor erwähnt wurde, kann jedes der Ventile, die auf unterschiedliche Weise zu entsprechenden der Einlässe und Auslässe des Kompressorzylinders 2 bzw. des ersten und des zweiten Arbeitszylinders 14, 16 gehören, selektiv zwischen einer offenen und einer geschlossenen Position aktiviert werden, die eine ausreichende Ventilzeiteinstellung liefern, um einen Zweittaktbetrieb des Kompressorzylinders 2 bzw. einen Viertaktbetrieb in jedem der Arbeitszylinder 14, 16 zu ermöglichen. Der Zweitaktbetrieb des Kompressorzylinders 2 umfasst, dass die Ladung während des ersten Takts des Kolbens, der zu dem Kompressorzylinder 2 gehört, in den Kompressorzylinder 2 aufgenommen wird und dass die Ladung in dem Kompressorzylinder 2 während des zweiten Takts des Kolbens 13, der zu dem Kompressorzylinder 2 gehört und die erste Kompressionsstufe für die Ladung liefert, für jede Kurbelwellenumdrehung abwechselnd zu dem ersten bzw. zu dem zweiten Arbeitszylinder 14, 16 übertragen wird. Der Viertaktbetrieb in jedem von dem ersten bzw. dem zweiten Arbeitszylinder 14, 16 liefert die zweite Kompressionsstufe für die Ladung abwechselnd in dem ersten bzw. dem zweiten Arbeitszylinder 14, 16 bei jeder zweiten Umdrehung der Kurbelwelle.
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Unter Bezugnahme auf 2 ist eine schematische Darstellung eines Motors 101 gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Der Motor 101 ist ein Dreizylinder-Verbrennungsmotor, der einen Zweitakt-Kompressorzylinder 200 und ein Paar von Viertakt-Arbeitszylindern 140, 160 aufweist. Der Betrieb und die Funktionalität des Kompressorzylinders 200 und jedes von dem Paar der Viertakt-Arbeitszylinder 140, 160 ist identisch zu dem Kompressorzylinder 2 und dem Paar von Arbeitszylindern 14, 16, die vorstehend unter Bezugnahme auf 1 erläutert wurden. Der Motor 101, der in 2 dargestellt ist, stellt ferner ein äußeres AGR-System 150 dar, das einen ersten bzw. zweiten AGR-Anschluss 351, 251 mit kurzer Strecke aufweist, um eine äußere AGR an den ersten bzw. an den zweiten Arbeitszylinder 140, 160 zu liefern; sowie einen ersten bzw. einen zweiten AGR-Anschluss 352, 252 mit langer Strecke, um eine äußere AGR an den Einlass 400 des Kompressorzylinders 200 zu liefern. Das AGR-System 150 liefert Abgas aus jedem der Arbeitszylinder 140, 160, das zu den AGR-Anschlüssen 351, 251 mit kurzer Strecke und zu den AGR-Anschlüssen 352, 252 mit langer Strecke zurückgeführt werden kann. Die AGR-Anschlüsse 352, 252 mit langer Strecke werden verwendet, wenn eine Ladung, die durch den Kompressorzylinder 200 aufgenommen oder angesaugt wird, eine Kombination aus Einlassluft und äußerer AGR umfasst. Der erste und der zweite AGR-Anschluss 352, 252 mit langer Strecke können ein erstes bzw. ein zweites Auslassventil 152, 154 für die lange Strecke umfassen, um eine Menge der zurückgeführten äußeren AGR zu steuern, welche die Ladung ergänzt und aus dem ersten bzw. aus dem zweiten Arbeitszylinder 140, 160 in den Einlass 400 eintritt. Der erste bzw. der zweite AGR-Anschluss 351, 251 mit kurzer Strecke kann ein erstes bzw. ein zweites Auslassventil 355, 255 für die kurze Strecke aufweisen, um eine Menge der zurückgeführten AGR zu steuern, die über einen ersten bzw. einen zweiten Arbeitszylindereinlass 142, 162 in den ersten bzw. in den zweiten Arbeitszylinder 140, 160 eintritt. Es versteht sich, dass das äußere AGR-System 150 mit entsprechenden Auslässen 180, 210 jedes von dem ersten bzw. dem zweiten Arbeitszylinder 140, 160 gekoppelt sein kann oder dass das äußere AGR-System 150 nur mit einem der entsprechenden Auslässe 180, 210 gekoppelt sein kann.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann der erste bzw. der zweite AGR-Anschluss 352, 252 mit langer Strecke fluidisch mit einem entsprechenden von einem ersten bzw. einem zweiten AGR-Wärmetauscher 196, 116 für die lange Strecke gekoppelt sein, die stromaufwärts des entsprechenden ersten bzw. zweiten Auslassventils 152, 154 für die lange Strecke angeordnet sind. Bei einer Ausführungsform können zumindest ein erster und/oder ein zweiter AGR-Wärmetauscher 196 und/oder 116 für die lange Strecke jeweils verwendet werden, um die zurückgeführte äußere AGR zu kühlen, die während eines Betriebs mit hoher Last in den Einlass 400 des Kompressorzylinders 200 eintritt. Bei einer anderen Ausführungsform können zumindest ein erster und/oder ein zweiter AGR-Wärmetauscher 196 und/oder 116 für die lange Strecke jeweils verwendet werden, um die zurückgeführte äußere AGR aufzuheizen, die während eines Betriebs mit niedriger Last in den Einlass 400 des Kompressorzylinders 200 eintritt.
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Bei einer alternativen Ausführungsform können zumindest ein erster und/oder ein zweiter Bypassanschluss 151 und/oder 153 für den AGR-Wärmetauscher für die lange Strecke jeweils verwendet werden, um zumindest einen entsprechenden ersten und/oder zweiten AGR-Wärmetauscher 196 und/oder 116 für die lange Strecke jeweils zu umgehen, wenn die AGR-Wärmetauscher 196, 116 für die lange Strecke verwendet werden, um die zurückgeführte AGR zu kühlen. Beispielsweise umgehen die Bypassanschlüsse 151, 153 für die AGR-Wärmetauscher für die lange Strecke die entsprechenden AGR-Wärmetauscher 196, 116 für die lange Strecke, so dass die zurückgeführte AGR während des Betriebs mit niedriger Last nicht gekühlt wird, und sie liefern dadurch Wärme an die Ladung, die in den Einlass 400 des Kompressorzylinders 200 eintritt.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann der Motor 101 ferner zumindest einen ersten bzw. zweiten Wärmetauscher 195 und/oder 115 für die komprimierte Ladung aufweisen, die zwischen dem Kompressorzylinder 200 und zumindest einem von dem ersten bzw. zweiten Arbeitszylinder 140 und/oder 160 angeordnet sind. Speziell kann ein erster Anschluss 190, der eine Fluidverbindung zwischen dem Kompressorzylinder 200 und dem ersten Arbeitszylinder 140 herstellt, wenn sich ein erster Kompressorauslass 204 und der erste Arbeitszylindereinlass 142 selektiv in offenen Positionen befinden, mit dem ersten Wärmetauscher 195 für die komprimierte Ladung gekoppelt sein. Auf ähnliche Weise kann ein zweiter Anschluss 110, der eine Fluidverbindung zwischen dem Kompressorzylinder 200 und dem zweiten Arbeitszylinder 160 herstellt, wenn sich ein zweiter Kompressorauslass 206 und der zweite Arbeitszylindereinlass 162 selektiv in offenen Positionen befinden, mit dem zweiten Wärmetauscher 115 für die komprimierte Ladung gekoppelt sein. Die Wärmetauscher 195, 115 für die komprimierte Ladung können dafür sorgen, dass die übertragene Ladung in entsprechenden von den ersten und zweiten Anschlüssen 190, 110 nach einer ersten Kompression und vor einer zweiten Kompression der Ladung aufgeheizt und/oder gekühlt wird. Bei einer Ausführungsform können die Wärmetauscher 195, 115 für die komprimierte Ladung verwendet werden, um während eines Betriebs mit niedriger Last jeweils für das Aufheizen der übertragenen Ladung in den entsprechenden Arbeitszylindern 140, 160 zu sorgen. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Wärmetauscher verwendet werden, um für das Kühlen der übertragenen Ladung während eines Betriebs mit hoher Last zu sorgen. Der Wärmetauscher für die komprimierte Ladung kann beispielsweise für das Kühlen sorgen, um eine Selbstzündung zu verhindern, wenn die Arbeitszylinder in einem Modus mit Funkenzündung, in einem Modus mit homogener Kompressionszündung (HCCI-Modus) mit Funkenunterstützung und/oder in einem Modus mit vorgemischter Ladung und Kompressionszündung (PCCI-Modus) mit Funkenunterstützung arbeiten. Das Kühlen der übertragenen Ladung kann verwendet werden, um die Dichte der übertragenen Ladung in zumindest einem von dem ersten bzw. zweiten Arbeitszylinder 140, 160 zu erhöhen. Bei einer alternativen Ausführungsform kann jeder Anschluss 190, 110 einen jeweiligen Bypassanschluss 191, 111 für den Wärmetauscher für die komprimierte Ladung aufweisen. Der erste bzw. der zweite Bypassanschluss 191, 111 für den Wärmetauscher für die komprimierte Ladung umgeht jeweils den entsprechenden Wärmetauscher 195, 115 für die komprimierte Ladung, wenn die Wärmetauscher 195, 115 für die komprimierte Ladung verwendet werden, um die übertragene Ladung zu kühlen. Die Bypassanschlüsse 191, 111 für den Wärmetauscher für die komprimierte Ladung umgehen beispielsweise jeweils den entsprechenden Wärmetauscher 195, 115 für die komprimierte Ladung derart, dass die übertragene Ladung während eines Betriebs bei niedriger Last in keinem von den entsprechenden Arbeitszylindern 140, 160 gekühlt wird.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann der erste bzw. der zweite AGR-Anschluss 351, 251 mit kurzer Strecke jeweils fluidisch mit einem entsprechenden von dem ersten bzw. zweiten AGR-Wärmetauscher 197, 117 für die kurze Strecke gekoppelt sein, die jeweils stromaufwärts des entsprechenden ersten bzw. zweiten Auslassventils 355, 255 für die kurze Strecke angeordnet sind. Bei einer Ausführungsform kann jeweils zumindest ein erster und/oder zweiter AGR-Wärmetauscher 197 und/oder 117 für die kurze Strecke verwendet werden, um die zurückgeführte äußere AGR zu kühlen, die jeweils in einen entsprechenden von dem ersten bzw. zweiten Arbeitszylinder 140, 160 während eines Betriebs mit hoher Last eintritt. Bei einer anderen Ausführungsform kann jeweils zumindest ein erster und/oder zweiter AGR-Wärmetauscher 197, 117 für die kurze Strecke verwendet werden, um die zurückgeführte äußere AGR aufzuheizen, die während eines Betriebs mit niedriger Last jeweils in entsprechende von dem ersten bzw. zweiten Arbeitszylinder 140, 160 eintritt. Bei einer alternativen Ausführungsform kann jeweils zumindest ein erster und/oder zweiter Bypassanschluss 123 und/oder 121 für den AGR-Wärmetauscher für die kurze Strecke verwendet werden, um jeweils zumindest einen entsprechenden ersten und/oder zweiten AGR-Wärmetauscher 197 und/oder 117 für die kurze Strecke zu umgehen, wenn die AGR-Wärmetauscher 197, 117 für die kurze Strecke verwendet werden, um die zurückgeführte AGR zu kühlen. Beispielsweise umgehen die Bypassanschlüsse 123, 121 für die AGR-Wärmetauscher für die kurze Strecke die entsprechenden AGR-Wärmetauscher 197, 117 für die kurze Strecke derart, dass die zurückgeführte AGR während eines Betriebs bei niedriger Last nicht gekühlt wird, und sie liefern folglich Wähne an die Ladung, die in die Arbeitszylinder 140, 160 eintritt. Bei einer alternativen Ausführungsform können die Wärmetauscher 195, 115 für die komprimierte Ladung die Wärme der äußeren AGR verwenden, die mittels entsprechender AGR-Anschlüsse 351, 251 mit kurzer Strecke zurückgeführt wird.
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3–7 zeigen die relative Bewegung und die relative Position von Kolben und Ventilen in einem Motor während verschiedener Betriebzustände gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Während eines Einlasstakts, der in 3 gezeigt ist, wird Luft (eine Ladung 3) in den Kompressorzylinder 2 angesaugt, wenn sich der Kolben 13 in dem Kompressorzylinder 2 in seiner Zylinderbohrung abwärts bewegt, während der Kompressoreinlass 4 geöffnet ist und sowohl der erste als auch der zweite Auslass 6, 8 jeweils geschlossen sind. Der erste Arbeitszylinder 14 durchläuft die zweite Kompression (die zweite Kompressionsstufe), wie es nachstehend weiter erläutert wird, wobei sich dessen Kolben 15 aufwärts bewegt und dessen Einlass sowie dessen Auslass 10, 18 geschlossen sind. Der zweite Arbeitszylinder 16 durchläuft einen Auslasstakt, wie es nachstehend weiter erläutert wird, wobei sich dessen Kolben 17 aufwärts bewegt, dessen Einlass 12 geschlossen ist und dessen Auslass 20 offen ist.
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Während der ersten Kompression (der ersten Kompressionsstufe), die in 4 dargestellt ist, ist der Einlass 4 des Kompressorzylinders geschlossen, der erste Auslass 6 ist geschlossen, und der zweite Auslass 8 ist offen, wodurch ermöglicht wird, dass die Ladung 3, die in dem Kompressorzylinder 2 vorhanden ist, durch den offenen Einlass 12 des zweiten Arbeitszylinders 16 in den zweiten Arbeitszylinder 16 gedrängt (übertragen) wird, wobei der Auslass 20 des zweiten Arbeitszylinders 16 geschlossen ist. Somit durchläuft der zweite Arbeitszylinder 16 einen Einlasstakt, bei dem sich dessen Kolben 17 in seiner Zylinderbohrung abwärts bewegt. Die in den zweiten Arbeitszylinder 16 übertragene Ladung 3 befindet sich bei einem Druck, der bezüglich des Betrags höher als der atmosphärische Druck ist, was dadurch realisiert wird, dass der Kompressorzylinder 2 ein größeres Volumen als jeder von den Arbeitszylindern 14, 16 aufweist. Gleichzeitig kann ein Wärmetauscher verwendet werden, wie beispielsweise der zweite Wärmetauscher 115 für die komprimierte Ladung, der in 2 dargestellt ist, um dafür zu sorgen, dass die zwischen dem Kompressorzylinder 2 und dem zweiten Arbeitszylinder 16 übertragene Ladung aufgeheizt und/oder gekühlt wird. Der zweite Wärmetauscher 115 für die komprimierte Ladung kann beispielsweise verwendet werden, um die übertragene Ladung während eines Betriebs mit hoher Last zu kühlen, oder es kann der zweite Wärmetauscher 115 für die komprimierte Ladung verwendet werden, um die übertragene Ladung während eines Betriebs mit niedriger Last aufzuheizen. Gleichzeitig durchläuft der erste Arbeitszylinder 14 einen Arbeitstakt, wie es nachstehend in weiterem Detail erläutert wird, wobei sowohl dessen Einlass als auch dessen Auslass 10, 18 jeweils geschlossen sind und sich dessen Kolben 15 abwärts bewegt.
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Während der zweiten Kompression der Ladung, die in 5 gezeigt ist, sind der Einlass und der Auslass 12, 20 des zweiten Arbeitszylinders 16 jeweils beide geschlossen, und der Kolben 17 bewegt sich in seiner Bohrung aufwärts, um die zweite Kompression (die zweite Kompressionsstufe) für die eingeschlossene Ladung vor der Zündung zu erreichen. Gleichzeitig kann ein Wärmetauscher, wie beispielsweise der zweite Wärmetauscher 115 für die komprimierte Ladung, der in 2 dargestellt ist, verwendet werden, um dafür zu sorgen, dass Teile der Ladung, die zwischen dem Kompressorzylinder 2 und dem zweiten Arbeitszylinder 16 eingeschlossen sind, aufgeheizt und/oder gekühlt werden. Die Zündung kann eine Kompressionszündung, die HCCI und PCCI umfasst, und eine herkömmliche Kompressionszündung umfassen, wie sie bei Dieselmotoren verwendet wird. Die Zündung kann ferner eine Funkenzündung oder funkenunterstützte HCCI- und PCCI-Zündungen umfassen. Der erste Kompressorzyzylinder 2 durchläuft einen weiteren Einlasstakt, bei dem dessen Einlass 4 offen ist und bei dem der erste und der zweite Auslass 6, 8 jeweils geschlossen sind, während sich der Kolben 13 abwärts bewegt. Der erste Arbeitszylinder 14 durchläuft einen Auslasstakt, bei dem dessen entsprechender Einlass 10 geschlossen ist und der entsprechende Auslass 18 offen ist, um Abgas auszustoßen, während sich der Kolben 15 aufwärts bewegt. Es ist einzusehen, dass eine Kurbelwellenumdrehung zwischen dem Einlasstakt in dem Kompressorzylinder 2 und der zweiten Kompression in dem zweiten Arbeitszylinder 16, die in 3 bzw. 5 dargestellt sind, verstrichen ist. Mit anderen Worten sind der erste bzw. der zweite Arbeitszylindereinlass 10, 12 und der zweite Arbeitszylinderauslass 20 während des Ausstoßens des Abgases aus dem Arbeitszylinder 14 und des Lieferns der zweiten Kompression für die Ladung in dem zweiten Arbeitszylinder 16 selektiv geschlossen. Der erste Arbeitszylinderauslass 18 wird selektiv geöffnet, um Abgas aus dem ersten Arbeitszylinder 14 auszustoßen, und der zweite Arbeitszylinderauslass 20 selektiv geschlossen, um die zweite Kompression für die Ladung zu liefern.
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Während des Arbeitstakts (Expansionstakts), der in 6 gezeigt ist, drängen die Gase, die infolge der Zündung und der Verbrennung der Ladung in dem zweiten Arbeitszylinder 16 erzeugt werden, den Kolben 17 in dem zweiten Arbeitszylinder 16 abwärts, und der Einlass bzw. der Auslass 12, 20 sind geschlossen. Gleichzeitig durchläuft der Kompressorzylinder 2 einen weiteren Kompressionstakt (eine erste Kompression), bei dem der Einlass und der zweite Auslass 4, 8 geschlossen sind und der erste Auslass 6 offen ist. Gleichzeitig durchläuft der erste Arbeitszylinder 14 einen Einlasstakt, bei dem das Einlassventil 10 offen und das Auslassventil 18 geschlossen ist, während sich der Kolben abwärts bewegt. Dadurch überträgt der Kompressorzylinder 2 die Ladung während eines zweiten Takts des Kolbens 13, der zu dem Kompressorzylinder 2 gehört, bei jeder Kurbelwellenumdrehung abwechselnd zu dem ersten bzw. zu dem zweiten Arbeitszylinder 14, 16. Die zweite Kompression wird für die Ladung abwechselnd in dem ersten bzw. dem zweiten Arbeitszylinder 14, 16 bei jeder Kurbelwellenumdrehung während des Einlasstakts (Einlasstakts) des Kompressorzylinders 2 geliefert, wobei die zweite Kompression und die Zündung der Ladung jeweils einmal bei jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung in jedem von dem ersten bzw. dem zweiten Arbeitszylinder 14, 16 auftritt. Hier ist der Kompressoreinlass 4 immer geschlossen, und einer von dem ersten bzw. dem zweiten Kompressorzylinderauslass 18, 20 ist offen, und der andere von dem ersten bzw. dem zweiten Kompressorzylinderauslass 18, 20 ist selektiv entsprechend dem Abwechseln des ersten bzw. des zweiten Arbeitszylinders 14, 16 geschlossen, der die übertragene Ladung von dem Kompressorzylinder 2 aufnimmt.
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Während des Auslasstakts, der in 7 gezeigt ist, wird das verbrannte und ausgedehnte Gas, das in dem zweiten Arbeitszylinder 16 vorhanden ist, durch den offenen Auslass 20 des zweiten Arbeitszylinders 16 aufgrund dessen ausgestoßen, dass sich der Kolben 17 aufwärts bewegt, wodurch der Ausstoß des verbrannten und ausgedehnten Gases aus dem Motor ermöglicht wird. Der Einlass 12 des zweiten Arbeitszylinders 16 ist während des Auslasstakts geschlossen. Das Abgas aus dem zweiten Arbeitszylinder 16 kann direkt in die Atmosphäre ausgelassen werden, oder es kann zu einem Abgasnachbehandlungssystem geleitet werden, das einen Oxidations- und einen Reduktionskatalysator umfasst, ohne auf diese beschränkt zu sein. Ferner kann ein Teil des Abgases aus dem zweiten Arbeitszylinder 16 zu einem AGR-System geleitet werden (zum AGR-System 150, das in 2 gezeigt ist), das einen AGR-Anschluss mit langer Strecke (den zweiten AGR-Anschluss 252 mit langer Strecke) und einen AGR-Anschluss mit kurzer Strecke (den zweiten AGR-Anschluss 251 mit kurzer Strecke) aufweisen kann. Der AGR-Anschluss mit langer Strecke kann das Abgas aus dem zweiten Arbeitszylinder 16 zurück zu dem Einlass 4 des Kompressorzylinders zurückführen, wenn eine Ladung, die durch den Kompressorzylinder 2 aufgenommen oder angesaugt wird, eine Kombination von Einlassluft und äußerer AGR umfasst. Der AGR-Anschluss mit kurzer Strecke kann das Abgas aus dem zweiten Arbeitszylinder 16 zu dem Einlass 12 des zweiten Arbeitszylinders 16 zurückführen. Die Konfiguration der Kurbelwelle sowie der Kolben und Ventile für jeden der Zylinder ist mit derjenigen des Kompressor-Einlasstakts identisch, der vorstehend unter Bezugnahme auf 3A beschrieben ist.
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Es versteht sich, dass, obgleich 3–7 einen Motorbetrieb mit Aufnehmen einer Ladung in den Kompressorzylinder 2 über einen Viertaktbetrieb des zweiten Arbeitszylinders 16 darstellen, die Bewegung und die Position des Kolbens 15, des Einlasses 10 und des Auslasses 18 über den Viertaktbetrieb des ersten Arbeitszylinders 14 während einer nachfolgenden Kurbelwellenumdrehung identisch ist. Mit anderen Worten weist der zweite Arbeitszylinder 16 den anderen von einem zweiten Kompressionstakt und einem Auslasstakt auf, wenn der erste Arbeitszylinder 14 einen von einem zweiten Kompressionstakt und einem Auslasstakt aufweist. Wenn der erste Arbeitszylinder 14 einen von einem Arbeitstakt und einem Einlasstakt aufweist, weist der zweite Arbeitszylinder 16 auf ähnliche Weise den anderen von einem Arbeitstakt und einem Einlasstakt auf.
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Es kann ein Steuermodul verwendet werden, um den Betrieb der Kolben und das selektive Schließen und Öffnen der Ventile über den Zweitaktbetrieb des Kompressorzylinders 2 und den Viertaktbetrieb in jedem von dem ersten bzw. dem zweiten Arbeitszylinder 14, 16 zu steuern.
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Steuermodul, Modul, Steuerung, Controller, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Ausdrücke bedeuten eine geeignete oder verschiedene Kombinationen eines anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises (ASIC) oder mehrerer anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreise, eines elektronischen Schaltkreises oder mehrerer elektronischer Schaltkreise, einer zentrale Verarbeitungseinheit oder mehrerer zentraler Verarbeitungseinheiten (vorzugsweise ein Mikroprozessor bzw. Mikroprozessoren) und eines zugeordneten Speichers und einer zugeordneten Archivierung (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Arbeitsspeicher, Festplatte usw.), die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eines Schaltkreises der Schaltungslogik oder mehrerer Schaltkreise der Schaltungslogik, einer oder mehrerer Eingabe/Ausgabe-Schaltung(en) und -Einrichtungen, geeigneter Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungen sowie anderer geeigneter Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Routinen, Code, Algorithmen und ähnliche Ausdrücke bedeuten beliebige durch einen Controller ausführbare Anweisungssätze, die Kalibrierungen und Nachschlagetabellen umfassen. Das Steuermodul weist einen Satz von Steuerroutinen auf, die ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen zu schaffen. Die Routinen werden beispielsweise von der zentralen Verarbeitungseinheit ausgeführt und dienen dazu, Eingaben von den Detektionseinrichtungen und anderen Steuermodulen im Netzwerk zu überwachen sowie Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb von Aktuatoren zu steuern. Die Routinen können während des laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebs in regelmäßigen Intervallen ausgeführt werden, beispielsweise jede 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden. Alternativ können die Routinen in Ansprechen auf ein Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
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Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und deren Modifikationen beschrieben. Weitere Modifikationen und Veränderungen können Anderen während des Lesens und Verstehens der Beschreibung auffallen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die spezielle Ausführungsform bzw. die speziellen Ausführungsformen beschränkt ist, die als die beste Weise offenbart wird bzw. werden, die für die Ausführung dieser Offenbarung in Erwägung gezogen wird, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen umfassen wird, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
