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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegenden Lehren umfassen allgemein eine Verbrennungsmotorbaugruppe und insbesondere einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er der Art nach im Wesentlichen aus der
DE 10 2013 221 937 A1 bekannt ist.
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Ferner geht aus der
DE 10 2009 006 633 A1 ein Mehrgelenkkurbeltrieb mit ausschließlich stabilen Bolzenverbindungen hervor, um den Hub eines Kolbens in einem Zylinder zu verstellen. Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die
DE 10 2008 049 088 A1 verwiesen.
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HINTERGRUND
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Verbrennungsmotoren verbrennen Gemische aus Luft und Kraftstoff, um mechanische Leistung zum Arbeiten zu erzeugen. Die Basiskomponenten eines Verbrennungsmotors sind in der Technik wohlbekannt und umfassen vorzugsweise einen Motorblock, einen Zylinderkopf, Zylinder, Kolben, Ventile, eine Kurbelwelle und eine oder mehrere Nockenwellen. Die Zylinderköpfe, die Zylinder und die Oberseiten der Kolben bilden typischerweise Verbrennungskammern mit variablem Volumen, in die Kraftstoff und Luft eingeleitet werden, und die Verbrennung tritt als Teil eines thermodynamischen Zyklus der Einrichtung auf. Bei allen Verbrennungsmotoren wird verwendbare Energie mittels heißer, gasförmiger Verbrennungsprodukte erzeugt, welche direkt auf bewegbare Motorkomponenten wirken, wie beispielsweise auf die Oberseite oder den Boden eines Kolbens. Im Allgemeinen wird die Hubbewegung der Kolben mittels Pleuelstangen in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle übertragen. Ein bekannter Verbrennungsmotor arbeitet in einem Viertakt-Verbrennungszyklus, wobei ein Takt als eine vollständige Bewegung eines Kolbens von einer oberen Totpunktposition (TDC-Position) zu einer unteren Totpunktposition (BDC-Position) oder umgekehrt definiert ist, und die Takte umfassen einen Einlasstakt, einen Kompressionstakt, einen Arbeitstakt und einen Auslasstakt. Dementsprechend ist ein Viertaktmotor hierin als ein Motor definiert, der vier vollständige Takte eines Kolbens für jeden Arbeitstakt einer Zylinderladung erfordert, d.h. für jeden Takt, der einer Kurbelwelle Leistung zuführt.
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Die Gesamteffizienz eines Verbrennungsmotors hängt von dessen Fähigkeit ab, die Effizienz der gesamten Prozesse zu maximieren, indem die Kompromisse minimiert werden, die zu Energieverlusten an die Umgebung führen. Das Aufteilen des herkömmlichen Viertaktzyklus auf fest zugeordnete Komponenten ermöglicht, dass der Kompressionsprozess effizienter ausgeführt wird, indem eine Annäherung an eine isotherme Kompression einer Zylinderladung durch eine Wärmeentnahme während der Kompression versucht wird, beispielsweise unter Verwendung eines Wärmetauschers. Auf ähnliche Weise kann eine größere Energiemenge während der Expansion einer Zylinderladung erhalten werden, indem man sich in Richtung einer adiabatischen Expansion bewegt und diese Expansion weiter ausdehnt, um die Arbeitsgase herunter auf Atmosphärendruck zu bringen. Zusätzlich ermöglicht das Maximieren des Verhältnisses der spezifischen Wärmen des Arbeitsgases, während jede spezifische Wärme einzeln verringert wird, eine grö-ßere Energieentnahme über die Expansion, während die mechanischen Verluste und die Strömungsverluste minimiert werden, die mit jeder fest zugeordneten Komponente verbunden sind.
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Ein bekannter Ansatz zum Behandeln dieser Herausforderungen ist ein Turbolader-Dieselmotor mit Verbrennung bei niedriger Temperatur (LTC-Turbolader-Dieselmotor). Der LTC-Turboladerdiesel beruht auf einem Kompressionsprozess mit zwei Stufen, die durch eine Ladungskühlung zur Annäherung an eine isotherme Kompression getrennt sind, wodurch die Arbeit verringert wird, die zum Erreichen einer gegebenen Luftdichte erforderlich ist, auf einer mageren Verbrennung bei niedriger Temperatur, um Wärmeverluste zu minimieren, während die Gaseigenschaften verbessert werden, und auf einem Expansionsprozess mit zwei Stufen, um die Energiegewinnung mittels der heißen Nachverbrennungsgase zu erhöhen. Thermodynamisch ist der Turboladerdiesel ein Motor mit mehreren Wellen und einer doppelten Kompression sowie einer doppelten Expansion, welcher auf einer Kombination einer Drehmaschine und einer Hubkolbenmaschine beruht, um zwei Kompressionen vor der Verbrennung und zwei Expansionen nach der Verbrennung auszuführen. Die Gesamteffizienz kann jedoch durch die Fähigkeit begrenzt sein, die Leistung dieser Komponenten über den Betriebsbereich abzustimmen und zu optimieren. Luftbehandlungssysteme, die zum Bereitstellen einer Turboaufladung bei von außen aufgeladenen Motoren mit mehreren Wellen verwendet werden, können komplexere Aufladungssysteme umfassen, die zwei und drei Stufen der Turboaufladung oder Kombinationen von Turboladern und mechanisch angetriebenen Turbokompressoren verwenden. Zusätzlich zu den Aufladungseinrichtungen erfordern die Systeme Wärmetauscher, Bypassventile und Steuerungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Gesamteffizienz eines Verbrennungsmotors zu optimieren.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Diese Aufgabe wird mit einem Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Es wird ein Verbrennungsmotor mit einzelner Welle und doppelter Expansion beschrieben, und er umfasst einen Motorblock, einen Zylinderkopf, eine einzelne Kurbelwelle und eine Pleuelstangenbaugruppe mit mehreren Verbindungen. Der Motorblock weist einen ersten und einen zweiten Arbeitszylinder sowie einen Expanderzylinder auf. Der Zylinderkopf ist fluidtechnisch mit dem ersten und dem zweiten Arbeitszylinder sowie mit dem Expanderzylinder gekoppelt. Der erste und der zweite Arbeitskolben führen jeweils in dem ersten bzw. dem zweiten Arbeitszylinder eine Hubbewegung aus und sind mit einem jeweiligen ersten und zweiten Kurbelzapfen der Kurbelwelle verbunden. Die Pleuelstangenbaugruppe mit mehreren Verbindungen umfasst einen starren Haupthebel, der sich rechtwinklig zu einer Längsachse der Kurbelwelle erstreckt und einen ersten Gelenkzapfen, der an einem ersten Ende des Haupthebels angeordnet ist, einen zweiten Gelenkzapfen, der an einem zentralen Abschnitt des Haupthebels angeordnet ist, und einen dritten Gelenkzapfen trägt, der an einem zweiten Ende des Haupthebels angeordnet ist. Der erste Gelenkzapfen ist mittels einer Pleuelstange mit einem Expanderkolben verbunden, der eine Hubbewegung in dem dritten Zylinder ausführt. Ein dritter Kurbelzapfen der Kurbelwelle wirkt als der zweite Kurbelzapfen und weist einen Hub auf, der bezüglich eines Hubs des ersten Kurbelzapfens um 180 Grad um die Längsachse der Kurbelwelle gedreht ist. Der dritte Gelenkzapfen ist mit einem ersten Ende eines Schwinghebels gekoppelt, und ein zweites Ende des Schwinghebels ist drehbar mit einem vierten Gelenkzapfen gekoppelt, der mit einem distalen Ende eines rotierenden Hebels gekoppelt ist, der an einer rotierenden Welle befestigt ist, die mit der Drehung der Kurbelwelle gekoppelt ist.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Lehren werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der besten Weisen zum Ausführen der vorliegenden Lehren leicht offensichtlich, wenn die Beschreibung mit den begleitenden Zeichnungen in Verbindung gebracht wird.
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Figurenliste
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- 1 stellt schematisch eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Verbrennungsmotors mit einzelner Welle und doppelter Expansion gemäß der Offenbarung dar;
- 2 stellt schematisch eine Draufsicht eines Abschnitts einer Ausführungsform eines Verbrennungsmotors mit einzelner Welle und doppelter Expansion gemäß der Offenbarung dar;
- 3 zeigt graphisch ein Druck-Volumen-Diagramm (PV-Diagramm) gemäß der Offenbarung, welches dem Betrieb einer Ausführungsform eines Verbrennungsmotors mit einzelner Welle und doppelter Expansion zugeordnet ist;
- 4-1 bis 4-5 stellen skizzenhaft den Betrieb einer Ausführungsform des Verbrennungsmotors mit einzelner Welle und doppelter Expansion, welcher einen optionalen Turbokompressor aufweist, während nacheinander ausgeführter Motortakte, die dessen Betrieb zugeordnet sind, gemäß der Offenbarung dar; und
- 5 zeigt graphisch den Betrieb des Verbrennungsmotors mit einzelner Welle und doppelter Expansion über den Verlauf eines einzelnen Verbrennungszyklus anhand des Öffnens und Schließens der verschiedenen Einlass- und Auslassventile bezogen auf den Kurbelwinkel und Hubvolumina der Zylinder sowie entsprechende Funkenzündungsereignisse gemäß der Offenbarung;
- 6 zeigt graphisch den Betrieb einer Ausführungsform des Verbrennungsmotors mit einzelner Welle und doppelter Expansion, der hierin beschrieben ist, über den Verlauf eines einzelnen Verbrennungszyklus bei zwei unterschiedlichen Drehphaseneinstellungspositionen eines rotierenden Hebels bezogen auf eine Drehposition der Kurbelwelle und umfasst gemäß der Offenbarung die Kolbenposition (mm) des Expanderkolbens bezogen auf den Motorkurbelwinkel; und
- 7 zeigt graphisch Ergebnisse gemäß der Offenbarung, welche dem Betrieb einer Ausführungsform des Verbrennungsmotors mit einzelner Welle und doppelter Expansion zugeordnet sind, und umfasst Kolbenpositionen am TDC und BDC bezogen auf eine Phaseneinstellung des Phaseneinstellungselements über einen Einflussbereich des Phaseneinstellungselements zwischen einer minimalen Phaseneinstellungsposition und einer maximalen Phaseneinstellungsposition.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um in den verschiedenen Ansichten gleiche oder identische Komponenten zu identifizieren, stellt 1 schematisch eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Verbrennungsmotors mit einzelner Welle und doppelter Expansion (Motor) 10 dar, und 2 stellt schematisch eine Draufsicht eines Abschnitts der Ausführungsform des Motors 10 gemäß dieser Offenbarung dar. Gleiche Bezugzeichen bezeichnen überall in den verschiedenen Figuren gleiche Elemente. Der Motor 10 umfasst einen Motorblock 12, der eine zusammengesetzte Zylinderkonfiguration mit Zylinder-Dreiergruppen 30 aufweist, wie sie hierin beschrieben sind, eine Kurbelwellen-Hauptlagerbefestigung für eine Kurbelwelle 20 und einen Zylinderkopf 60. Obgleich lediglich eine Zylinder-Dreiergruppe 30 gezeigt ist, kann der Motorblock 12 mehrere Zylinder-Dreiergruppen 30 definieren, wie sie hierin beschrieben sind. Die physikalische Beschreibung wird unter Bezugnahme auf ein dreidimensionales Achsensystem ausgeführt, welches eine Längsachse 15, eine horizontale Achse 17 und eine vertikale Achse 19 umfasst, wobei die Längsachse 15 durch eine Kurbelwellen-Mittelachse 24 der Kurbelwelle 20 definiert ist, die vertikale Achse 19 durch parallele Längsachsen der Motorzylinder 32, 34, 36 definiert ist, die eine der Zylinder-Dreiergruppen 30 bilden, und die horizontale Achse 17 derart definiert ist, dass sie senkrecht zu der Längsachse 15 und der vertikalen Achse 19 verläuft. Ein scheibenförmiges Schwungrad 95 ist koaxial zu der Kurbelwelle 20 angeordnet und mit dieser drehbar gekoppelt.
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Jede zusammengesetzte Zylinderkonfiguration umfasst eine der Zylinder-Dreiergruppen 30, die einen ersten bzw. zweiten Arbeitszylinder 32, 34, und einen dritten Expanderzylinder 36 umfasst. Im ersten Arbeitszylinder 32 ist ein erster Arbeitskolben 42 untergebracht, der mit einem ersten Kurbelzapfen 26 der Kurbelwelle 20 über eine erste Pleuelstange 43 drehbar gekoppelt ist und darin bewegbar ist, um in Verbindung mit der Drehung der Kurbelwelle 20 aufwärts und abwärts verschoben zu werden, und er definiert auch eine erste Arbeitszylinder-Mittelachse 33. Auf ähnliche Weise ist im zweiten Arbeitszylinder 34 ein zweiter Arbeitskolben 44 untergebracht, der mit einem zweiten Kurbelzapfen 27 der Kurbelwelle 20 über eine zweite Pleuelstange 45 drehbar gekoppelt ist und darin bewegbar ist, um in Verbindung mit der Drehung der Kurbelwelle 20 aufwärts und abwärts verschoben zu werden, und er definiert auch eine zweite Arbeitszylinder-Mittelachse 35. Der erste und der zweite Arbeitszylinder 32, 34, der erste und der zweite Arbeitskolben 42, 44 sowie die zugeordneten Komponenten sind bezüglich der Abmessungen äquivalent, und der erste sowie der zweite Kurbelzapfen 26, 27 sind radial koinzident, d.h., dass sie unter dem gleichen Drehwinkel drehbar mit der Kurbelwelle 20 gekoppelt sind. Bei einer Ausführungsform definieren die erste und die zweite Arbeitszylinder-Mittelachse 33, 35 eine Ebene, welche die Kurbelwellen-Mittelachse 24 schneidet. Alternativ und wie es gezeigt ist, definieren die erste und die zweite Arbeitszylinder-Mittelachse 33, 35 eine Ebene, die bezüglich der Kurbelwellen-Mittelachse 24 verschoben ist.
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Der Expanderzylinder 36 ist dem ersten und dem zweiten Arbeitszylinder 32, 34 benachbart und weist eine Mittelachse 37 auf, die parallel zu der ersten und der zweiten Arbeitszylinder-Mittelachse 33, 35 verläuft. Ein Expanderkolben 46 ist in dem Expanderzylinder 36 untergebracht und darin bewegbar, um aufwärts und abwärts verschoben zu werden, und er ist mit einer dritten Pleuelstange 47 gekoppelt, die mittels einer Pleuelstangenbaugruppe 50 mit mehreren Verbindungen drehbar mit der Kurbelwelle 20 gekoppelt ist. Der Expanderzylinder 36 ist vorzugsweise bezüglich des Volumens beträchtlich größer als die einzelnen Arbeitszylinder 32, 34, und er liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen dem 1,5-fachen und dem 4,0-fachen des Hubvolumens eines der einzelnen Arbeitszylinder 32, 34. Der Zylinderhubraum für den Expanderzylinder 46, wie er basierend auf der Kolbenbewegung zwischen einer TDC-Position und einer BDC-Position definiert ist, ist anwendungsspezifisch und wird ermittelt, wie es hierin beschrieben ist. Darüber hinaus können die TDC-Position und die BDC-Position für den Expanderzylinder 36 variieren, wie hierin beschrieben ist.
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Der Zylinderkopf 60 ist eine integrierte Einrichtung, die gegossene Abschnitte, maschinell bearbeitete Abschnitte und zusammengebaute Abschnitte aufweist, um Strömungen der Einlassluft, des Kraftstoffs und der Verbrennungsgase in den ersten und den zweiten Arbeitszylinder 32, 34 sowie den Expanderzylinder 36 und aus diesen zu steuern und zu leiten, um den Motorbetrieb zum Erzeugen mechanischer Leistung zu bewirken. Der Zylinderkopf 60 weist strukturelle Lagerhalterungen für eine Nockenwelle bzw. Nockenwellen der Arbeitszylinder und eine Nockenwelle bzw. Nockenwellen des Expanderzylinders auf. Der Zylinderkopf 60 weist einen ersten bzw. zweiten Arbeitszylinder-Einlasskanal 70, 74 auf, die fluidtechnisch mit einer ersten bzw. zweiten Arbeitszylinder-Einlassöffnung 71, 75 gekoppelt sind, wobei die Motor-Einlassluftströmung durch erste bzw. zweite Arbeitszylinder-Einlassventile 62, 64 gesteuert wird. Wie gezeigt ist, gibt es zwei Einlassventile pro Zylinder, obwohl eine beliebige geeignete Anzahl, z.B. ein Einlassventil oder drei Einlassventile pro Zylinder, verwendet werden kann. Die Motoreinlassluft stammt aus einer Umgebungsluftquelle und kann durch eine Einrichtung zur Druckbeaufschlagung hindurchtreten, wie beispielsweise durch einen Turbolader oder einen Turbokompressor, bevor sie in den ersten und zweiten Arbeitszylinder-Einlasskanal 70, 74 eintritt. Der Zylinderkopf 60 weist auch eine erste und eine zweite Arbeitszylinder-Auslassöffnung 72, 76 auf, wobei die Motor-Auslassluftströmung durch erste bzw. zweite Arbeitszylinder-Auslassventile 63, 65 gesteuert wird. Wie gezeigt ist, gibt es zwei Auslassventile pro Zylinder, obwohl eine beliebige geeignete Anzahl, z.B. ein Auslassventil oder drei Auslassventile pro Zylinder, verwendet werden kann. Die ersten und die zweiten Arbeitszylinder-Einlassventile 62, 64 sowie -Auslassventile 63, 65 sind normalerweise geschlossene, durch eine Feder vorgespannte Tellerventile, die bei einer Ausführungsform durch die Drehung der Arbeitszylinder-Nockenwellen aktiviert werden, und sie können alternativ eine beliebige andere geeignete Ventil- und Ventilaktivierungskonfiguration aufweisen.
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Der Zylinderkopf trägt Elemente, die zum Auslösen der Verbrennung notwendig sind, z.B. bei einer Ausführungsform eine Zündkerze und eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, für jeden von dem ersten und dem zweiten Arbeitszylinder 32, 34.
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Die erste Arbeitszylinder-Auslassöffnung 72 ist fluidtechnisch über einen ersten Expanderzylinder-Einlasskanal 73 mit einer ersten Expanderzylinder-Einlassöffnung 79 gekoppelt, wobei die Strömung durch ein erstes Expanderzylinder-Einlassventil 66 und das erste Arbeitszylinder-Auslassventil 63 gesteuert wird. Die zweite Arbeitszylinder-Auslassöffnung 76 ist fluidtechnisch über einen zweiten Expanderzylinder -Einlasskanal 77 mit einer zweiten Expanderzylinder-Einlassöffnung 80 gekoppelt, wobei die Strömung durch ein zweites Expanderzylinder-Einlassventil 67 und das zweite Arbeitszylinder-Auslassventil 65 gesteuert wird. Der Zylinderkopf 60 weist auch eine oder mehrere Expanderzylinder-Auslassöffnung(en) 78 auf, von denen zwei gezeigt sind, mit einem entsprechenden Expanderzylinder-Auslassventil bzw. entsprechenden Expanderzylinder-Auslassventilen 68, die fluidtechnisch mit einem Expanderzylinder-Auslasskanal 81 verbunden sind, der zu einem Abgassystem führt, das Abgasreinigungseinrichtungen, einen Turbolader, Abgasschalldämpfereinrichtungen usw. umfassen kann. Das erste Expanderzylinder-Einlassventil 66, das zweite Expanderzylinder-Einlassventil 67 und das bzw. die Expanderzylinder-Auslassventil(e) 68 können normalerweise geschlossene, durch eine Feder vorgespannte Tellerventile sein, die bei einer Ausführungsform durch die Drehung der Expanderzylinder-Nockenwelle aktiviert werden können, und sie können alternativ eine beliebige andere geeignete Nockenwellenkonfiguration umfassen. Die Drehungen der Arbeitszylinder-Nockenwellen und der Expanderzylinder-Nockenwellen sind vorzugsweise mit der Drehung der Kurbelwelle 20 indiziert und verbunden. Der erste und der zweite Kurbelzapfen 26, 27 der Kurbelwelle 20 sind über die erste und die zweite Pleuelstange 43, 45 drehbar mit dem ersten und dem zweiten Arbeitskolben 42, 44 gekoppelt.
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Die Pleuelstangenbaugruppe 50 mit mehreren Verbindungen bildet ein Mehrfachgestänge, das eine lineare Hubbewegung des Expanderkolbens 46, der bezogen auf die Kurbelwellen-Mittelachse 24 verschoben ist, in eine Drehbewegung der Kurbelwelle 20 übersetzt, während eine Seitenbelastung des Expanderkolbens 46 minimiert wird. Eine Verschiebung 25 zwischen der Kurbelwellen-Mittelachse 24 und der Mittelachse 37 des Expanderzylinders 36 ist unter Bezugnahme auf 2 gezeigt. Die Pleuelstangenbaugruppe 50 mit mehreren Verbindungen umfasst einen starren Hauptverbindungshebel 52, der eine Platte mit drei Zapfen ist, die einen ersten Gelenkzapfen 53, einen zweiten Gelenkzapfen 54 und einen dritten Gelenkzapfen 55 aufweist. Der erste Gelenkzapfen 53 des Hauptverbindungshebels 52 ist drehbar mit der dritten Pleuelstange 47 gekoppelt, die mit dem Expanderkolben 46 gekoppelt ist. Der zweite Gelenkzapfen 54 des Hauptverbindungshebels 52 ist drehbar mit dem dritten Kurbelzapfen 28 der Kurbelwelle 20 gekoppelt. Der dritte Kurbelzapfen 28 der Kurbelwelle 20 ist zusammen mit dem zweiten Gelenkzapfen 54 an der Pleuelstangenbaugruppe 50 mit mehreren Verbindungen angeordnet und bezüglich des ersten und des zweiten Kurbelzapfens 26, 27 um 180° gedreht. Der dritte Gelenkzapfen 55 des Hauptverbindungshebels 52 ist drehbar mit einem ersten Ende eines Schwinghebels 56 gekoppelt, und ein zweites Ende des Schwinghebels 56 ist drehbar mit einem vierten Gelenkzapfen 57 gekoppelt, der ein rotierender Ankerpunkt ist, welcher mit einem distalen Ende eines rotierenden Hebels 58 gekoppelt ist, der an einer zweiten rotierenden Welle 59 fest angebracht ist, um sich mit dieser zu drehen. Bei einer Ausführungsform, und wie es gezeigt ist, ist eine Einrichtung zur variablen Phaseneinstellung (ein Phasensteller) 90 zwischen dem rotierenden Hebel 58 und der zweiten rotierenden Welle 59 eingefügt, und er koppelt den rotierenden Hebel 58 drehbar mit der zweiten rotierenden Welle 59, um eine Steuerung der Phaseneinstellung des rotierenden Hebels 58 und des rotierenden Ankerpunkts an dem vierten Gelenkzapfen 57 zu bewirken. Die Mechanisierung und die Steuerung von Einrichtungen zur Phaseneinstellung, wie beispielsweise des Phasenstellers 90, sind bekannt und werden nicht im Detail beschrieben. Die zweite rotierende Welle 59 ist bei einer vorbestimmten Distanz bezogen auf die Kurbelwellen-Mittelachse 24 drehbar mit der Kurbelwelle 20 gekoppelt und dreht sich mit der gleichen Drehzahl, und der Phasensteller 90 wird derart gesteuert, dass die Drehphaseneinstellung des rotierenden Hebels 58 bezogen auf die Drehposition der Kurbelwelle 20 gesteuert wird.
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Bei einer Ausführungsform liegt der Einflussbereich für die Phaseneinstellung mittels des Phasenstellers 90 zwischen 0° (Position 1) und 180° der Drehung (Position 2). Die Auswirkung der Steuerung der Phaseneinstellung des Phasenstellers 90 ist, dass die Drehphaseneinstellung des rotierenden Hebels 58 bezogen auf die Drehposition der Kurbelwelle 20 gesteuert wird, und dies wird unter Bezugnahme auf 6 und 7 beschrieben. Die Pleuelstangenbaugruppe 50 mit mehreren Verbindungen steuert vorzugsweise die Hubbewegung des Expanderkolbens 46 derart, dass diese bezogen auf die Hubbewegung des ersten und zweiten Arbeitskolbens 42, 44 um 180° außer Phase ist. Wenn sich der Expanderkolben 46 an einem oberen Totpunkt (TDC) befindet, befinden sich der erste und der zweite Arbeitskolben 42, 44 an den unteren Totpunkten (BDC). Darüber hinaus beeinflusst die Anordnung der Elemente der Pleuelstangenbaugruppe 50 mit mehreren Verbindungen den Hub des Expanderkolbens 46 und daher die Hubvolumina und das geometrische Kompressionsverhältnis des Expanderzylinders 36.
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Die Pleuelstangenbaugruppe 50 mit mehreren Verbindungen koppelt die Verschiebung des ersten und des zweiten Arbeitskolbens 42, 44 im Zylinder mit der Verschiebung des Expanderkolbens 46 im Zylinder während der Drehung der Kurbelwelle 20 über den ersten, zweiten und dritten Kurbelzapfen 26, 27 und 28. Der erste Gelenkzapfen 53 und der zweite Gelenkzapfen 54 des starren Hauptverbindungshebels 52 definieren eine erste lineare Distanz. Der zweite Gelenkzapfen 54 und der dritte Gelenkzapfen 55 definieren eine zweite lineare Distanz. Diese Konfiguration mit dem Hauptverbindungshebel 52 ermöglicht, dass sich der Hub des Expanderkolbens 46 von einer dritten Kurbelhublänge unterscheidet, die durch den dritten Kurbelzapfen 28 der Kurbelwelle 20 definiert ist. Vorzugsweise verstärkt die Pleuelstangenbaugruppe 50 mit mehreren Verbindungen den Hub des Expanderkolbens 46 bezogen auf die Kurbelhublänge des dritten Kurbelzapfens 28, wobei der Verstärkungsfaktor durch die Geometrie der Baugruppe festgelegt ist, welche die erste und die zweite lineare Distanz zwischen den Gelenkzapfen umfasst. Ein Betrag einer linearen Hubdistanz des Expanderkolbens 46 zwischen einem TDC-Punkt und einem BDC-Punkt wird basierend auf dem folgenden ermittelt: der Hebelarm, d.h. eine erste lineare Distanz und die zweite lineare Distanz zwischen den Gelenkzapfen, der dritte Kurbelhub, der Hub des rotierenden Ankerhebels und des vierten Gelenkzapfens 57 sowie die Phaseneinstellung des rotierenden Hebels 58 bezogen auf die Kurbelwelle 20 beeinflussen alle den Hub des Expanderkolbens 46.
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Der Betrieb des Motors 10, wie er hierin beschrieben ist, umfasst das Folgende. Der erste und der zweite Arbeitszylinder 32, 34 arbeiten beide in Viertaktzyklen, welche wiederholt ausgeführte Einlass-, Kompressions-, Expansions- und Auslasstakte über 720° der Kurbelwellendrehung umfassen. Der Viertaktzyklus, der dem zweiten Arbeitszylinder 34 zugeordnet ist, ist bezogen auf den Zyklus, der dem ersten Arbeitszylinder 32 zugeordnet ist, um 360° der Kurbelwellendrehung außer Phase. Wenn sich der erste Arbeitszylinder 32 in dem Einlasstakt befindet, befindet sich somit der zweite Arbeitszylinder 34 in dem Expansionstakt, und wenn sich der zweite Arbeitszylinder 34 in dem Einlasstakt befindet, befindet sich der erste Arbeitszylinder 32 in dem Expansionstakt. Der Expanderzylinder 36 arbeitet in einem Zweitaktzyklus, der einen Einlasstakt und einen Auslasstakt umfasst, wobei der Einlasstakt abwechselnd mit den Auslasstakten des ersten und des zweiten Arbeitszylinders 32, 34 abgestimmt ist. Somit verschiebt jeder der Arbeitszylinder 32, 34 sein Abgas auf eine abwechselnde Weise in den Expanderzylinder 42. Dieser Betrieb ist graphisch unter Bezugnahme auf 4 gezeigt.
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4-1 bis 4-5 stellen zeichnerisch den Betrieb einer Ausführungsform des Verbrennungsmotors 410 mit einzelner Welle und doppelter Expansion, welcher einen optionalen Turbokompressor zur Druckbeaufschlagung der Einlassluft, einen ersten und zweiten Arbeitszylinder 432 und 434 sowie einen Expanderzylinder 436 aufweist, während nacheinander ausgeführter Arbeitstakte dar, die dessen Betrieb zugeordnet sind. 3 zeigt graphisch ein entsprechendes Druck-Volumen-Diagramm (PV-Diagramm), das dem Betrieb in den Takten von 4-1 bis 4-5 zugeordnet ist. Das PV-Diagramm umfasst den Zylinderinnendruck (in bar) 310, der an der vertikalen Achse aufgetragen ist, bezogen auf das Zylinderhubvolumen (in I) 320, das an der horizontalen Achse aufgetragen ist, und es umfasst PV-Linien, welche die Arbeit angeben, die dem ersten Arbeitszylinder 432 (340) und dem Expanderzylinder 436 (350) zugeordnet ist. Die verschiedenen Pfeile geben die Richtungen der Bewegung der Kolben an, die den verschiedenen Zylindern zugeordnet sind.
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4-1 zeigt einen Takt mit erstem Einlass und zweiter Expansion, der umfasst, dass sich der erste Arbeitszylinder 432 in einem Einlasstakt befindet, dass sich der zweite Arbeitszylinder 434 in einem Arbeitstakt befindet, und dass sich der Expanderzylinder 436 in einem Auslasstakt befindet. Das entsprechende Liniensegment 341 der Linie 340, welche in 3 die Arbeit angibt, die dem ersten Arbeitszylinder 432 zugeordnet ist, gibt eine leichte Abnahme im Druck mit erhöhtem Arbeitszylindervolumen an.
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4-2 zeigt einen Takt mit erster Kompression und zweitem Auslass, der umfasst, dass sich der erste Arbeitszylinder 432 in einem Kompressionstakt befindet, dass sich der zweite Arbeitszylinder 434 in einem Auslasstakt befindet und dass sich der Expanderzylinder 436 in einem Expansionstakt befindet, der die Eingangsströmung aus dem zweiten Arbeitszylinder 434 verwendet. Das entsprechende Liniensegment 342 der Linie 340, welche in 3 die Arbeit angibt, die dem ersten Arbeitszylinder 432 zugeordnet ist, gibt eine wesentliche Zunahme im Druck mit verringertem Arbeitszylindervolumen an.
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4-3 zeigt einen Takt mit erster Expansion und zweitem Einlass, der umfasst, dass sich der erste Arbeitszylinder 432 in einem Expansionstakt befindet, dass sich der zweite Arbeitszylinder 434 in einem Einlasstakt befindet und dass sich der Expanderzylinder 436 in einem Auslasstakt befindet. Das entsprechende Liniensegment 343 der Linie 340, welche in 3 die Arbeit angibt, die dem ersten Arbeitszylinder 432 zugeordnet ist, gibt eine wesentliche Abnahme im Druck mit erhöhtem Arbeitszylindervolumen an.
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4-4 zeigt einen Takt mit erstem Auslass und zweiter Kompression, der umfasst, dass sich der erste Arbeitszylinder 432 in einem Auslasstakt befindet, dass sich der zweite Arbeitszylinder 434 in einem Kompressionstakt befindet und dass sich der Expanderzylinder 436 in einem Expansionstakt befindet, der die Eingangsströmung aus dem ersten Arbeitszylinder 432 verwendet. Das entsprechende Liniensegment 344 der Linie 340, welche in 3 die Arbeit angibt, dass die dem ersten Arbeitszylinder 432 zugeordnet ist, gibt eine kontinuierliche Abnahme im Druck mit verringertem Arbeitszylindervolumen an und vervollständigt die Zyklusschleife für den ersten Arbeitszylinder 432. Das entsprechende Liniensegment 354 der Linie 350, welche die Arbeit angibt, die dem Expanderzylinder 436 zugeordnet ist, gibt eine kontinuierliche Abnahme im Druck mit erhöhtem Expanderzylindervolumen an.
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4-5 zeigt einen zweiten Zyklus des Takts mit erstem Einlass und zweiter Expansion, der umfasst, dass sich der erste Arbeitszylinder 432 in einem Einlasstakt befindet, dass sich der zweite Arbeitszylinder 434 in einem Arbeitstakt befindet und dass sich der Expanderzylinder 436 in einem Auslasstakt befindet. Das entsprechende Liniensegment 341 der Linie 340, welche in 3 die Arbeit angibt, die dem ersten Arbeitszylinder 432 zugeordnet ist, gibt eine leichte Abnahme im Druck mit erhöhtem Arbeitszylindervolumen an. Das entsprechende Liniensegment 355 der Linie 350, welche die Arbeit angibt, die dem Expanderzylinder 436 zugeordnet ist, gibt an, dass der Zylinderinnendruck mit der Abnahme im Zylindervolumen anfänglich unverändert ist und anschließend stark zunimmt, wenn die Ventile schließen.
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5 zeigt graphisch den Betrieb einer Ausführungsform des Verbrennungsmotors 10 mit einzelner Welle und doppelter Expansion, der hierin beschrieben ist, über den Verlauf eines einzelnen Verbrennungszyklus anhand des Öffnens und Schließens der verschiedenen Einlass- und Auslassventile bezogen auf den Kurbelwinkel sowie anhand der Hubvolumina der Zylinder und der entsprechenden Funkenzündungsereignisse. Insgesamt arbeiten sowohl der erste als auch der zweite Arbeitszylinder 32, 34 in einem Viertaktzyklus, der wiederholt ausgeführte Einlass-, Kompressions-, Expansions- und Auslasstakte über 720° der Kurbelwellendrehung umfasst, wobei der Zyklus, der dem zweiten Arbeitszylinder 34 zugeordnet ist, bezogen auf den Zyklus, der dem ersten Arbeitszylinder 32 zugeordnet ist, um 360° der Kurbelwellendrehung außer Phase ist. Der Expanderzylinder 36 arbeitet in einem Zweitaktzyklus, der einen Einlasstakt und einen Auslasstakt umfasst, wobei der Einlasstakt abwechselnd mit den Auslasstakten des ersten und des zweiten Arbeitszylinders 32, 34 abgestimmt ist. Somit verschiebt jeder der Arbeitszylinder 32, 34 sein Abgas auf eine abwechselnde Weise in den Expanderzylinder 36. Der Expanderzylinder 36 ist vorzugsweise bezüglich des Volumens erheblich größer als die einzelnen Arbeitszylinder 32, 34, und er liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen dem 1 ,5-fachen und dem 4,0-fachen des Hubvolumens eines der einzelnen Arbeitszylinder 32, 34.
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Die Daten umfassen das Hubvolumen für den Expanderzylinder 36 (560), die Hubvolumina für den ersten und zweiten Arbeitszylinder 32, 34 (540, 550), den Betrieb des ersten Arbeitszylinders 32 (510) mit Öffnen (1) und Schließen (0) der Einlassventile 512 und der Auslassventile 514 und einem zugeordneten Verbrennungsereignis 515, den Betrieb des zweiten Arbeitszylinders 34 (520) mit Öffnen (1) und Schließen (0) der Einlassventile 522 und der Auslassventile 524 sowie mit einem zugeordneten Verbrennungsereignis 525, den Betrieb des ersten Expanderzylinders 36 (530) mit Öffnen (1) und Schließen (0) des ersten Einlassventils 532, des zweiten Einlassventils 531 und der Auslassventile 534, wobei alles graphisch gleichzeitig bezogen auf den Motorkurbelwinkel 505 zwischen einem nominellen Kurbelwinkel von -360° und einem nominellen Kurbelwinkel von +720° dargestellt ist.
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Die Konfiguration, wie sie dargestellt ist und eine zusammengesetzte Zylinderkonfiguration verwendet, umfasst eine der Zylinder-Dreiergruppen, die einen ersten bzw. zweiten Arbeitszylinder 32, 34 und einen dritten Expanderzylinder 36 umfasst, und die Pleuelstangenbaugruppe 50 mehreren Verbindungen umfasst einen starren Hauptverbindungshebel 52 mit einem ersten Gelenkzapfen 53, einem zweiten Gelenkzapfen 54 und einem dritten Gelenkzapfen 55 sowie einen Schwinghebel 56, der mechanisch über einen rotierenden Hebel 58 mit einem rotierenden Phasensteller 90 gekoppelt ist. Die Pleuelstangenbaugruppe 50 mit mehreren Verbindungen koppelt die Verschiebung des ersten und des zweiten Arbeitskolbens 42, 44 im Zylinder mechanisch mit der Verschiebung des Expanderkolbens 46 im Zylinder.
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Die Auswirkung des Steuerns der Phaseneinstellung unter Verwendung des Phasenstellers 90 zum Steuern der Drehphaseneinstellung des rotierenden Hebels 58 bezogen auf die Drehposition der Kurbelwelle 20 wird unter Bezugnahme auf 6 und 7 für eine Ausführungsform des Verbrennungsmotors 10 mit einzelner Welle und doppelter Expansion beschrieben. 6 zeigt graphisch den Betrieb einer Ausführungsform des Verbrennungsmotors 10 mit einzelner Welle und doppelter Expansion, der hierin beschrieben ist, über den Verlauf eines einzelnen Verbrennungszyklus bei zwei unterschiedlichen Drehphaseneinstellungspositionen des rotierenden Hebels 58 bezogen auf die Drehposition der Kurbelwelle 20. Die Daten umfassen das Zylindervolumen des Expanderzylinders 36 an der vertikalen Achse 610 bezogen auf den Motorkurbelwinkel an der horizontalen Achse 620. Wenn der Phasensteller 90 in eine erste Position der Phasenstellerdrehung gesteuert wird, führt der Expanderkolben 46 eine Hubbewegung bei seiner maximalen linearen Distanz zwischen einem TDC-Punkt und einem BDC-Punkt aus, was zu dem maximalen Hubvolumen führt, das durch die Linie 625 dargestellt ist. Wenn der Phasensteller 90 in eine zweite Position der Phasenstellerdrehung gesteuert wird, führt die Position des Expanderkolbens 46 eine Hubbewegung bei seiner minimalen linearen Distanz zwischen dem TDC- und einem BDC-Punkt aus, was zu dem minimalen Hubvolumen führt, das durch die Linie 615 dargestellt ist.
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7 zeigt graphisch Ergebnisse, die dem Betrieb einer Ausführungsform des Verbrennungsmotors 10 mit einzelner Welle und doppelter Expansion zugeordnet sind, und umfasst Kolbenpositionen für den Expanderkolben 46 am TDC 715 und am BDC 725 an der vertikalen Achse 710, welche bezogen auf die Phaseneinstellungs-Drehposition des Phasenstellers 90 an der horizontalen Achse 720 gezeigt sind. Die Phaseneinstellungs-Drehpositionen umfassen eine Position 1 722 und eine Position 2 724, die einen Einflussbereich der Phaseneinstellung mittels des Phasenstellers 90 repräsentieren. Die Kolbenpositionen am TDC 715 und am BDC 725 sind über einen Einflussbereich des Phaseneinstellungselements 90 zwischen der Position 1 722 mit der maximalen linearen Hubdistanz des Expanderkolbens 46 und der Position 2 724 mit der minimalen linearen Hubdistanz des Expanderkolbens 46 zwischen einem TDC-Punkt und einem BDC-Punkt gezeigt. Die Ergebnisse geben an, dass der Einflussbereich der Steuerung mittels des Phaseneinstellungselements 90 über den Einflussbereich des Phaseneinstellungselements 90 zwischen der ersten Position der Phasenstellerdrehung und der zweiten Position der Phasenstellerdrehung unbegrenzt variabel ist.
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Diese Anordnung ermöglicht, dass der Expanderzylinder 36 und der zugeordnete Expanderkolben 46 bezogen auf die Kurbelwellen-Mittelachse 24 signifikant verschoben sind, ohne dass Betriebsprobleme auftreten, die mit einer Seitenbelastung des Kolbens verbunden sind. Diese Anordnung ermöglicht, dass der Hub des Expanderkolbens 46 bezogen auf den Kurbelhub ausgewählt wird, sie beschränkt den Hub jedoch nicht darauf, dass dieser zu dem Kurbelhub äquivalent ist.
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Solche Konfigurationen ermöglichen kompaktere Konstruktionen einer Ausführungsform des Verbrennungsmotors 10 mit einzelner Welle und doppelter Expansion, einschließlich einer insgesamt kürzeren Motorlänge, einer geringeren Motorhöhe und einer besseren Motorleistung durch geringere Gasübertragungsverluste aufgrund der Minimierung der Längen der Einlasskanäle 73, 77 für den Expanderzylinder 36.
