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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegenden Lehren beinhalten im Allgemeinen eine Verbrennungsmotoranordnung.
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HINTERGRUND
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Verbrennungsmotoren verbrennen Luftgemische und Kraftstoff, um mechanische Leistung bzw. Arbeit zu erzeugen. Die wesentlichen Bauteile eines Verbrennungsmotors sind in Fachkreisen sehr gut bekannt und beinhalten bevorzugt einen Motorblock, Zylinderköpfe, Zylinder, Kolben, Ventile, eine Kurbelwelle und eine oder mehrere Nockenwellen. Die Zylinderköpfe, Zylinder und Kopfenden der Kolben bilden in der Regel Brennräume von variablem Volumen, in denen Kraftstoff und Luft eingeführt werden und in denen eine Verbrennung stattfindet, die Teil eines thermodynamischen Zyklus des Geräts ist. In allen Verbrennungsmotoren werden die heißen, gasförmigen Verbrennungsprodukte, die direkt auf die beweglichen Motorbauteile, wie z. B. die Oberseite oder den Kopf eines Kolbens einwirken, in Arbeit umgewandelt. Die Hubbewegung der Kolben wird mittels Pleueln auf die Drehbewegung der Kurbelwelle übertragen. Ein bekannter Verbrennungsmotor arbeitet in einem Viertakt-Verbrennungszyklus, worin ein Takt bzw. Hub als eine vollständige Bewegung eines Kolbens von einem oberen Totpunkt (TDC) in einen unteren Totpunkt (BDC) oder umgekehrt definiert wird, und worin die Takte die Schritte Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen beinhalten. Dementsprechend ist ein Viertaktmotor hier als ein Motor definiert, der vier vollständige Takte bzw. Hübe von einem Kolben für jeden Arbeitshub einer Zylinderfüllung benötigt, d. h. für jeden Hub, der Leistung an eine Kurbelwelle liefert.
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Der Gesamtwirkungsgrad des Verbrennungsmotors hängt von seiner Fähigkeit ab, den Wirkungsgrad aller Prozesse zu maximieren, indem alle Ereignisse, die zu Energieverlusten an die Umgebung führen, auf ein Mindestmaß reduziert werden. Die Aufteilung des traditionellen Viertaktzyklus auf die entsprechenden Bauteile ermöglicht eine Steigerung der Effizienz des Verdichtungsvorgangs, indem versucht wird die isotherme Verdichtung der Zylinderfüllung über eine während des Verdichtungsvorgangs stattfindende Wärmegewinnung, wie z. B. über einen Wärmeaustauscher, zu approximieren. Gleichermaßen kann eine größere Energiemenge während der Expansion der Zylinderfüllung durch die Annäherung an eine adiabatische Expansion und die kontinuierliche Erhöhung der Expansion genutzt werden, und den Druck der Arbeitsgase auf den Atmosphärendruck zu senken. Darüber hinaus ermöglicht die Maximierung des Verhältnisses der spezifischen Wärmekapazitäten des jeweiligen Arbeitsgases bei einer Reduktion jeder spezifischen Wärmekapazität im Einzelnen, eine größere Energiegewinnung aus der Expansion bei einer gleichzeitigen Minimierung der mit jedem entsprechenden Bauteil in Verbindung gebrachten mechanischen und Strömungsverluste.
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Ein bekannter Ansatz bei der Bewältigung dieser Herausforderungen ist eine Niedertemperaturverbrennung (LTC) des turbogeladenen Dieselmotors. Der turbogeladene LTC Dieselmotor beruht auf einem zweistufigen durch eine Ladeluftkühlung getrennten Kompressionsvorgang zur Approximierung der isothermischen Kompression und der gleichzeitigen Reduktion der erforderlichen Arbeit zur Erzielung einer gegebenen Luftdichte und einer mageren Verbrennung mit niedriger Temperatur zur Minimierung von Wärmeverlusten und der gleichzeitigen Verbesserung der Abgaseigenschaften, und auf einem zweistufigen Ausdehnungsprozess zur Verbesserung der Arbeitswiederaufnahme mittels der für die Nachverbrennung herangezogenen Gase. Thermodynamisch gesehen handelt es sich bei dem turbogeladenen Dieselmotor um einen Mehrwellenmotor mit zweifacher Verdichtung und zweifacher Expansion, der eine Kombination aus Dreh- und Hubmaschinen verwendet, um zwei hintereinander geschaltete Verdichtungsvorgänge vor der Verbrennung und zwei hintereinander geschaltete Expansionsvorgänge nach der Verbrennung auszuführen. Der Gesamtwirkungsgrad kann jedoch von der Fähigkeit eingeschränkt werden, die Leistung dieser Bauteile an den Betriebsbereich anzupassen und innerhalb dieses Bereichs zu optimieren. Luftaufbereitungssysteme, die zur Verstärkung extern geladener Mehrwellenmotoren verwendet werden, können komplexere Verstärkungssysteme beinhalten, die zwei- oder dreistufige Turboladungen oder eine Kombination aus Turboladern und mechanisch angetriebenen Ladern verwenden. Neben den Ladern erfordern die Systeme auch Wärmeaustauscher, Bypassventile und Steuerungen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es wird ein Einwellen-Verbrennungsmotor mit zweifacher Expansion beschrieben, der einen Motorblock, einen Zylinderkopf, eine einzige Kurbelwelle, eine Steuerwelle und erste, zweite und dritte Mehrlenker-Pleuelanordnungen beinhaltet. Die ersten und der zweiten Arbeitszylinder und ein Expanderzylinder werden im Motorblock ausgebildet. Die je ersten und zweiten Kraftkolben sind innerhalb der ersten und zweiten Arbeitszylinder beweglich und über entsprechende erste und zweite Mehrlenker-Pleuelanordnungen mit entsprechenden ersten und zweiten Zapfen der Kurbelwelle verbunden. Ein Expanderkolben ist innerhalb des Expanderzylinders beweglich und über die dritte Mehrlenker-Pleuelanordnung mit einem dritten Hubzapfen der Kurbelwelle verbunden. Die ersten und zweiten Mehrlenker-Pleuelanordnungen sind mit den vierten Gelenkstiften der jeweiligen ersten und zweiten Schwingarme gekoppelt, die an die Steuerwelle angebracht sind, und die dritte Mehrlenker-Pleuelanordnung ist an einen fünften Gelenkstift eines dritten an die Steuerwelle angebrachten Schwingarms befestigt. Der dritte Schwingarm ist an der Steuerwelle an einer Position angebracht, die vom Befestigungsort der ersten und zweiten Schwingarme aus, um 180° um eine Drehachse der Steuerwelle gedreht ist.
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Die oben genannten Eigenschaften und Vorteile sowie andere Eigenschaften und Vorteile der gegenwärtigen Lehren gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bestmöglichen praktischen Umsetzung der dargestellten Lehren in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 verdeutlicht schematisch eine Endansicht einer Ausführungsform eines Einwellen-Verbrennungsmotors mit zweifacher Expansion in Übereinstimmung mit der Offenbarung;
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2 und 3 verdeutlichen schematisch eine Teilendansicht einer Ausführungsform eines Einwellen-Verbrennungsmotors mit zweifacher Expansion in Übereinstimmung mit der Offenbarung;
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4. verdeutlicht schematisch eine Endsicht einer Ausführungsform eines Einwellen-Verbrennungsmotors mit zweifacher Expansion in Übereinstimmung mit der Offenbarung; und
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5 stellt in Übereinstimmung mit der Offenbarung graphisch die Positionen eines Expanderkolben und eines Kraftkolbens bei einer Kurbelwellendrehung von über 360 Grad für eine Ausführungsform des hier beschriebenen Einwellen-Verbrennungsmotors mit zweifacher Expansion dar.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, worin ähnliche Bezugsnummern benutzt werden, um identische Bauteile in den verschiedenen Ansichten zu identifizieren, verdeutlicht 1. schematisch eine Endsicht einer Ausführungsform eines Einwellen-Verbrennungsmotors mit zweifacher Expansion (Motor) 10. 2 und 3 verdeutlichen schematisch Teilendansichten der Ausführungsform des Motors 10 und 4 verdeutlicht schematisch eine Draufsicht eines Abschnitts der Ausführungsform des Motors 10 in Übereinstimmung mit dieser Offenbarung. Gleiche Bezugsnummern bezeichnen in allen Figuren gleiche Elemente.
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Der Motor 10 beinhaltet einen Motorblock 12, der eine Verbindungszylinderkonfiguration beinhaltet, zu der eine Gruppe von drei wie hier beschriebenen Zylindern 30, eine Kurbelwelle, eine Hauptlagerbefestigung für eine Kurbelwelle 20 und ein Zylinderkopf 60 gehören. Obwohl nur eine Gruppe von drei Zylindern 30 dargestellt wird, kann der Motorblock 12 eine Vielzahl von Gruppen von drei Zylindern 30 beinhalten. Die physikalische Beschreibung wird mit Bezug auf eine dreidimensionale Achse gemacht, zu der eine Querachse 15, eine Längsachse 17 und eine senkrechte Achse 19 gehören, wobei die Längsachse 17 von einer durch die Mitte der Kurbelwelle 20 verlaufenden Linie 24 definiert wird, die senkrechte Achse 19 durch parallel verlaufenden Längsachsen der Motorzylinder 32, 34, 36, die einen aus der Gruppe der drei Zylinder 30 darstellen, definiert wird, und die Querachse 15 als die zur Längsachse 17 und zur senkrechten Achse orthogonal verlaufenden Linie 19 definiert wird. Eine scheibenförmige Schwungmasse 95 verläuft koaxial zur Kurbelwelle 20 und koppelt drehbar daran an.
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Jede Verbindungszylinderkonfiguration beinhaltet eine Gruppe von drei Zylindern 30, die jeweils einen ersten und zweiten Arbeitszylinder 32, 34 und einen dritten, den Expanderzylinder 36 beinhalten. Der erste Arbeitszylinder 32 nimmt einen ersten Arbeitszylinder 42 gleitbar darin auf, um die Hubbewegung auf die Drehbewegung der Kurbelwelle 20 zu übertragen und koppelt über einen ersten Pleuel 43 und eine erste Mehrlenker-Pleuelanordnung 80 drehbar an einen ersten Hubzapfen 26 der Kurbelwelle 20 an. Der erste Arbeitszylinder 32 definiert eine erste Arbeitszylindermittellinie 33. Ebenso nimmt der zweite Arbeitszylinder 34 einen zweiten Arbeitszylinder 44 gleitbar darin auf, um die Hubbewegung auf die Drehbewegung der Kurbelwelle 20 zu übertragen und koppelt über einen zweiten Pleuel 45 und eine zweite Mehrlenker-Pleuelanordnung 180 drehbar an einen zweiten Hubzapfen 27 der Kurbelwelle 20 über einen zweiten Pleuel 45 an. Der zweite Arbeitszylinder 36 definiert eine zweite Arbeitszylindermittellinie 35. Die ersten und zweiten Arbeitszylinder 32, 34, die ersten und zweiten Kraftkolben 42, 44, die ersten und zweiten Mehrlenker-Pleuelanordnungen 80, 180 und zugehörige Bauteile sind bevorzugt dimensional gleichwertig, und die ersten und die zweiten Hubzapfen 26, 27 sind radial gleichwertig, d. h. sie koppeln im selben Drehwinkel drehbar an die Kurbelwelle 20 an. In einer Ausführungsform definieren die ersten und zweiten Mittellinien der Arbeitszylinder 33, 35 eine Ebene, die die Mittellinie der Kurbelwelle 24 schneidet. Alternativ dazu und wie ersichtlich, definieren die ersten Linien des ersten und der zweiten Arbeitszylinders 33, 35 eine Ebene, die gegenüber der Mittellinie der Kurbelwelle 24 versetzt ist.
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Der Expanderzylinder 36 grenzt an die ersten und zweiten Arbeitszylinder 32, 34 an und verfügt über eine Mittellinie 37, die parallel zu den Mittellinien der ersten und zweiten Arbeitszylinder 33, 35 verläuft. Ein Expanderkolben 46 wird in einen Expanderzylinder 36 gleitbar aufgenommen, um die Hubbewegung auf die Drehbewegung der Kurbelwelle 20 zu übertragen, und koppelt an einen dritten Pleuel 47, der drehbar an die Kurbelwelle 20 über eine dritte Mehrlenker-Pleuelanordnung 50 ankoppelt, an. Der Expanderzylinder 36 verfügt bevorzugt über ein wesentlich größeres Volumen als die einzelnen Arbeitszylinder 32, 34 und verfügt im Vergleich zu einem der einzelnen Arbeitszylinder 32, 34 bevorzugt über ein 1,5 Mal bis 4,0 Mal höheres Hubvolumen. Das Hubvolumen des Expanderzylinders 36 wird auf der Basis der Kolbenbewegung zwischen einem oberen Totpunkt (TDC) und einem unteren Totpunkt (BDC) definiert, ist anwendungsspezifisch und wird, wie hier beschrieben, ermittelt. Des Weiteren ist die TDC Position und die BDC Position des Expanderzylinders 36, wie hier beschrieben, veränderbar.
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Die ersten und zweiten Mehrlenker-Pleuelanordnungen 80, 180 bilden jeweils einen Mehrgelenkmechanismus, der die lineare Hubbewegung der jeweiligen Kraftkolben 42, 44 auf die Drehbewegung der Kurbelwelle 20 überträgt und dabei gleichzeitig die Seitenbelastung der jeweiligen Kraftkolben 42, 44 gegenüber dem ersten und dem zweiten Arbeitszylinder 32, 34 auf ein Mindestmaß senken. Die ersten und zweiten Mehrlenker-Pleuelanordnungen 80, 180 beinhalten jeweils einen rigiden Hauptlenker 82, 182, der eine Dreistiftplatte ist, die einen ersten Gelenkstift 83, 183, einen zweiten Gelenkstift 84, 184 und einen dritten Gelenkstift 85, 185 beinhaltet. Die ersten Gelenkstifte 83, 183 der Hauptlenker 82, 182 koppeln drehbar an die entsprechenden ersten und zweiten Pleuel 43, 45, die an die entsprechenden ersten und zweiten Kraftkolben 42, 44 koppeln. Die zweiten Gelenkstifte 84, 184 der Hauptlenker 82, 182 koppeln drehbar an die entsprechenden ersten und zweiten Hubzapfen 26, 27 der Kurbelwelle 20 an. Die ersten und zweiten Hubzapfen 26, 27 der Kurbelwelle 20 werden mit den zweiten Gelenkstiften 84, 184 der entsprechenden Mehrlenker-Pleuelanordnung 80, 180 zusammengeführt und werden von der dritten Hubzapfen 28 aus um 180° gedreht. Die dritten Gelenkstifte 85, 185 der Hauptlenker 82, 182 koppeln dementsprechend drehbar an ein erstes Ende eines entsprechenden ersten oder zweiten Schwingarms 86, 186 und ein zweites Ende eines entsprechenden ersten oder zweiten Schwingarms 86, 186 koppelt drehbar an einen entsprechenden vierten Gelenkstift 87, 187, wobei all diese einen sich jeweils drehenden Anschlagpunkt darstellen, der an die distalen Enden dementsprechender erster und zweiter Dreharme 88, 188, die fest an eine Steuerwelle 59 angebracht werden, um damit rotieren zu können, koppelt. In einer Ausführungsform wird eine steuerbare variable Verstelleinrichtung 90 eingesetzt, die einen Statorabschnitt und einen Rotorabschnitt beinhaltet. Der Statorabschnitt ist fest an der Steuerwelle 59 angebracht, um sich mit ihr zusammen zu drehen und der Rotorabschnitt ist steuerbar an den Statorabschnitt angebracht. Die Verstelleinrichtung 90 steuert die drehbare Position der Steuerwelle 59 in Bezug zu einer drehbaren Position der Kurbelwelle 20 und es gibt eine drehbare Freiheit von bevorzugt 180° zwischen der drehbaren Position des Statorabschnitts und einer drehbaren Position des Rotorabschnitts. Die ersten und zweiten Dreharme 88, 188 erstrecken sich zwischen einer Mittellinie der Steuerwelle 59 und den jeweiligen vierten Gelenkstiften 87, 187, die an einem Außenumfang des Rotorabschnitts der Verstelleinrichtung 90 positioniert sind und drehbar an die jeweiligen ersten und zweiten Schwingarme 86, 186 koppeln. Der dritte Dreharm 58 erstreckt sich zwischen einer Mittellinie der Steuerwelle 59 und dem fünften Gelenkstift 57, der an einem Außenumfang des Rotorabschnitts der Verstelleinrichtung 90 positioniert ist und drehbar an den dritten Schwingarm 56 koppelt. Der dritte sich drehende Arm 58 ist bevorzugt so positioniert, dass der fünfte Gelenkstift 57 von der Mittellinie der Steuerwelle 59 um 180° um den vierten Gelenkstift 87, 187 der ersten und zweiten Schwingarme 86, 186 gedreht, positioniert ist. Die Verstelleinrichtung 90 steuert die Verstellung der vierten Gelenkstifte 87, 187 und des fünften Gelenkstifts 57 in Bezug zur drehbaren Position der Kurbelwelle 20. Die Mechanisierung und Steuerung von Verstellgeräten, wie die Verstelleinrichtung 90, sind bekannt und werden nicht näher erläutert. Die Steuerwelle 59 koppelt drehbar an die Kurbelwelle 20 bei einer vorbestimmten Entfernung von der Mittellinie der Kurbelwelle 24 an und dreht sich zusammen mit der Kurbelwelle 20. Dies bedeutet unter anderem, dass die Drehung bei derselben Drehgeschwindigkeit und in dieselbe Drehrichtung wie die Kurbelwelle 20 in einer Ausführungsform stattfindet. Die Verstelleinrichtung 90 wird zur Steuerung der drehbaren Positionen des dritten Dreharms 58 und des ersten und zweiten Schwingarms 86, 186 in Bezug zur drehbaren Position der Kurbelwelle 20 gesteuert. Wie ersichtlich und durch Element 92 gezeigt, dreht sich die Steuerwelle 59 in dieselbe Richtung, in die sich, wie durch Element 22 in einer Ausführungsform gezeigt, die Kurbelwelle 20 dreht. Alternativ dazu dreht sich die Steuerwelle 59 im umgekehrten Drehsinn wie die Kurbelwelle 20.
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Die dritte Mehrlenker-Pleuelanordnung 50 bildet einen Mehrgelenkmechanismus, der die lineare von der Mittellinie 24 der Kurbelwelle versetzte Hubbewegung der Expanderkolben 46 auf die Drehbewegung der Kurbelwelle 20 überträgt und dabei gleichzeitig die Seitenbelastung der Expanderkolben 46 auf ein Mindestmaß senkt. Der Versatz 25 zwischen der Mittellinie der Kurbelwelle 24 und der Mittellinie 37 des Expanderzylinders 36 wird mit Bezug auf 4 dargestellt. Die Mehrlenker-Pleuelanordnung 50 beinhaltet einen rigiden Hauptlenker 52 der eine Dreistiftplatte ist, die einen ersten Gelenkstift 53, einen zweiten Gelenkstift 54 und einen dritten Gelenkstift 55 beinhaltet. Der erste Gelenkstift 53 des Hauptlenkers 52 koppelt drehbar an den dritten Pleuel 47, der an den Expanderkolben 46 koppelt. Der zweite Gelenkstift 54 des Hauptlenkers 52 koppelt drehbar an den dritten Hubzapfen 28 der Kurbelwelle 20 an. Der dritte Hubzapfen 28 der Kurbelwelle 20 wird mit dem zweiten Gelenkstift 54 der Mehrlenker-Pleuelanordnung 50 zusammengeführt und von den ersten und zweiten Hubzapfen 26, 27 aus um 180° gedreht. Der dritte Gelenkstift 55 des Hauptlenkers 52 koppelt drehbar an ein erstes Ende eines dritten Schwingarms 56 und ein zweites Ende eines dritten Schwingarms 56 koppelt drehbar an einen fünften Gelenkstift 57, bei dem es sich um einen drehenden Anschlagpunkt handelt, der an ein distales Ende des dritten Dreharms 58 ankoppelt, der fest an die Steuerwelle 59 angebracht ist, um damit rotieren zu können. In einer Ausführungsform und, wie ersichtlich, wird die variable Verstelleinrichtung 90 zwischen dem dritten Dreharm 58 und der Steuerwelle 59 eingesetzt und koppelt den dritten Dreharm 58 drehbar an die Steuerwelle 59 an, um eine Verstellsteuerung des dritten Dreharms 58 und des drehbaren Anschlagpunkts am fünften Gelenkstift 57 zu bewirken. Die Mechanisierung und Steuerung von Verstellgeräten, wie die Verstelleinrichtung 90, sind bekannt und nicht näher erläutert. Die Steuerwelle 59 koppelt drehbar an die Kurbelwelle 20 bei einer vorgegebenen Entfernung von der Mittellinie der Kurbelwelle 24 an und dreht sich bei derselben Drehgeschwindigkeit und die Verstelleinrichtung 90 wird gesteuert, um die drehbare Verstellung am dritten Dreharm 58 in Beziehung zur drehbaren Position der Kurbelwelle 20 zu steuern.
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In einer Ausführungsform liegt die Phasenverstellungsbefugnis der Verstelleinrichtung 90 zwischen 0 Grad (Position 1) und 180 Grad der Drehung (Position 2). Die Wirkung der Phasenverstellsteuerung der Verstelleinrichtung 90 bezweckt die Steuerung der drehbaren Verstellung des ersten und zweiten Dreharms 88, 188 und des dritten Dreharms 58 in Bezug zur drehbaren Position der Kurbelwelle 20. Die Hubbewegung des Kraftkolbens 46 ist um 180 Grad zur Hubbewegung des ersten und des zweiten Kraftkolbens 42, 44 verstellt. Wenn sich der Expanderkolben 46 daher an einer TDC-Position befindet, befinden sich der erste und der zweite Kraftkolben 42, 44 an ihren jeweiligen BDC Positionen.
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Die Anordnungen der Elemente der ersten, zweiten und dritten Mehrlenker-Pleuelanordnungen 50, 80 und 180 beeinflussen die Takte der entsprechenden ersten und zweiten Kraftkolben 42, 44 und des Expanderkolbens 46 und somit auch das Hubvolumen und die geometrischen Verdichtungsverhältnisse dieser. Die ersten, zweiten und dritten Mehrlenker-Pleuelanordnungen 50, 80 und 180 verbinden mechanisch die im Zylinder stattfindenden Übertragungen des ersten und zweiten Kraftkolbens 42, 44 mit den im Zylinder stattfindenden Übertragungen des Expanderkolben 46 während der Drehung der Kurbelwelle 20 mittels des ersten, zweiten und dritten Zapfens 26, 27 und 28. In jeder der ersten, zweiten und dritten Mehrlenker-Pleuelanordnungen 50, 80, 180 definieren die jeweils ersten Gelenkstifte 53, 83, 183 und die entsprechenden zweiten Gelenkstifte 54, 84, 184 des jeweiligen rigiden Hauptlenkers 52, 82, 182 eine erste lineare Entfernung. Die entsprechenden zweiten Gelenkstifte 54, 84, 184 und der entsprechende dritte Gelenkstift 55, 85, 185 definieren eine zweite lineare Entfernung. Diese Konfiguration, zu der der entsprechende Hauptlenker 52, 82, 182 gehört, ermöglicht es dem Takt des Expanderkolben 46 sich von einer dritten Kurbelwellenkröpfungslänge, die von dem dritten Hubzapfen 28 der Kurbelwelle 20 definiert ist, zu unterscheiden und ermöglicht es den Takten der ersten und zweiten Kraftkolben 42, 44 ebenfalls sich von den ersten und zweiten Kurbelwellenkröpfungslängen, die von den ersten und zweiten Hubzapfen 26 und 27 der Kurbelwelle 20 definiert sind, zu unterscheiden.
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Eine Größenordnung einer linearen Bewegungsstrecke des Expanderkolbens 46 zwischen einer TDC-Position und einer BDC-Position wird auf der Basis des Hebelarms ermittelt, d. h. eine erste lineare Entfernung und die zweite lineare Entfernung zwischen den Gelenkstiften, der dritten Kurbelwellenkröpfung, die Kröpfung des sich drehenden Ankerarms und des fünften Gelenkstifts 57 und die Verstellung des dritten Dreharms 58 in Bezug auf die Kurbelwelle 20 beeinflussen alle den Takt des Expanderkolbens 46.
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Eine Größenordnung der linearen der Bewegungsstrecke sowohl des ersten als auch des zweiten Kraftkolbens 42, 44 zwischen einer TDC-Position und einer BDC-Position wird auf der Basis des Hebelarms ermittelt, d. h. eine erste lineare Entfernung und die zweite lineare Entfernung zwischen den Gelenkstiften, die erste und zweite Kurbelwellenkröpfung, die Kröpfung des sich drehenden Ankerarms und des entsprechenden vierten Gelenkstifts 87, 187 und die Verstellung des entsprechenden ersten oder zweiten Dreharms 88, 188 in Bezug auf die Kurbelwelle 20 beeinflussen alle den Takt des ersten und zweiten Kraftkolbens 42, 44.
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Wenn die Verstelleinrichtung 90 als solche auf Position 1 gesteuert ist, ist der Expanderkolben 46 aktiv und bewegt sich zwischen einem ersten oberen Totpunkt (TDC) 122 und einem ersten unteren Totpunkt (BDC) 120 mit jeder Drehung der Kurbelwelle 20 und verfügt über eine aktive Bewegungsstrecke des Kolbenhubs 121. Wenn die Verstelleinrichtung 90 auf Position 2 gesteuert ist, ist der Expanderkolben 46 deaktiviert und bewegt sich zwischen einem zweiten oberen Totpunkt (TDC) 126 und einem zweiten unteren Totpunkt (BDC) 125 mit jeder Drehung der Kurbelwelle 20 und verfügt über eine deaktivierte Bewegungsstrecke des Kolbenhubs 123. Die aktive Bewegungsstrecke des Kolbenhubs 121 ist erheblich länger als die deaktivierte Bewegungsstrecke des Kolbenhubs 123.
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Gleichfalls, wenn die Verstelleinrichtung 90 auf Position 1 gesteuert ist, werden der erste und zweite Kraftkolben 42, 44 bei der Bewegung zwischen einem ersten oberen Totpunkt (TDC) 114 und einem ersten unteren Totpunkt (BDC) 110 zu niedrigen Verdichtungsverhältnissen betrieben, wobei jede Drehung der Kurbelwelle 20 eine Bewegungsstrecke des Kolbenhubs 113 mit einem niedrigen Verdichtungsverhältnis aufweist. Wenn die Verstelleinrichtung 90 auf Position 2 gesteuert ist, verfügen der erste und der zweite Kraftkolben 42, 44 über hohe Verdichtungsverhältnisse und bewegen sich mit jeder Drehung der Kurbelwelle 20 zwischen einem zweiten oberen Totpunkt (TDC) 112 und einem zweiten unteren Totpunkt (BDC), der genauso hoch ist wie der erste untere Totpunkt (BDC) 110, und weisen Bewegungsstrecken des Kolbenhubs 111 mit einem hohen Verdichtungsverhältnis auf. Die Bewegungsstrecke des Kolbenhubs 113 mit einem niedrigen Verdichtungsverhältnis ist etwas kürzer als die Bewegungsstrecke des Kolbenhubs 111 mit einem hohen Verdichtungsverhältnis und wird auf der Basis bevorzugter Werte für die niedrigen und die hohen Verdichtungsverhältnisse ermittelt.
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Der Zylinderkopf 60 ist ein integriertes Gerät, das gegossene Abschnitte, bearbeitete Abschnitte und montierte Abschnitte enthält, um zu Steuern und die Strömung der Ansaugluft, des Kraftstoffs und der Brandgase in und aus den ersten und zweiten Arbeitszylindern 32, 34 und dem Expanderzylinder 36 heraus auszurichten, um den Betrieb des Motors zu bewirken und mechanische Leistung zu erzeugen. Der Zylinderkopf 60 beinhaltet strukturelle Lagerträger für die Nockenwelle(n) des Arbeitszylinders und die Nockenwelle(n) des Expanderzylinders. Der Zylinderkopf 60 beinhaltet Ansaugkanäle 70, 74 des je ersten und zweiten Arbeitszylinders, die mit den jeweiligen Ansaugkanälen 71, 75 des ersten und des zweiten Arbeitszylinders fluidleitend verbunden sind, wobei der Einlassluftstrom des Motors von den jeweiligen Einlassventilen 62, 64 des ersten und des zweiten Arbeitszylinders gesteuert werden. Wie ersichtlich, gibt es zwei Einlassventile pro Zylinder, obwohl jede dafür geeignete Menge, z. B. ein oder drei Einlassventile pro Zylinder, angewendet werden kann. Die Ansaugluft des Motors stammt aus einer Umgebungsluftquelle, die vor dem Eintreten in die Ansaugkanäle 70, 74 der ersten und zweiten Arbeitszylinder durch eine Druckerzeugungsvorrichtung, wie z. B. einen Turbolader oder einen Auflader, hindurchfließen kann. Der Zylinderkopf 60 beinhaltet auch Auslasskanäle 72, 76 des ersten und zweiten Arbeitszylinders, wobei der Abluftvolumenstrom des Motors von den jeweiligen Auslassventilen 63, 65 des ersten und zweiten Arbeitszylinders gesteuert werden. Wie ersichtlich, gibt es zwei Auslassventile pro Zylinder, obwohl jede dafür geeignete Menge, z. B. ein oder drei Auslassventile pro Zylinder, angewendet werden kann. Bei den ersten und zweiten Einlassventilen 62, 64 und Auslassventilen 63, 65 des Arbeitszylinders handelt es sich um normalerweise geschlossene federbelastete Tellerventile, die in einer Ausführungsform durch die Drehung der Nockenwellen des Arbeitszylinders aktiviert werden und die alternativ dazu, alle sonstigen geeigneten Ventil- und Ventilaktivierungskonfigurationen beinhalten können.
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Der Zylinderkopf 60 unterstützt Elemente, die erforderlich sind, um die Verbrennung einzuleiten, z. B. eine Zündkerze, und eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung in einer Ausführungsform für sowohl den ersten als auch den zweiten Arbeitszylinder 32, 34. Der erste Auslasskanal des Arbeitszylinders 72 ist fluidisch über einen ersten Ansaugkanal des Expanderzylinders 73 an einen ersten Ansaugkanal 79 des Expanderzylinders gekoppelt, wobei die Strömung über ein erstes Einlassventil des Expanderzylinders 66 und das Auslassventil des ersten Arbeitszylinders 63 gesteuert ist. Der zweite Auslasskanal des Arbeitszylinders 76 ist fluidisch über einen zweiten Ansaugkanal des Expanderzylinders 77 an einen zweiten Ansaugkanal 98 des Expanderzylinders gekoppelt, wobei die Strömung über ein zweites Einlassventil des Expanderzylinders 67 und das Auslassventil des zweiten Arbeitszylinders 65 gesteuert ist. Der Zylinderkopf 60 beinhaltet auch einen oder eine Vielzahl an Auslasskanälen des Expanderzylinders 78, von denen zwei hier gezeigt werden, die über entsprechende Auslassventile des Expanderzylinders 68 verfügen, die fluidisch mit einem Auslasskanal des Expanderzylinders 96 verbunden sind, der zu einer Abgasanlage führt, die Abgasreinigungsvorrichtungen, einen Turbolader und Abluftschalldämpfervorrichtung, usw. beinhalten kann. Das Einlassventil 66 des ersten Expanderzylinders und das Einlassventil 67 des zweiten Expanderzylinders und die Auslassventile 68 der Expanderzylinder können normalerweise geschlossene federbelastete Tellerventile sein, die in einer Ausführungsform durch die Drehung der Expander-Nockenwelle aktiviert werden können und alternativ dazu, jede andere geeignete Nockenwellenkonfiguration beinhalten können. Die Drehungen der Nockenwellen der Arbeitszylinder und die Nockenwellen der Expanderzylinder sind bevorzugt mit der Drehung der Kurbelwelle 20 indiziert und verbunden. Die ersten und zweiten Hubzapfen 26, 27 der Kurbelwelle 20 koppeln drehbar mit den ersten und zweiten Kraftkolben 42, 44 über die ersten und zweiten Pleuel 43, 45.
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Der hier beschriebene Betrieb des Motors 10 beinhaltet das im Folgenden Aufgeführte: Sowohl der erste als auch der zweite Arbeitszylinder 32, 34 wird im Viertaktzyklus betrieben, zu dem wiederholt ausgeführte Einlass-, Kompressions-, Expansions- und Auslasstakte bei einer Kurbelwellendrehung von 720 Grad gehören. Der zum zweiten Arbeitszylinder 34 zugehörige Viertaktzyklus ist gegenphasig zum Zyklus, der dem ersten Arbeitszylinder 32 mit einer Kurbelwellendrehung von 360° zugeordnet wird. Als solches befindet sich der zweite Arbeitszylinder 34 im Expansionstakt, wenn sich der erste Arbeitszylinder 32 im Einlasstakt befindet und der erste Arbeitszylinder 32 befindet sich im Expansionstakt, wenn der zweite Arbeitszylinder 34 sich im Einlasstakt befindet. Der Expanderzylinder 36 wird im Zweitaktzyklus betrieben. Dazu gehört ein Einlasstakt und ein Auslasstakt, worin der Einlasstakt alternierend mit den Auslasstakten des ersten und zweiten Arbeitszylinders 32, 34 koordiniert ist.
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Als solches verdrängt jeder Arbeitszylinder 32, 34 seine Abgase in den Expanderzylinder 36 auf alternierende Weise.
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5 stellt in Übereinstimmung mit der Offenbarung graphisch die Positionen eines Expanderkolbens und eines Kraftkolbens bei einer Kurbelwellendrehung von über 360 Grad für eine Ausführungsform des hier beschriebenen Einwellen-Verbrennungsmotors 10 mit zweifacher Expansion dar, wobei die auf der senkrechten Achse dargestellte Kolbenposition 520 in Bezug steht zur auf der waagerechten Achse dargestellten Kurvenwellendrehung 510. Die Kolbenpositionen 520 werden in Bezug zur TDC und BDC gezeigt, worin die TDC Position 522 und die BDC Position 524 die Kolbenpositionen widerspiegeln, die sich in einem Zustand hoher Belastung befinden und über einen sich in einem aktiven Zustand, d. h. unter hohen Lastkonditionen, befindlichen Expanderkolben verfügen. Die angegebenen Ergebnisse stellen den Kraftkolben unter hohen Lastkonditionen 521, den Kraftkolben unter geringfügigen Lastkonditionen 523, den Expanderkolben unter hohen Lastkonditionen 525 und den Expanderkolben unter geringfügigen Lastkonditionen 527 dar.
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Die hier beschriebene Kolbenkonfiguration ermöglicht es dem Expanderzylinder 36 und dem zugehörigen Expanderkolben 46 in erheblichem Maße von der Mittellinie der Kurbelwelle 24 versetzt zu sein, ohne dass Betriebsprobleme auftreten, die mit einer seitlichen Belastung des Kolbens in Verbindung gebracht werden. Dies ermöglicht es dem Takt des Expanderkolbens 46 in Bezug zur Kurbelwellenkröpfung ausgewählt zu werden aber zwingt den Takt nicht dazu, das Äquivalent der Kurbelwellenkröpfung zu sein. Derartige Konfigurationen ermöglichen ein kompakteres Design einer Ausführungsform des Einwellen-Verbrennungsmotors mit zweifacher Expansion 10, zu dem eine insgesamt kürzere Motorlänge, eine kürzere Motorhöhe und eine bessere Motorleistung gehört, die durch geringere Gasübertragungsverluste, aufgrund der Minimierung der Ansaugkanallängen 73, 77 des Expanderzylinders 36 erzielt wird. Die Taktänderung, die zur Deaktivierung des Expanderkolbens 46 verwendet wird, reduziert die Entstehung von Reibung, wenn dieser sich nicht im Betrieb befindet. Die Taktänderung wird auch dazu verwendet, um das Verdichtungsverhältnis in den Arbeitszylinder 32, 34 in Bezug zur Geschwindigkeit und der Belastung zu variieren. Des Weiteren können die Verdichtungsverhältnisse von sich unter hohen Lastkonditionen befindlichen Arbeitszylindern 32, 34 verringert werden, um den Zylinderdruck mit einer dementsprechenden Reduktion des Spitzenbrenndrucks und der Verbesserung des Luftflusses zu reduzieren. Die Verdichtungsverhältnisse der Arbeitszylinder 32, 34 können angehoben werden, wenn diese sich unter geringfügigen Lastkonditionen befinden, um deren Leistungskapazität zu erhöhen.
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Während die besten Arten zur Durchführung der zahlreichen Aspekte der vorliegenden Lehren im Detail geschildert wurden, werden diejenigen, die mit diesen Lehren vertraut sind, verschiedene alternative Aspekte zur Durchführung der gegenwärtigen Lehren erkennen, die zum Umfang der beigefügten Ansprüche gehören.
