DE102016100988B4

DE102016100988B4 - Verbrennungsmotor mit einzelner Welle und doppelter Expansion

Info

Publication number: DE102016100988B4
Application number: DE102016100988.1A
Authority: DE
Inventors: Russell P. Durrett; Paul M. Najt; Peter Andruskiewicz
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2016-01-21
Publication date: 2023-03-09
Anticipated expiration: 2036-01-22
Also published as: US20160222872A1; DE102016100988A1; CN105840307B; CN105840307A; US9605708B2

Abstract

Verbrennungsmotor (10, 410) mit einzelner Welle und doppelter Expansion, umfassend:
einen Motorblock (12), einen Zylinderkopf (60), eine einzelne Kurbelwelle (20) und eine Pleuelstangenbaugruppe (50) mit mehreren Verbindungen;
wobei der Motorblock (12) einen ersten und zweiten Arbeitszylinder (32, 34, 432, 434) sowie einen Expanderzylinder (36, 436) aufweist;
wobei der Zylinderkopf (60) fluidtechnisch mit dem ersten und dem zweiten Arbeitszylinder (32, 34, 432, 434) sowie mit dem Expanderzylinder (36, 436) gekoppelt ist;
einen ersten Arbeitskolben (42), der in dem ersten Arbeitszylinder (32, 432) eine Hubbewegung ausführt, und einen zweiten Arbeitskolben (44), der in dem zweiten Arbeitszylinder (34, 434) eine Hubbewegung ausführt,
wobei der erste und der zweite Arbeitskolben (42, 44) mit einem jeweiligen radial koinzidenten ersten und zweiten Kurbelzapfen (26, 27) der Kurbelwelle (20) verbunden sind;
wobei die Pleuelstangenbaugruppe (50) mit mehreren Verbindungen einen starren Haupthebel (52) aufweist, der sich rechtwinklig zu einer Längsachse (24) der Kurbelwelle (20) erstreckt und einen ersten Gelenkzapfen (53), der an einem ersten Ende des Haupthebels (52) angeordnet ist, einen zweiten Gelenkzapfen (54), der an einem zentralen Abschnitt des Haupthebels (52) angeordnet ist, sowie einen dritten Gelenkzapfen (55) trägt, der an einem zweiten Ende des Haupthebels (52) angeordnet ist;
wobei der erste Gelenkzapfen (53) mittels einer Pleuelstange (47) mit einem Expanderkolben (46) verbunden ist, der in dem Expanderzylinder (36, 436) eine Hubbewegung ausführt; dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Gelenkzapfen (54) mit einem dritten Kurbelzapfen (28) der Kurbelwelle (20) verbunden ist, wobei der dritte Kurbelzapfen (28) einen Hub aufweist, der bezogen auf einen Hub des ersten und des zweiten Kurbelzapfens (26, 27) um 180 Grad um die Längsachse (24) der Kurbelwelle (20) gedreht angeordnet ist; und
der dritte Gelenkzapfen (55) mit einem Schwinghebel (56) verbunden ist, der mit dem Motorblock (12) verbunden ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegenden Lehren umfassen allgemein eine Verbrennungsmotorbaugruppe.
HINTERGRUND
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 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.
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 Menge an mechanischer Energie während der Expansion mittels einer Zylinderladung gewonnen 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 größere Energieentnahme über die Expansion, während die mechanischen Verluste und die Strömungsverluste minimiert werden, die mit jeder fest zugeordneten Komponente verbunden sind.
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 ein Motor ist, der auf einer Kombination einer Drehmaschine und einer Hubkolbenmaschine beruht, um zwei Kompressionen vor der Verbrennung und zwei Expansionen nach der Verbrennung auszuführen. Die Gesamteffizienz des modernen Turboladerdiesels ist jedoch durch die Fähigkeit begrenzt, 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, umfassen komplexere Aufladungssysteme, 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.
Aus der DE 10 2013 221 937 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit den Merkmalen gemäß dem jeweiligen Oberbegriff der Ansprüche 1 und 10 bekannt.
Die DE 10 2008 049 088 A1 beschreibt einen Verbrennungsmotor mit einzelner Welle und doppelter Expansion, der zwei Arbeitszylinder ung einen separaten Expanderzylinder aufweist.
In der DE 10 2006 003 737 B3 ist ein Verbrennungsmotor mit einem Kurbeltrieb und einem Übertragungshebel beschrieben, der einerseits an einer Pleuelstange des Kurbeltriebs und andererseits an einer verstellbaren Lagerung angelenkt ist.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Verbrennungsmotor mit einzelner Welle und doppelter Expansion zu schaffen, der eine kompakte Bauweise und geringe Gasübertragungsverluste aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Aufgabe wird durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 10 gelöst.
Der Verbrennungsmotor weist eine einzelne Welle und eine doppelte Expansion auf, 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 Arbeitskolben führt in dem ersten Arbeitszylinder eine Hubbewegung aus und ist mit einem ersten Kurbelzapfen der Kurbelwelle verbunden, während der zweite Arbeitskolben in dem zweiten Arbeitszylinder eine Hubbewegung ausführt und mit einem zweiten Kurbelzapfen der Kurbelwelle verbunden ist. 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 dient als zweiter Gelenkzapfen und weist einen Hub auf, der bezüglich eines Hubs des ersten und des zweiten Kurbelzapfens um 180 Grad um die Längsachse der Kurbelwelle gedreht angeordnet ist. Der dritte Gelenkzapfen ist mit einem Schwinghebel verbunden, der mit dem Motorblock verbunden ist.
Figurenliste

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.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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 14 und ein Hauptlager 22 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.
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 unter dem gleichen Drehkurbelwinkel drehbar mit der Kurbelwelle 20 gekoppelt, und sie sind radial koinzident. Bei einer Ausführungsform schneiden die erste und die zweite Arbeitszylinder-Mittelachse 33, 35 die Kurbelwellen-Mittelachse 24. Alternativ sind die erste und die zweite Arbeitszylinder-Mittelachse 33, 35 exzentrisch bezüglich der Kurbelwellen-Mittelachse 24.
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 und bezüglich der Kurbelwellen-Mittelachse 24 auf einer Seite entgegengesetzt zu der ersten und der zweiten Arbeitszylinder-Mittelachse 33, 35 verschoben ist. Eine Distanz 25 ist durch eine rechtwinklige Distanz in der horizontalen Richtung zwischen der Kurbelwellen-Mittelachse 24 und der Mittelachse 37 des Expanderzylinders 36 definiert. 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 Volumens 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 des Zylinders definiert ist, ist anwendungsspezifisch und wird ermittelt, wie es hierin beschrieben ist.
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, welche mit der Kurbelwelle 20 drehbar gekoppelt und indiziert sind. 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-Nockenwelle(n) aktiviert werden, und sie können alternativ eine beliebige andere geeignete Ventilkonfiguration aufweisen. Der Zylinderkopf 60 trägt Elemente, die für die Verbrennung notwendig sind, z.B. bei einer Ausführungsform eine Zündkerze und eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für jeden von dem ersten und dem zweiten Arbeitszylinder 32, 34. 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 sind normalerweise geschlossene, durch eine Feder vorgespannte Tellerventile, die bei einer Ausführungsform durch die Drehung der Expanderzylinder-Nockenwelle aktiviert werden, und sie können alternativ eine beliebige andere geeignete Ventilkonfiguration umfassen. Die Drehungen der Arbeitszylinder-Nockenwelle(n) und der Expanderzylinder-Nockenwelle sind 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.
Die Pleuelstangenbaugruppe 50 mit mehreren Verbindungen bildet ein sechsgliedriges Gestänge, 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. 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 mittels einer Achse, eines Schaftes oder eines anderen geeigneten Verbindungselements 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 der Pleuelstangenbaugruppe 50 mit mehreren Verbindungen angeordnet, und beide sind 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 Befestigungszapfen 58 gekoppelt, der an einer festen Halterung 59 des Motorblocks 12 angebracht ist. Die Pleuelstangenbaugruppe 50 mit mehreren Verbindungen ist derart ausgebildet, dass die Bewegung des Expanderkolbens 46 bezogen auf die Bewegung des ersten und zweiten Arbeitskolbens 42, 44 um 180° außer Phase ist. Darüber hinaus beeinflusst die Anordnung der Elemente der Pleuelstangenbaugruppe 50 mit mehreren Verbindungen den Hub des Expanderkolbens 46 und daher das Hubvolumen und das geometrische Kompressionsverhältnis des Expanderzylinders 36.
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. Ein Betrag eines linearen Hubs des Expanderkolbens 46, der während der Drehung der Kurbelwelle 20 eine Hubbewegung in dem dritten Zylinder 36 ausführt, ist basierend auf der ersten linearen Distanz und der zweiten linearen Distanz sowie basierend auf der Position des Befestigungszapfens 58 in dem Motorblock 12 definiert, an welchem der Schwinghebel 56 befestigt ist. Diese Konfiguration mit dem Hauptverbindungshebel 52 ermöglicht, dass sich der Hub des Expanderkolbens 46 von der 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 dem ersten, dem zweiten und dem dritten Gelenkzapfen 53, 54, 55 und dem Schwinghebel 56 umfasst.
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.
4-1 bis 4-5 stellen zeichnerisch den Betrieb einer Ausführungsform des Verbrennungsmotors 410 mit einzelner Welle und doppelter Expansion, welcher einen optionalen Turbokompressor 412 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, das unter Bezugnahme auf 3 gezeigt ist, 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 einen Zustand des Arbeitsfluids angeben, der Bedingungen im Inneren des ersten Arbeitszylinders 432 (340) und des Expanderzylinders 436 (350) zugeordnet ist. Die verschiedenen Pfeile geben die Richtungen der Bewegung der Kolben an, die den verschiedenen Zylindern zugeordnet sind.
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.
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.
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.
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, 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.
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.
5 zeigt graphisch den Betrieb 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, wie vorstehend erläutert ist.
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.
Die Konfiguration, wie sie dargestellt ist, verwendet eine zusammengesetzte Zylinderkonfiguration, die einen ersten bzw. zweiten Arbeitszylinder 32, 34 und einen dritten Expanderzylinder 36 umfasst. Die Pleuelstangenbaugruppe 50 mehreren Verbindungen umfasst einen starren Hauptverbindungshebel 52 mit einem ersten Gelenkzapfen 53, einem zweiten Gelenkzapfen 54, einem dritten Gelenkzapfen 55 und einen Schwinghebel 56, der mechanisch mit einem Befestigungszapfen 58 an dem Motorblock 12 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.
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 üblicherweise mit einer Seitenbelastung des Kolbens verbunden sind. Diese Anordnung ermöglicht, dass der Hub des Expanderkolbens 46 bezogen auf den Kurbelhub des dritten Kurbelzapfens 28 ausgewählt wird, sie beschränkt den Hub jedoch nicht darauf, dass dieser zu dem Kurbelhub äquivalent ist.
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 verbesserten Motorleistung durch geringere Gasübertragungsverluste, die mit der Minimierung der Längen der Einlasskanäle 73, 77 für den Expanderzylinder 36 verbunden sind.

Claims

Verbrennungsmotor (10, 410) mit einzelner Welle und doppelter Expansion, umfassend: einen Motorblock (12), einen Zylinderkopf (60), eine einzelne Kurbelwelle (20) und eine Pleuelstangenbaugruppe (50) mit mehreren Verbindungen; wobei der Motorblock (12) einen ersten und zweiten Arbeitszylinder (32, 34, 432, 434) sowie einen Expanderzylinder (36, 436) aufweist; wobei der Zylinderkopf (60) fluidtechnisch mit dem ersten und dem zweiten Arbeitszylinder (32, 34, 432, 434) sowie mit dem Expanderzylinder (36, 436) gekoppelt ist; einen ersten Arbeitskolben (42), der in dem ersten Arbeitszylinder (32, 432) eine Hubbewegung ausführt, und einen zweiten Arbeitskolben (44), der in dem zweiten Arbeitszylinder (34, 434) eine Hubbewegung ausführt, wobei der erste und der zweite Arbeitskolben (42, 44) mit einem jeweiligen radial koinzidenten ersten und zweiten Kurbelzapfen (26, 27) der Kurbelwelle (20) verbunden sind; wobei die Pleuelstangenbaugruppe (50) mit mehreren Verbindungen einen starren Haupthebel (52) aufweist, der sich rechtwinklig zu einer Längsachse (24) der Kurbelwelle (20) erstreckt und einen ersten Gelenkzapfen (53), der an einem ersten Ende des Haupthebels (52) angeordnet ist, einen zweiten Gelenkzapfen (54), der an einem zentralen Abschnitt des Haupthebels (52) angeordnet ist, sowie einen dritten Gelenkzapfen (55) trägt, der an einem zweiten Ende des Haupthebels (52) angeordnet ist; wobei der erste Gelenkzapfen (53) mittels einer Pleuelstange (47) mit einem Expanderkolben (46) verbunden ist, der in dem Expanderzylinder (36, 436) eine Hubbewegung ausführt; dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Gelenkzapfen (54) mit einem dritten Kurbelzapfen (28) der Kurbelwelle (20) verbunden ist, wobei der dritte Kurbelzapfen (28) einen Hub aufweist, der bezogen auf einen Hub des ersten und des zweiten Kurbelzapfens (26, 27) um 180 Grad um die Längsachse (24) der Kurbelwelle (20) gedreht angeordnet ist; und der dritte Gelenkzapfen (55) mit einem Schwinghebel (56) verbunden ist, der mit dem Motorblock (12) verbunden ist.
Verbrennungsmotor (10, 410) mit einzelner Welle und doppelter Expansion nach Anspruch 1, wobei der erste Gelenkzapfen (53) und der zweite Gelenkzapfen (54) der Pleuelstangenbaugruppe (50) mit mehreren Verbindungen eine erste lineare Distanz definieren, wobei der zweite Gelenkzapfen (54) und der dritte Gelenkzapfen (55) der Pleuelstangenbaugruppe (50) mit mehreren Verbindungen eine zweite lineare Distanz definieren und wobei eine Größe eines linearen Hubs des Expanderkolbens (46), der in dem Expanderzylinder (36, 436) eine Hubbewegung ausführt, basierend auf der ersten linearen Distanz und der zweiten linearen Distanz definiert ist.
Verbrennungsmotor (10, 410) mit einzelner Welle und doppelter Expansion nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Arbeitskolben (42, 44) in dem ersten und in dem zweiten Arbeitszylinder (32, 34, 432, 434) eine synchrone Hubbewegung ausführen und der Expanderkolben (46) in dem Expanderzylinder (36, 436) eine Hubbewegung ausführt, die bezogen auf den ersten und den zweiten Arbeitskolben (42, 44) um 180° außer Phase ist.
Verbrennungsmotor (10, 410) mit einzelner Welle und doppelter Expansion nach Anspruch 1, wobei der erste Gelenkzapfen (53) und der zweite Gelenkzapfen (54) der Pleuelstangenbaugruppe (50) mit mehreren Verbindungen eine erste lineare Distanz definieren, wobei der zweite Gelenkzapfen (54) und der dritte Gelenkzapfen (55) der Pleuelstangenbaugruppe (50) mit mehreren Verbindungen eine zweite lineare Distanz definieren und wobei eine Größe eines linearen Hubs des Expanderkolbens (46), der in dem Expanderzylinder (36, 436) eine Hubbewegung ausführt, basierend auf der ersten linearen Distanz, der zweiten linearen Distanz, einer linearen Länge des Schwinghebels (56), der zwischen dem dritten Gelenkzapfen (55) und dem Motorblock (12) angeordnet ist, und der Position des dritten Gelenkzapfens (55), der den Schwinghebel (56) mit dem Motorblock (12) verbindet, definiert ist.
Verbrennungsmotor (10, 410) mit einzelner Welle und doppelter Expansion nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Arbeitszylinder (32, 34, 432, 434) sowie der Expanderzylinder (36, 436) zentrale Längsachsen (33, 35, 37) aufweisen, die parallel verlaufen, und wobei die zentrale Längsachse (37) des Expanderzylinders (36, 436) bezüglich einer Linie verschoben ist, die zwischen den zentralen Längsachsen (33, 35) des ersten und zweiten Arbeitszylinders (32, 34, 432, 434) gebildet ist.
Verbrennungsmotor (10, 410) mit einzelner Welle und doppelter Expansion nach Anspruch 1, wobei der Zylinderkopf (60) eine erste Auslassöffnung (72), einen ersten Auslasskanal (73) und eine erste Expanderzylinder-Einlassöffnung (79), die den ersten Arbeitszylinder (32, 432) fluidtechnisch mit dem Expanderzylinder (36, 436) verbindet, sowie eine zweite Auslassöffnung (76), einen zweiten Auslasskanal (77) und eine zweite Expanderzylinder-Einlassöffnung (80), die den zweiten Arbeitszylinder (34, 434) fluidtechnisch mit dem Expanderzylinder (36, 436) verbindet, umfasst.
Verbrennungsmotor (10, 410) mit einzelner Welle und doppelter Expansion nach Anspruch 1, wobei der erste Arbeitszylinder (32, 432) in einem Viertakt-Verbrennungszyklus arbeitet und der zweite Arbeitszylinder (34, 434) in einem Viertakt-Verbrennungszyklus arbeitet.
Verbrennungsmotor (10, 410) mit einzelner Welle und doppelter Expansion nach Anspruch 7, wobei der Viertakt-Verbrennungszyklus des ersten Arbeitszylinders (32, 432) bezogen auf den Viertakt-Verbrennungszyklus des zweiten Arbeitszylinders (34, 434) um 360° außer Phase ausgeführt wird.
Verbrennungsmotor (10, 410) mit einzelner Welle und doppelter Expansion nach Anspruch 1, wobei der Expanderzylinder (36, 436) in einem Zweitakt-Verbrennungszyklus arbeitet.
Verbrennungsmotor (10, 410), umfassend: einen Motorblock (12), einen Zylinderkopf (60) und eine einzelne Kurbelwelle (20); wobei der Motorblock (12) einen ersten und zweiten Arbeitszylinder (32, 34, 432, 434) sowie einen Expanderzylinder (36, 436) aufweist; wobei der Zylinderkopf (60) fluidtechnisch mit dem ersten und dem zweiten Arbeitszylinder (32, 34, 432, 434) sowie mit dem Expanderzylinder (36, 436) gekoppelt ist; einen ersten Arbeitskolben (42), der in dem ersten Arbeitszylinder (32, 432) eine Hubbewegung ausführt, und einen zweiten Arbeitskolben (44), der in dem zweiten Arbeitszylinder (34, 434) eine Hubbewegung ausführt, wobei der erste und der zweite Arbeitskolben (42, 44) mit einem jeweiligen radial koinzidenten ersten und zweiten Kurbelzapfen (26, 27) der Kurbelwelle (20) verbunden sind; eine Pleuelstangenbaugruppe (50) mit mehreren Verbindungen, die einen starren Haupthebel (52) aufweist, der sich rechtwinklig zu einer Längsachse der Kurbelwelle (20) erstreckt und einen ersten Gelenkzapfen (53), der an einem ersten Ende des Haupthebels (52) angeordnet ist, einen zweiten Gelenkzapfen (54), der an einem zentralen Abschnitt des Haupthebels (52) angeordnet ist, sowie einen dritten Gelenkzapfen (55) trägt, der an einem zweiten Ende des Haupthebels (52) angeordnet ist, wobei der erste Gelenkzapfen (53) mittels einer Pleuelstange (47) mit einem Expanderkolben (46) verbunden ist, der in dem Expanderzylinder (36, 436) eine Hubbewegung ausführt, und wobei der Expanderzylinder (36, 436) und der zugeordnete Expanderkolben (46) bezüglich einer Mittelachse der Kurbelwelle (20) verschoben sind, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Gelenkzapfen (54) mit einem dritten Kurbelzapfen (28) der Kurbelwelle (20) verbunden ist, wobei der dritte Kurbelzapfen (28) einen Hub aufweist, der bezogen auf einen Hub des ersten und des zweiten Kurbelzapfens (26, 27) um 180 Grad um die Längsachse der Kurbelwelle (20) gedreht angeordnet ist, und der dritte Gelenkzapfen (55) mit einem Schwinghebel (56) verbunden ist, der mit dem Motorblock (12) verbunden ist.