DE102016210825B4 - Einzelwellen-verbrennungsmotor mit doppelter expansion - Google Patents

Abstract

Einzelwellen-Verbrennungsmotor (10) mit doppelter Expansion, umfassend:einen Motorblock (12), einen Zylinderkopf (60), eine Kurbelwelle (20) und eine mehrgliedrige Pleuelstangenbaugruppe (50);erste und zweite Arbeitszylinder (32, 34) und einen Expansionszylinder (36), die im Motorblock (12) geformt und durch den Zylinderkopf (60) abgeschlossen sind;erste und zweite Arbeitskolben (42, 44), die jeweils im ersten und zweiten Arbeitszylinder (32, 34) beweglich angeordnet sind; undeinen Expansionskolben (46), der beweglich im Expansionszylinder (36) angeordnet ist;wobei die Kurbelwelle (20) ein drittes Gegengewicht (21) hat, das eine Unwucht in der Kurbelwelle (20) verursacht;dadurch gekennzeichnet , dassdass die beiden Arbeitskolben (42, 44) jeweils mit einem ersten und einen zweiten Kurbelzapfen (26, 27) der Kurbelwelle (20) verbunden sind;dass der Expansionskolben (46) über die mehrgliedrige Pleuelstangenbaugruppe (50) mit einem dritten Kurbelzapfen (28) der Kurbelwelle (20) verbunden ist;dass der Zylinderkopf (60) Auslassöffnungen (72, 76) für den ersten und den zweiten Arbeitszylinder (32, 34) aufweist, wobei die Auslassöffnung (72) des ersten Arbeitszylinders (32) über einen ersten Expansionszylinder-Einlasskanal (73) mit einer ersten Expansionszylinder-Einlassöffnung (79) in Fluidkopplung steht und die Auslassöffnung (76) des zweiten Arbeitszylinders (34) über einen zweiten Expansionszylinder-Einlasskanal (77) mit einer zweiten Expansionszylinder-Einlassöffnung (98) in Fluidkopplung steht; unddass eine erste Ausgleichswelle (110) in einer ersten Längsöffnung (115) im Motorblock (12) angeordnet ist und eine zweite Ausgleichswelle (120) in einer zweiten Längsöffnung (125) im Motorblock (12) angeordnet ist, wobei die erste und zweite Ausgleichswelle (110, 120) jeweils erste und zweite Gegengewichte (112,122) haben.

Description

• TECHNISCHES GEBIET
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Einzelwellen-Verbrennungsmotor mit doppelter Expansion gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er der Art nach im Wesentlichen aus der DE 28 40 923 A1 bekannt ist.
• Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die Druckschriften US 5 146 749 A und WO 2010 / 145 628 A1 verwiesen.
• HINTERGRUND
• Verbrennungsmotoren verbrennen Gemische aus Luft und Brennstoff, um mechanische Leistung zur Verrichtung von Arbeit zu erzeugen. Zu den grundlegenden Komponenten eines Verbrennungsmotors gehören Motorblock, Zylinderkopf, Zylinder, Kolben, Ventile, Kurbelwelle und eine oder mehrere Nockenwellen. Die Zylinderköpfe, Zylinder und Kolbenböden bilden typische Brennkammern mit variablem Rauminhalt, in die Kraftstoff und Luft eingeführt werden und in denen die Verbrennung als Teil des thermodynamischen Zyklus der Maschine stattfindet. In allen Verbrennungsmotoren wird nutzbare Arbeit aus den heißen gasförmigen Verbrennungsprodukten erzeugt, die direkt auf bewegliche Motorkomponenten, wie die Kolbenkrone und den Kolbenboden, einwirken. Im Allgemeinen wird die alternierende Bewegung der Kolben über die Pleuelstangen in die Drehbewegung einer Kurbelwelle übertragen. Ein bekannter Verbrennungsmotor arbeitet mit einem Viertakt-Verbrennungszyklus, wobei ein Takt als komplette Bewegung eines Kolbens von einem oberen Totpunkt (TDC) zu einem unteren Totpunkt (BDC) oder umgekehrt definiert wird, und die Takte aus Einlass, Verdichtung, Zündung und Auslass bestehen. Demgemäß wird ein Viertaktmotor hierin als Motor definiert, der vier komplette Takte eines Kolbens für jeden Arbeitshub einer Zylinderfüllung erfordert, d. h. für jeden Hub, der Arbeit an eine Kurbelwelle überträgt.
• Der Gesamtwirkungsgrad eines Verbrennungsmotors hängt von seiner Fähigkeit zur Maximierung aller Prozesse durch die Minimierung des Energieaustauschs mit der Umgebung, der zu Leistungsverlusten führt. Die Aufteilung des traditionellen 4-Takt-Zyklus unter dedizierten Komponenten ermöglicht die Steigerung der Effizienz des Verdichtungsprozesses durch das Streben nach Annäherung an eine isotherme Kompression einer Zylinderfüllung, wie durch die Verwendung eines Wärmetauschers. Desgleichen kann eine größere Energiemenge während der Ausdehnung einer Zylinderfüllung nutzbar gemacht werden durch das Streben nach Annäherung an eine adiabatische Ausdehnung und die Erweiterung dieser Ausdehnung, um die Arbeitsgase auf atmosphärischen Druck zu bringen. Zusätzlich wird durch die Maximierung des spezifischen Wärmeverhältnisses der Arbeitsgase bei gleichzeitiger Reduktion jeder einzelnen spezifischen Wärme eine größere Energieausbeute bei der Ausdehnung erzielt, während die mit jeder dedizierten Komponente verbundenen mechanischen Verluste und Strömungsverluste sinken.
• Bekannte Motorsysteme können Ausgleichswellen anwenden, um Verlusten entgegenzuwirken und so Vibrationen im Motorbetrieb zu reduzieren, einschließlich Vibrationen zweiter Ordnung, die von asymmetrischen Zylinderkonfigurationen verursacht werden. Ausgleichswellen können im Motorblock montiert und über einen mit dem Motor drehgekoppelten Ketten-, Zahnrad- oder Riementrieb mit einer Drehzahl angetrieben werden, die dem Doppelten der Motordrehzahl entspricht. Ausgleichswellen sind mit Gegengewichten versehen, die auf die Unterdrückung der Vibrationen zweiter Ordnung im Motor abgestimmt sind.
• ZUSAMMENFASSUNG
• Es wird ein Einzelwellen-Verbrennungsmotor mit doppelter Expansion beschrieben, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
• Die oben genannten Eigenschaften und Vorteile sowie anderen Eigenschaften und Vorteile der gegenwärtigen Lehren gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bestmöglichen praktischen Umsetzung der dargestellten Ansprüche in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
• Figurenliste
• 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Einzelwellen-Verbrennungsmotors mit doppelter Expansion, der offenbarungsgemäße erste und zweite Ausgleichswellen enthält;
• 2 ist eine schematische Darstellung einer Draufsicht der Ausführungsform des Einzelwellen-Verbrennungsmotors mit doppelter Expansion, wie offenbarungsgemäß beschrieben in 1;
• 3 ist eine graphische Darstellung eines Kräftediagramms in Verbindung mit ausgewählten Elementen einer offenbarungsgemäßen Ausführungsform des Einzelwellen-Verbrennungsmotors mit doppelter Expansion, ausgestattet mit ersten und zweiten Ausgleichswellen;
• 4 ist eine schematische Darstellung einer Endansicht von ausgewählten Elementen einer offenbarungsgemäßen Ausführungsform eines Einzelwellen-Verbrennungsmotors mit doppelter Expansion, ausgestattet mit doppelter Ausgleichswelle, einer Kurbelwelle und einer Steuerwelle, wobei die erste Ausgleichswelle neben der Steuerwelle angeordnet ist;
• 5 ist eine schematische Darstellung einer Endansicht von ausgewählten Elementen einer offenbarungsgemäßen Ausführungsform eines Einzelwellen-Verbrennungsmotors mit doppelter Expansion, ausgestattet mit doppelter Ausgleichswelle, einer Kurbelwelle und einer Steuerwelle, wobei die erste und zweite Ausgleichswelle in einer Hülle angeordnet sind, die durch eine äußere Peripherie des Motors bestimmt wird;
• 6 ist eine schematische Darstellung einer Endansicht von ausgewählten Elementen einer offenbarungsgemäßen Ausführungsform eines Einzelwellen-Verbrennungsmotors mit doppelter Expansion, ausgestattet mit doppelter Ausgleichswelle, einer Kurbelwelle und einer Steuerwelle, wobei die zweite Ausgleichswelle auf der gleichen vertikalen Höhe wie die erste Ausgleichswelle angeordnet ist;
• 7 ist eine schematische Darstellung einer Endansicht einer offenbarungsgemäßen Ausführungsform eines Einzelwellen-Verbrennungsmotors mit doppelter Expansion, ausgestattet mit einer einzelnen Ausgleichswelle; und
• 8 ist eine graphische Darstellung eines Kräftediagramms in Verbindung mit ausgewählten Elementen einer offenbarungsgemäßen Ausführungsform des Einzelwellen-Verbrennungsmotors mit doppelter Expansion, ausgestattet mit einer einzelnen Ausgleichswelle.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
• Bezugnehmend auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Referenznummern auf gleiche Komponenten in den Ansichten beziehen, zeigt 1 eine schematische Darstellung einer Endansicht einer Ausführungsform eines Einzelwellen-Verbrennungsmotors mit doppelter Expansion (Motor) 10, und 2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf einen Teil der Ausführungsform des Motors 10 gemäß dieser Offenlegung. Der Motor 10 ist mit jeweils einer ersten und zweiten Ausgleichswelle 110, 120 ausgestattet. Gleiche Zahlen in den verschiedenen Figuren beziehen sich auf die gleichen Elemente.
• Der Motor 10 besteht aus einem Motorblock 12, der eine aus drei Zylindern zusammengesetzte Zylinderkonfiguration 30 wie hierin beschrieben aufweist, eine Kurbelwellen-Hauptlageraufnahme für eine Kurbelwelle 20 und einen Zylinderkopf 60, der einen oberen Teil des Motorblocks 12 umschließt. Obwohl nur eine Zylinder-Dreifachanordnung 30 dargestellt ist, kann der Motorblock 12 eine Vielzahl von Zylinder-Dreifachanordnungen 30 enthalten. Die physische Beschreibung wurde mit Bezug auf eine dreidimensionale Achse erstellt, die eine Querachse 15, eine Längsachse 17 und eine Vertikalachse 19 aufweist, wobei die Längsachse 17 von der Mittellinie 24 der Kurbelwelle 20 gebildet wird, und die Vertikalachse 19 von Parallelachsen der Motorzylinder 32, 34, 36 gebildet wird, die eine der Zylinder-Dreifachanordnungen 30 bilden, und wobei die Querachse 15 rechtwinklig zur Längsachse 17 und zur Vertikalachse 19 liegt. Ein scheibenförmiges Schwungrad kann koaxial mit der Kurbelwelle 20 drehgekoppelt sein.
• Jede zusammengesetzte Zylinderkonfiguration 30 besteht aus drei Zylindern, zu denen jeweils der erste und zweite Arbeitszylinder 32, 34 und ein dritter Expansionszylinder 36 gehören. Der erste Arbeitszylinder 32 beinhaltet einen ersten Arbeitskolben 42, der darin nach oben und unten gleitet, um die Drehbewegung der Kurbelwelle 20 zu erzeugen, und über eine erste Pleuelstange 43 mit einem ersten Kurbelzapfen 26 der Kurbelwelle 20 drehgekoppelt ist. Der erste Arbeitszylinder 32 definiert eine erste Arbeitszylinder-Mittellinie 33. Desgleichen beinhaltet der zweite Arbeitszylinder 34 einen zweiten Arbeitskolben 44, der darin nach oben und unten gleitet, um die Drehbewegung der Kurbelwelle 20 zu erzeugen, und über eine zweite Pleuelstange 45 mit einem zweiten Kurbelzapfen 27 der Kurbelwelle 20 drehgekoppelt ist. Der zweite Arbeitszylinder 36 definiert eine erste Arbeitszylinder-Mittellinie 35. Der erste und zweite Arbeitszylinder 32, 34, der erste und zweite Arbeitskolben 42, 44 und verbundene Komponenten sind vorzugsweise gleich bemessen, und der erste und zweite Kurbelzapfen 26, 27 sind radial übereinstimmend, d. h. sie sind mit der Kurbelwelle 20 im gleichen Drehwinkel drehgekoppelt. In einer Ausführungsform, definieren die erste und zweite Arbeitszylinder-Mittellinie 33, 35 eine Ebene, die sich mit der Kurbelwellen-Mittellinie 24 schneidet. Alternativ und wie dargestellt definieren die ersten und zweitem Arbeitszylinder-Mittellinien 33, 35 eine Ebene, die von der Kurbelwellen-Mittellinie 24 versetzt ist. Der Expansionszylinder 36 ist neben dem ersten und zweiten Arbeitszylinder 32, 34 angeordnet und hat eine Mittellinie 37, die parallel zu den Mittellinien des ersten und zweiten Arbeitszylinders 33, 35 verläuft. Ein Expansionskolben 46 gleitet in dem Expansionszylinder 36 nach oben und unten, um die Drehbewegung der Kurbelwelle 20 zu erzeugen, und ist mit einer dritten Pleuelstange 47, die wiederum über die mehrgliedrige Pleuelstangenbaugruppe 50 mit der Kurbelwelle 20 drehgekoppelt ist. Der Expansionszylinder 36 weist vorzugsweise ein erheblich größeres Volumen als ein einzelner Arbeitszylinder 32, 34 auf, und weist vorzugsweise einen Hubraum in einem Bereich zwischen dem 1,5- und 4,0-fachen desjenigen eines einzelnen Arbeitszylinders 32, 34 auf. Der Zylinderhubraum des Expansionszylinders 36 wird ausgehend von der Kolbenbewegung zwischen einem oberen Totpunkt (TDC) und einem unteren Totpunkt (BDC) definiert, ist anwendungsspezifisch und wird, wie hierin beschrieben, ermittelt. Weiterhin können die Lage des TDC und die Lage des BDC im Expansionszylinder 36 veränderbar sein.
• Die mehrgliedrige Pleuelstangenbaugruppe 50 bildet eine Mehrstangenverbindung, welche die lineare Hin- und Herbewegung des Expansionskolben 46 versetzt von der Kurbelwellen-Mittellinie 24 in Drehbewegung der Kurbelwelle 20 umsetzt, bei gleichzeitiger Minimierung der seitlichen Belastung des Expansionskolbens 46. Ein Versatz 25 zwischen der Kurbelwellen-Mittellinie 24 und der Mittellinie 37 des Expansionszylinders 36 ist in 2 dargestellt. Die mehrgliedrige Pleuelstangenbaugruppe 50 enthält einen starren Hauptverbindungsarm 52, bestehend aus einer Drei-Zapfen-Platte, die einen ersten Drehzapfen 53, einen zweiten Drehzapfen 54 und einen dritten Drehzapfen 55 enthält. Der erste Drehzapfen 53 des Hauptverbindungsarms 52 ist mit der dritten Pleuelstange 47 drehgekoppelt, die wiederum an den Expansionskolben 46 gekoppelt ist. Der zweite Drehzapfen 54 des Hauptverbindungsarms 52 ist mit dem dritten Kurbelzapfen 28 der Kurbelwelle 20 drehgekoppelt. Der dritte Kurbelzapfen 28 der Kurbelwelle 20 ist neben dem zweiten Drehzapfen 54 auf der mehrgliedrigen Pleuelstangenbaugruppe 50 angeordnet und dreht sich um 180^O um die Kurbelwellen-Mittellinie 24 vom ersten und zweiten Kurbelzapfen 26, 27. In einer Ausführungsform und wie dargestellt, ist dem dritten Kurbelzapfen 28 eine Exzentermasse in Form eines Gegengewichts 21 hinzugefügt. Alternativ können der erste und zweite Kurbelzapfen 26, 27 zusätzliche Gegengewichte haben. Der dritte Drehzapfen 55 des Hauptverbindungsarms 52 ist mit einem ersten Ende eines Schwinghebels 56 drehgekoppelt, und ein zweites Ende des Schwinghebels 56 ist mit einem vierten Drehzapfen 57 drehgekoppelt, der einen an das distale Ende eines Dreharms 58 gekoppelten Drehankerpunkt bildet, fest mit einer Steuerwelle 59 verbunden, um mit dieser zu rotieren. In einer Ausführungsform und wie dargestellt, ist der Drehwinkeleinsteller (Phaser) 90 zwischen dem Dreharm 58 und der Steuerwelle 59 eingefügt und koppelt den Dreharm 58 drehbar an die Steuerwelle 59 zur Regelung des Drehwinkels des Dreharms 58 und des Drehankerpunkts am vierten Drehzapfen 57. Die Mechanisierung und Regelung der Drehwinkel-Stellvorrichtungen, wie des Phasers 90, sind bekannt und werden hier nicht im Detail beschrieben. Die Steuerwelle 59 ist ein drehbares Element, dessen axiale Mittellinie parallel zur Kurbelwellen-Mittellinie 24 verläuft und mit der Kurbelwelle 20 in einem vorgegebenen Abstand zur Kurbelwellen-Mittellinie 24 drehgekoppelt ist und mit der gleichen Drehzahl dreht, und der Phaser 90 so gesteuert, dass er den Drehwinkel des Dreharm 58 im Verhältnis zum Drehwinkel der Kurbelwelle 20 regelt. Die Steuerwelle 59 dreht sich in der gleichen Richtung wie die Kurbelwelle 20 in einer Ausführungsform. Alternativ dreht sich die Steuerwelle 59 in der entgegengesetzten Richtung wie die Kurbelwelle 20.
• In einer Ausführungsform liegt der Verstellbereich des Phasers 90 zwischen 0^O (Position 1) und 180^O (Position 2) des Drehwinkels. Der Effekt der Drehwinkelverstellung durch den Phaser 90 ist die Regelung des Drehwinkels des Dreharms 58 im Verhältnis zum Drehwinkel der Kurbelwelle 20. Die Hin- und Herbewegung des Expansionskolbens 46 ist zur Hin- und Herbewegung des ersten und zweiten Arbeitskolbens 42, 44 um 180^O phasenverschoben. Daher befinden sich der erste und zweite Arbeitskolben 42, 44 am BDC, wenn der Expansionskolben 46 am TDC angelangt ist. Die Anordnung der Elemente der mehrgliedrigen Pleuelstangenbaugruppe 50 beeinflusst den Hub des entsprechenden ersten Expansionskolbens 46 und daher den Hubraum und die geometrische Kompression desselben.
• Die mehrgliedrige Pleuelstangenbaugruppe 50 koppelt die zylinderinternen Translationsbewegungen des ersten und zweiten Arbeitskolbens 42, 44 mechanisch mit der zylinderinternen Translationsbewegungen des Expansionskolben 46 während der Drehung der Kurbelwelle 20 über den ersten, zweiten und dritten Kurbelzapfen 26, 27 und 28. Der erste Drehzapfen 53 und der zweite Drehzapfen 54 des starren Hauptverbindungsarms 52 definiert einen ersten Linearabstand. Der zweite Drehzapfen 54 und der dritte Drehzapfen 55 definieren einen zweiten Linearabstand. Diese Konfiguration mit Einbeziehung des Hauptverbindungsarms 52 lässt den Hub des Expansionskolbens 46 von einer dritten Kurbelkröpfungslänge abweichen, die von dem dritten Kurbelzapfen 28 der Kurbelwelle 20 bestimmt wird.
• Eine Größenordnung eines linearen Hubwegs des Expansionskolbens 46 zwischen einem TDC und einem BDC wird durch den Hebelarm bestimmt, d. h. einem ersten Linearabstand und dem zweiten Linearabstand zwischen den Drehzapfen, die dritte Kurbelkröpfung, die Kröpfung des rotierenden Ankerarms und vierten Drehzapfens 57 und der Drehwinkel des Dreharms 58 im Verhältnis zur Kurbelwelle 20 beeinflussen alle den Hub des Expansionskolbens 46. Demzufolge ist der Expansionskolben 46 aktiv, wenn der Phaser 90 auf Position 1 gestellt ist, und bewegt sich mit jeder Drehung der Kurbelwelle 20 zwischen einem ersten oberen Totpunkt (TDC) und einem ersten unteren Totpunkt (BDC) und hat einen aktiven Kolbenhubweg. Wenn der Phaser 90 auf Position 2 gestellt ist, wird der Expansionskolben 46 deaktiviert und bewegt sich zwischen einem zweiten TDC und einem zweiten BDC bei jeder Drehung der Kurbelwelle 20 und hat einen deaktivierten Kolbenhubweg. Der aktive Kolbenhubweg ist wesentlich länger als der deaktivierte Kolbenhubweg.
• Der Zylinderkopf 60 ist eine integrierte Einrichtung, bestehend aus Gussteilen, spangebend bearbeiteten Teilen und zusammengesetzten Teilen zur Steuerung und Lenkung der Ströme von Einlassluft, Kraftstoff und Verbrennungsabgas in den ersten und zweiten Arbeitszylinder 32, 34 und den Expansionszylinder 36, bzw. aus diesen hinaus, um den Motorbetrieb zu bewirken und damit mechanische Arbeit zu erzeugen. Der Zylinderkopf 60 beinhaltet strukturelle Lagerträger für die Arbeitszylinder-Nockenwelle(n) und Expansionszylinder-Nockenwelle(n). Der Zylinderkopf 60 beinhaltet Einlasskanäle 70, 74 jeweils für den ersten und zweiten Arbeitszylinder, die in Fluidverbindung mit den Einlassöffnungen 71, 75 des ersten und zweiten Arbeitszylinders stehen, wobei der Motor-Einlassluftstrom jeweils von den Einlassventilen 62, 64 des ersten und zweiten Arbeitszylinders gesteuert wird. Hier dargestellt sind es zwei Einlassventile pro Zylinder, obwohl jede geeignete Anzahl, z.B. ein oder drei Einlassventile pro Zylinder zur Anwendung kommen kann. Die Motoreinlassluft kommt aus einer Umgebungsluftquelle und kann durch eine Druckeinrichtung, wie einen Turbolader oder Kompressor, in die Einlasskanäle des ersten und zweiten Arbeitszylinders 70, 74 geleitet werden. Der Zylinderkopf 60 beinhaltet auch Auslassöffnungen 72, 76 für den ersten und zweiten Arbeitszylinder, wobei der Motorabgasstrom jeweils von den Auslassventilen 63, 65 des ersten und zweiten Arbeitszylinders gesteuert wird. Hier dargestellt sind es zwei Auslassventile pro Zylinder, obwohl jede geeignete Anzahl, z.B. ein oder drei Auslassventile pro Zylinder zur Anwendung kommen kann. Die Einlassventile 62, 64 und Auslassventile 63, 65 des ersten und zweiten Arbeitszylinders sind normalerweise geschlossene federvorgespannte Tellerventile, die in einer Ausführungsform durch die Drehung der Arbeitszylinder-Nockenwellen aktiviert werden, und können alternativ aus jeder anderen geeigneten Ventil- und Ventilaktivierungskonfiguration bestehen. Der Zylinderkopf 60 trägt in einer Ausführungsform Elemente erforderlich zur Auslösung der Verbrennung z.B. eine Zündkerze und eine Einspritzdüse jeweils für den ersten und zweiten Arbeitszylinder 32, 34.
• Die Auslassöffnung 72 des ersten Arbeitszylinders steht über einen ersten Expansionszylinder-Einlasskanal 73 in Fluidkopplung mit einer ersten Expansionszylinder-Einlassöffnung 79, wobei der Fluss von einem ersten Expansionszylinder-Einlassventil 66 und dem ersten Arbeitszylinder-Auslassventil 63 gesteuert wird. Die zweite Arbeitszylinder-Auslassöffnung 76 steht über einen zweiten Expansionszylinder-Einlasskanal 77 in Fluidkopplung mit einer zweiten Expansionszylinder-Einlassöffnung 98, wobei der Fluss von einem zweiten Expansionszylinder-Einlassventil 67 und dem zweiten Arbeitszylinder-Auslassventil 65 gesteuert wird. Der Zylinderkopf 60 beinhaltet auch eine oder mehrere Expansionszylinder-Auslassöffnungen 78, von denen zwei mit entsprechenden Expansionszylinder-Auslassventilen dargestellt sind 68, in Fluidverbindung mit einem Expansionszylinder-Auslasskanal 96, der zu einem Abgassystem mit Abgasreinigungseinrichtungen, einem Turbolader, Auspuff-Schalldämpfern etc. führt. Das erste Expansionszylinder-Einlassventil 66, das zweite Expansionszylinder-Einlassventil 67 und das (die) Expansionszylinder-Auslassventil(e) 68 können normalerweise geschlossene federvorgespannte Tellerventile sein, die in einer Ausführungsform durch die Drehung der Arbeitszylinder-Nockenwelle aktiviert werden, und alternativ aus jede andere geeignete Nockenwellen-Konfiguration beinhalten können. Die Drehung der Arbeitszylinder-Nockenwellen und Expansionszylinder-Nockenwellen ist vorzugsweise indexiert und mit der Drehung der Kurbelwelle 20 verbunden. Der erste und zweite Kurbelzapfen 26, 27 der Kurbelwelle 20 sind mit dem ersten und zweiten Arbeitskolben 42, 44 über die erste und zweite Pleuelstange 43, 45 drehgekoppelt.
• Der Betrieb des Motors 10, wie hierin beschrieben, läuft wie folgt ab. Der erste und zweite Arbeitszylinder 32, 34 arbeiten beide im Viertaktbetrieb mit wiederholt ausgeführten Einlass-, Verdichtungs-, Arbeits- und Auslasstakten über 720^O der Kurbelwellendrehung. Der mit dem zweiten Arbeitszylinder 34 verbundene Viertaktzyklus ist gegenüber dem mit dem ersten Arbeitszylinder 32 verbundenen Zyklus um 360^O der Kurbelwellendrehung phasenverschoben. Wenn der erste Arbeitszylinder 32 im Einlasstakt ist, ist der zweite Arbeitszylinder 34 demnach im Arbeitstakt, und wenn der zweite Arbeitszylinder 34 im Einlasstakt ist, ist der erste Arbeitszylinder 32 im Arbeitstakt. Der Expansionszylinder 36 arbeitet in einem Zweitaktzyklus bestehend aus Einlass- und Auslasstakt, wobei der Einlasstakt alternierend mit den Auslasstakten des ersten und zweiten Arbeitszylinders 32, 34 koordiniert ist. Jeder der Arbeitszylinder 32, 34 verdrängt demnach sein Abgas in den Expansionszylinder 36 auf alternierende Weise.
• Der Motorblock 12 beinhaltet eine erste und zweite jeweils zylindrisch geformte Längsbohrung 115, 125 und dazugehörige Lagerflächen, die jeweils die erste und zweite Ausgleichswelle 110, 120 aufnehmen. Die Ausgleichswellen 110, 120 beinhalten jede einen Wellenteil, einen ersten konzentrischen Teil mit einer entsprechenden Mittellinie 116, 126, die eine Längsachse der entsprechenden ersten und zweiten Längsbohrung 115, 125 bildet, und jeweiligen exzentrischen Massen in Form von Gegengewichten 112, 122. Andere Elemente, wie Zahnradantriebe, Lager und verbundene Elemente, können in der Ausführungsform enthalten sein, wurden aber zur einfacheren Darstellung weggelassen. Die Drehung der ersten Ausgleichswelle 110 und der zweiten Ausgleichswelle 120 ist so mit der Drehung der Kurbelwelle 20 verbunden, dass sie mit der gleichen Drehzahl drehen, und die Drehrichtung der ersten Ausgleichswelle 110 ist gegenläufig zur Drehrichtung der zweiten Ausgleichswelle 120.
• Der Motor 10 kann Unwuchtkräften ausgesetzt sein, verursacht durch die Trägheitslast der Hin- und Herbewegungen von Massen und Verbindungsgliedern und kleineren Verbrennungsereignissen, die periodisch über die Kolben auf die drehende Kurbelwelle 20 einwirken. Derartige Unwuchtkräfte können als primäre Seitenschwingungen, eine vertikale Rüttelkraft und Wankmomente beschrieben werden. Das Auswuchten des Motors schließt vorzugsweise das Erreichen eines laterales Gleichgewichts ein, d. h. das Auswuchten entlang der Y-Achse. Das kann durch den Anbau des Gegengewichts 21 an die Kurbelwelle 20 erreicht werden. Die Exzentermasse des Gegengewichts 21 kann wie folgt bestimmt werden: $${\text{m}}_{\text{icw}}*{\text{r}}_{\text{icw}}={\text{N}}_{\text{lateral}}/{\mathrm{\omega }}^2$$

  

  wobei m_icw die Masse des Gegengewichts 21 ist, r_icw der radiale Abstand zur Mittellinie der Kurbelwelle 20 ist, ω die Drehzahl der Kurbelwelle 20 und N_lateral die primäre laterale Rüttelkraft ist. Die Einbeziehung des Gegengewichts 21 reduziert auch die vertikalen Rüttelkräfte aufgrund des Drehwinkelunterschiedes von ungefähr 90^O.
• 3 ist eine graphische Darstellung einer Anordnung ausgewählter drehbarer Elemente einer Ausführungsform eines Einzelwellen-Verbrennungsmotors mit doppelter Expansion 310, darunter eine erste und zweite Ausgleichswelle, und Elemente eines damit verbundenen Kräftediagramms. Der Verbrennungsmotor 310 ist in einer YZ-Ebene dargestellt, wobei die Y-Achse 315 der Seitenachse 15 des Motors 10 entspricht, beschrieben in 1, die Z-Achse 319 der Vertikalachse 19 des Motors 10 entspricht, beschrieben in 1, und die X-Achse (nicht dargestellt) der Längsachse 17 des Motors 10 entspricht, beschrieben in 1. Die dargestellten Elemente beinhalten eine Kurbelwelle 320, eine erste Ausgleichswelle 330 und eine zweite Ausgleichswelle 340. Die Kurbelwelle 320 hat eine Rotationsmittellinie 321, die neben der X-Achse liegt, und enthält ein Kurbelwellen-Gegengewicht 322 mit einer exzentrischen Masse von m_p, mit einem distal zur Mittellinie 321 ausgerichteten Massenmittelpunkt bei einem Kurbelwellenradius von r_p 324 distal zur Mittellinie 321. Die Rotationsmittellinie 321 definiert einen Nullpunkt (0,0) für die hierin beschriebenen Analysen. Das Symbol θ zeigt den Kurbelwellen-Drehwinkel an, vorzugsweise in Bezug auf Zylinder 1. Ein Vektor 326 wird von dem Liniensegment zwischen dem Nullpunkt (0,0) und dem Kurbelwellen-Gegengewicht 322 definiert. Der Vektor 326 ist mit dem Drehwinkel θ 180^O phasenverschoben.
• Die erste Ausgleichswelle 330 hat eine Rotationsmittellinie 331, definiert vom Nullpunkt (Y₁, Z₁) wobei Y₁ 325 ein Lateralabstand längs der Y-Achse 315 und Z₁ 327 ein Vertikalabstand längs der Z-Achse 319 ist. Die erste Ausgleichswelle 330 beinhaltet eine Exzentermasse m_b1 332, deren Massenmittelpunkt r_b1 333 distal zur Rotationsmittellinie 331 sitzt, die vom Nullpunkt (Y₁, Z₁) definiert ist. Ein Vektor 336 wird von einem Linienabschnitt zwischen dem Nullpunkt (Y₁, Z₁) und der ersten Exzentermasse m_b1 332 definiert und ist phasengleich mit dem Drehwinkel θ, und um 180^O phasenverschoben mit dem Vektor 326, und dreht in die gleiche Richtung.
• Die zweite Ausgleichswelle 340 hat eine Rotationsmittellinie 341, definiert vom Nullpunkt (Y₂, Z₂) wobei Y₂ 317 ein Lateralabstand längs der Y-Achse 315 und Z₂ 327 ein Vertikalabstand längs der Z-Achse 319 ist. Die zweite Ausgleichswelle 340 enthält eine zweite Exzentermasse m_b2 342 mit einem Massenmittelpunkt, der bei einem zweiten Radius r_b2 343 distal zur Rotationsmittellinie 341 sitzt, der vom Nullpunkt (Y₂, Z₂) definiert wird. Ein Vektor 346, definiert von einem Linienabschnitt zwischen dem Nullpunkt (Y₂, Z₂) und der zweiten Exzentermasse m_b2 342, ist phasengleich mit dem Drehwinkel, dreht aber in die entgegengesetzte Richtung.
• Primäres Auswuchten der Drehelemente beinhaltet das Bestimmen der verschiedenen Kräfte, die im Zusammenhang mit dem Gesamtsystem auf und durch die verschiedenen Drehelemente einwirken. Die Kräfte beinhalten eine primäre vertikale Unwuchtlast F cos θ 329, die auf die sich hin- und herbewegende Masse des Systems zurückzuführen ist, angenommen, dass die primäre Laterallast anulliert wurde; eine Unwuchtkraft auf der Kurbelwelle N_p 326, eine erste Unwuchtgegenkraft N₁ in Form von Vektor 336, der auf die erste Ausgleichswelle 330 einwirkt, eine zweite Unwuchtgegenkraft N₂ in Form von Vektor 346, der auf die zweite Ausgleichswelle 340 einwirkt, und Moment T 328, das ein primäres Unwucht Wankmoment.
• Die auf die Kurbelwelle 320 einwirkende Unwuchtkraft N_p 326 kann wie folgt bestimmt werden: $${\text{N}}_{\text{p}}={\text{m}}_{\text{p}}*{\text{r}}_{\text{p}}*{\mathrm{\omega }}^2$$

  

  wobei ω die Drehzahl der Kurbelwelle 320, m_p die Exzentermasse des Kurbelwellen-Gegengewichts 322 und r_p den Radialabstand 324 zu einem Mittelpunkt der Exzentermasse m_p des Kurbelwellen-Gegengewichts 322 im Verhältnis zu seiner Mittellinie 321 darstellt.
• Die erste Unwuchtgegenkraft N₁, die in Form des Vektors 336 auf die erste Ausgleichswelle 330 einwirkt, kann wie folgt bestimmt werden: $${\text{N}}_1={\text{m}}_{\text{b}1}*{\text{r}}_{\text{b1}}*{\mathrm{\omega }}^2$$

  

  wobei ω die Drehzahl der Kurbelwelle 320, m_b1 die Exzentermasse des ersten Ausgleichswellen-Gegengewichts 332 und r_b1 den Radialabstand 333 zu einem Massenmittelpunkt des ersten Ausgleichswellen-Gegengewichts 332 im Verhältnis zu seiner Mittellinie 331 darstellt.
• Die zweite Unwuchtgegenkraft N₂, die in Form des Vektors 346 auf die zweite Ausgleichswelle 340 einwirkt, kann wie folgt bestimmt werden: $${\text{N}}_2={\text{m}}_{\text{b2}}*{\text{r}}_{\text{b2}}*{\mathrm{\omega }}^2$$

  

  wobei ω die Drehzahl der Kurbelwelle 320, m_b2 die Exzentermasse des zweiten Ausgleichswellen-Gegengewichts 342 und r_b2 den Radialabstand 343 zu einem Massenmittelpunkt des zweiten Ausgleichswellen-Gegengewichts 342 im Verhältnis zur Mittellinie 341 darstellt.
• Zum Auswuchten in der Vertikalrichtung, d. h. längs der Z-Achse, muss die Summe der Kräfte in der Z-Richtung und der Y-Richtung ausgeglichen, d. h. gleich null sein. Der Ausdruck θ stellt einen Kurbelwellen-Drehwinkel dar. $$\begin{array}{l}{\displaystyle \sum {\text{F}}_{\text{z}}=0}\hfill \\ \text{Fcos}\mathrm{\theta +}{\text{N}}_{\text{p}}\text{ cos}\mathrm{\theta =}{\text{N}}_1\text{ cos}\mathrm{\theta }+{\text{N}}_2\text{ cos}\mathrm{\theta }\hfill \\ {\displaystyle \sum {\text{F}}_{\text{Y}}=0}\hfill \\ {\text{N}}_{\text{p}}\text{ sin}\mathrm{\theta +}{\text{N}}_{\text{2}}\text{ sin}\mathrm{\theta }+{\text{N}}_1\text{ sin}\mathrm{\theta }\hfill \end{array}$$

  
• Aus der Lösung der Kraftgleichung ergeben sich folgende Gleichungen: $$\begin{array}{l}{\text{N}}_2=\mathrm{0,5}\text{ F}\\ {\text{N}}_1={\text{N}}_2+{\text{N}}_{\text{p}}=\mathrm{0,5}\text{ F}+{\text{N}}_{\text{p}}\end{array}$$

  
• Zum Auswuchten des primären Wankmoments wird die Summe des Moments wie folgt ausgeglichen, d. h. auf null gesetzt. $$\begin{array}{l}\sum {\text{M}}_{\text{x}}=0\hfill \\ \text{Tcos}\left(\mathrm{\theta }+\mathrm{\beta }\right)+{\text{N}}_1\text{ sin }\mathrm{\theta \ast }{\mathrm{{\rm Z}}}_1={\text{N}}_1\text{ cos }\mathrm{\theta \ast }{\text{Y}}_1+{\text{N}}_2\text{ cos }\mathrm{\theta \ast }{\text{Y}}_2+{\text{N}}_2\text{ sin }\mathrm{\theta \ast }{\text{Z}}_2\hfill \end{array}$$

  

  wobei T das primäre Unwucht-Wankmoment, zurückzuführen auf die sich hin- und herbewegende Masse des Systems ist, d. h. das Moment T 328 und β sind phasenverschoben zwischen dem Moment T 328 und dem Drehwinkel θ. Unter Annahme eines geringen Wertes für β kann EQ. 7 wie folgt auf EQ. 8 reduziert werden. $$\text{Tcos }\mathrm{\theta }+{\text{N}}_1\text{ sin }\mathrm{\theta \ast }{\mathrm{{\rm Z}}}_1={\text{N}}_1\text{ cos }\mathrm{\theta }\ast {\text{Y}}_1+{\text{N}}_2\text{ cos }\mathrm{\theta \ast }{\text{Y}}_2+{\text{N}}_2\text{ sin }\mathrm{\theta \ast }{\text{Z}}_2$$

  
• EQ. 9 kann angewendet werden, um das Positionsverhältnis zwischen Y1 und Y2, den horizontalen Positionen der Ausgleichswellen, wie folgt zu bestimmen. $$\text{T}={\text{N}}_1\ast {\text{Y}}_1+{\text{N}}_2\ast {\text{Y}}_2$$

  

  wobei T das primäre Unwucht-Wankmoment, d. h. das Moment T 328 darstellt.
• EQ. 10 kann angewendet werden, um das Positionsverhältnis zwischen Z1 und Z2, den vertikalen Positionen der Ausgleichswellen, wie folgt zu bestimmen. $${\text{N}}_1\ast Z_1={\text{N}}_2\ast {\text{Z}}_2$$

  
• Eine Lösung für Y₁ ausgehend von Y₂ kann durch folgenden Austausch bestimmt werden: $$\begin{array}{l}{\text{N}}_2=\mathrm{0,5}\text{F}\hfill \\ {\text{N}}_{\text{1}}=\mathrm{0,5}\text{F}+{\text{N}}_{\text{p}}\hfill \end{array}$$

  

  wozu gehören $${\text{Y}}_1=\left(\text{T}-\mathrm{0,5}\text{F}\ast {\text{Y}}_2\right)/\left(\mathrm{0,5}{\text{F+N}}_{\text{p}}\right)$$

  

  und $$\text{Z1}=Z_2\left(\mathrm{0,5}\ast \text{F/}\left(\mathrm{0,5}\ast \text{F}+{\text{N}}_{\text{p}}\right)\right)$$

  
• Demzufolge gibt es drei Grade von Freiheit, einschließlich der Exzentermasse m_p des Kurbelwellen-Gegengewichts 322, und der Abmessungen Y₁ und Z₁ in Verbindung mit der Stellung der Rotationsmittellinie 331 der ersten Ausgleichswelle 330, die iterativ evaluiert werden kann, um die bevorzugte Bauform und Anordnung der Ausgleichswelle zu bestimmen, zur Kompensation von systembedingten Rotationsunwuchten und damit zur Minimierung des Wankmoments. Anordnungen und Massen in Form von Nullpunkt (Y₂ , Z₂ ) und der zweiten Exzentermasse m_b2 342, Nullpunkt (Y₁ , Z₁ ) und der ersten Exzentermasse m_b1 332 und Nullpunkt (0,0) und die Exzentermasse m_p des Kurbelwellen-Gegengewichts 322, die die Systemanforderungen erfüllen, können so bestimmt werden.
• 4 ist eine schematische Darstellung einer Endansicht ausgewählter Elemente einer Ausführungsform eines Einzelwellen-Verbrennungsmotors mit doppelter Expansion (Motor) 410 mit zweifacher Ausgleichswelle, entsprechend dem Motor 10, beschrieben in 1. Elemente des Motors 410 beinhalten eine Kurbelwelle 420 mit Kurbelzapfen 480 und Gegengewicht 482, eine erste Ausgleichswelle 430, eine zweite Ausgleichswelle 440, eine Steuerwelle 425, einen ersten und zweiten Arbeitskolben 442, 444, einen Expansionskolben 446, eine mehrgliedrige Pleuelstangenbaugruppe 484 und ein Schwungrad 412. Wie dargestellt liegt die erste Ausgleichswelle 430 neben der Steuerwelle 425, und die Anordnung der zweiten Ausgleichswelle 440 wird nach den hierin beschriebenen Gleichungen (ESQ) 1-13 bestimmt, mit der zusätzlichen Einschränkung, dass die zweite Ausgleichswelle 440 in der gleichen vertikalen Höhe angeordnet ist, d. h. die gleiche Z-Abmessung wie die erste Ausgleichswelle 430 aufweist.
• 5 ist eine schematische Darstellung einer Endansicht ausgewählter Elemente einer Ausführungsform eines Einzelwellen-Verbrennungsmotors mit doppelter Expansion (Motor) 510 mit zweifacher Ausgleichswelle, entsprechend dem Motor 10, beschrieben in 1. Elemente des Motors 510 beinhalten eine Kurbelwelle 520 mit Kurbelzapfen 580 und Gegengewicht 582, eine erste Ausgleichswelle 530, eine zweite Ausgleichswelle 540, eine Steuerwelle 525, einen ersten und zweiten Arbeitskolben 542, 544, einen Expansionskolben 546, eine mehrgliedrige Pleuelstangenbaugruppe 584 und ein Schwungrad 512. Wie dargestellt wird der Anordnung die erste Ausgleichswelle 530 und die Anordnung der zweiten Ausgleichswelle 540 wird nach den hierin beschriebenen Gleichungen 1-13, bestimmt, mit der zusätzlichen Einschränkung, dass die zweite Ausgleichswelle 540 und die erste Ausgleichswelle 530 in einer Hülle untergebracht sind, die von der äußeren Peripherie des Motors 510 definiert wird. Wie dargestellt gehen die erste und zweite Ausgleichswelle 530, 540 auseinander, d. h. sie weisen unterschiedliche Z-Achsen auf.
• 6 ist eine schematische Darstellung einer Endansicht ausgewählter Elemente einer Ausführungsform eines Einzelwellen-Verbrennungsmotors mit doppelter Expansion (Motor) 610 mit zweifacher Ausgleichswelle, entsprechend dem Motor 10, beschrieben in 1. Elemente des Motors 610 beinhalten eine Kurbelwelle 620 mit Kurbelzapfen 680 und Gegengewicht 682, einen Lateralabstand 621 von der Kurbelwellen-Mittellinie, eine erste Ausgleichswelle 630, eine zweite Ausgleichswelle 640, eine Steuerwelle 625, einen ersten und zweiten Arbeitskolben 642, 644, einen Expansionskolben 646, eine mehrgliedrige Pleuelstangenbaugruppe 684 und ein Schwungrad 612. In dieser Ausführungsform liegt die erste Ausgleichswelle 630 neben der Steuerwelle der zweiten Ausgleichswelle 640 und parallel zu dieser, und beide sind nach den hierin beschriebenen Gleichungen 1-13 angeordnet, mit der zusätzlichen Einschränkung, dass die zweite Ausgleichswelle 640 in der gleichen vertikalen Höhe angeordnet ist, d. h. die gleiche Z-Abmessung wie die erste Ausgleichswelle 630 aufweist. Die Anordnung der ersten Ausgleichswelle 630 neben und parallel mit der zweiten Ausgleichswelle 640 ermöglicht radiales Überlappen der jeweiligen Gegengewichte, wodurch ein kompaktes Design möglich wird.
• 7 ist eine schematische Darstellung einer Endansicht ausgewählter Elemente einer Ausführungsform eines Einzelwellen-Verbrennungsmotors mit doppelter Expansion (Motor) 710 mit zweifacher Ausgleichswelle, entsprechend dem Motor 10, beschrieben in 1. Elemente des Motors 710 beinhalten eine Kurbelwelle 720 mit Kurbelzapfen 780 und Gegengewicht 782, eine einzelne Ausgleichswelle 730, eine Steuerwelle 725, einen ersten und zweiten Arbeitskolben 742, 744, einen Expansionskolben 746 und ein Schwungrad 712. In dieser Ausführungsform ist die Ausgleichswelle 730 nach den hierin beschriebenen Gleichungen 14-20 angeordnet.
• 8 ist eine graphische Darstellung einer Anordnung ausgewählter drehbarer Elemente einer Ausführungsform eines Einzelwellen-Verbrennungsmotors mit doppelter Expansion 810, darunter eine einzelne Ausgleichswelle und ein damit verbundenes Kräftediagramms. Der Verbrennungsmotor 810 ist in einer YZ-Ebene dargestellt, wobei die Y-Achse 815 der Lateralachse 15 des Motors 10 entspricht, beschrieben in 1, die Z-Achse 819 der Vertikalachse 19 des Motors 10 entspricht, beschrieben in 1, und die X-Achse (nicht dargestellt) der Längsachse 17 des Motors 10 entspricht, beschrieben in 1. Die Elemente, wie dargestellt, beinhalten eine Kurbelwelle 820 und eine einfache Ausgleichswelle 830. Die Kurbelwelle 820 dreht in einer Richtung, die der Drehrichtung der Ausgleichswelle 830 entgegengesetzt ist, und der Drehwinkel der Kurbelwelle 820 ist phasengleich mit dem Drehwinkel der einfachen Ausgleichswelle 830.
• Die Kurbelwelle 820 hat eine Rotationsmittellinie 821, die neben der X-Achse liegt, und mit einer Kurbelwellen-Exzentermasse m_p 822 versehen, die einen Massenmittelpunkt bei einem Kurbelwellenradius r_cw 823 aufweist, distal zur Mittellinie 821. Die Rotationsmittellinie 821 definiert einen Nullpunkt (0,0) für die hierin beschriebenen Analysen.
• Die einzelne Ausgleichswelle 830 hat eine vom Nullpunkt (Y₁ , Z₁ ) definierte Rotationsmittellinie 831, wobei Y₁ 835 ein Lateralabstand längs der Y-Achse 815 und Z₁ 839 ein Vertikalabstand längs der Z-Achse 819 ist. Die einzelne Ausgleichswelle 830 ist mit einem Gegengewicht mit einer Exzentermasse von m_b1 ausgestattet, deren Massenmittelpunkt sich bei einem Einzelradius r_b1 833 distal zur Rotationsmittellinie 831 befindet, definiert von Nullpunkt (Y₁ , Z₁ ). Ein Vektor 836, definiert von einem Linienabschnitt zwischen dem Nullpunkt (Y₁ , Z₁ ) und dem einzelnen Gegengewicht 832 mit Exzentermasse m_b1, ist phasengleich, dreht aber in die entgegengesetzte Richtung.
• Die auf den Motor 810 einwirkende primäre Vertikalkraft kann mit einer Gegenunwuchtkraft N wie folgt ausgeglichen werden: $${\text{N}}_{\text{cw}}={\text{N}}_1=\text{F}/2$$

  

  wobei N_cw die Unwuchtkraft des auf die Kurbelwelle 820 einwirkenden Gegengewichts 822, N₁ die auf die einzelne Ausgleichswelle 830 einwirkende Unwuchtkraft des Gegengewichts 832 und F die Amplitude der Vertikallast der primären Unwucht F cos θ 829 darstellen.
• Primäres Auswuchten der Drehelemente beinhaltet das Bestimmen der verschiedenen Kräfte, die im Zusammenhang mit dem Gesamtsystem auf und durch die verschiedenen Drehelemente einwirken. Zu den Kräften gehören die primäre Vertikallast F cos θ 829, eine Folge der Hin- und Herbewegung der Systemmasse, unter der Annahme des Nullausgleichs der primären Laterallast; eine auf die Kurbelwelle 820 einwirkende Unwuchtkraft N_cw 826, eine einzelne Gegenunwuchtkraft N₁ in Form des auf die einzelne Ausgleichswelle 830 einwirkenden Vektors 836, und ein Moment T 828, das ein primäres, von der Hin- und Herbewegung der Systemmasse verursachtes Wankmoment darstellt.
• Die auf die Kurbelwelle 820 einwirkende Unwuchtkraft N_cw 826 kann wie folgt bestimmt werden: $${\text{N}}_{\text{cw}}={\text{m}}_{\text{p}}*{\text{r}}_{\text{p}}*{\mathrm{\omega }}^2$$

  

  wobei ω die Drehzahl der Kurbelwelle 820, m_p die Exzentermasse der Kurbelwelle 820 und r_p den Radialabstand 823 zum Mittelpunkt der Exzentermasse 822 der Kurbelwelle 820 im Verhältnis zu ihrer Mittellinie 821 darstellen.
  einzelne Gegenunwuchtkraft N₁ in Form des auf die einzelne Ausgleichswelle 830 einwirkenden Vektors 836 kann wie folgt bestimmt werden: $${\text{N}}_1={\text{m}}_{\text{b}1}*{\text{r}}_{\text{b}1}*{\mathrm{\omega }}^2$$

  

  wobei ω die Drehzahl der Kurbelwelle 820, m_b1 die Exzentermasse des einzelnen Ausgleichswellen-Gegengewichts 832 und r_b1 den Radialabstand 833 zu einem Massenmittelpunkt des einzelnen Ausgleichswellen-Gegengewichts 832 im Verhältnis zu dessen Mittellinie 831 darstellen.
• Die auf den Motor 810 einwirkenden Momente können wie folgt beschrieben werden: $$\begin{array}{l}\sum {\text{M}}_{\text{x}}=0\hfill \\ \text{Tcos}\left(\mathrm{\theta }+\mathrm{\beta }\right)={\text{N}}_1\text{* cos }\left(\mathrm{\theta }\right){\text{*Y}}_1+{\text{N}}_1\text{* sin }{\left(\mathrm{\theta }\right)}^{\mathrm{\ast }}{\text{Z}}_1\hfill \end{array}$$

  

  wobei M_x die verschiedenen auf den Motor 810 einwirkenden Momente, T das primäre Unwucht-Wankmoment aus der Hin- und Herbewegung der Systemmassen, d. h. das Moment T 828, darstellen, und β de Phasendifferenz zwischen T und dem Drehwinkel θ ist. Unter Annahme eines geringen Wertes für β kann EQ. 17 wie folgt auf EQ. 18 reduziert werden. $$\text{Tcos}\mathrm{\theta }={\text{N}}_1\text{* cos }\mathrm{\theta }{\text{*Y}}_1+{\text{N}}_1\text{* sin }{\mathrm{\theta }}^{\mathrm{\ast }}{\text{Z}}_1$$

  
• EQ. 19 wird zum Bestimmen der Position Y1, der horizontalen Position der Ausgleichswelle, wie folgt benutzt. $$\text{T}={\text{N}}_1*{\text{Y}}_1$$

  
• Und EQ. 20 wird zum Bestimmen der Position Z1, der vertikalen Position der Ausgleichswelle, wie folgt benutzt. $$0={\text{N}}_1*{\text{Z}}_1$$

  
• Damit hat Z₁ 839 eine Dimension für die einzelne Ausgleichswelle 830 gleich null, und Y₁ 835 hat eine Dimension für die einzelne Ausgleichswelle 830, die bestimmt werden kann, wie in Eq. 17 definiert.
• Das Motordesign kann eine Aufnahme für die einzelne Ausgleichswelle 830 enthalten, darunter die Ausweitung des Motorblocks in der Y1-Richtung. Eine derartige Aufnahme kann mit Motorblockdesigns verbunden werden, die Anbauteile zur Rahmenmontage oder Ankopplung eines Getriebes enthalten. Eine derartige Aufnahme kann mit Motorblockdesigns verbunden werden, die Montageteile für Turbolader oder Kompressoren enthalten.
• Die hierin beschriebene Konfiguration ermöglicht eine weitgehend von der Kurbelwellen-Mittellinie versetzte Anordnung von Expansionszylinder und Expansionskolben, ohne die mit der Seitenbelastung des Kolbens verbundenen betrieblichen Probleme. Dadurch kann der Hub des Expansionskolbens ausgehend von der Kurbelkröpfung gewählt werden, beschränkt jedoch nicht den Hub auf den gleichen Wert wie die Kurbelkröpfung. Derartige Konfigurationen ermöglichen ein kompakteres Design einer Ausführungsform des Einzelwellen-Verbrennungsmotors mit doppelter Expansion, einschließlich einer kürzeren Gesamtlänge des Motors, einer niedrigen Motorhöhe und besserer Motorleistungen aufgrund geringerer Gasübertragungsverluste durch kürzere Einlasskanäle für den Expansionszylinder. Der Einbau von einer einzelnen oder zwei Ausgleichswellen ermöglicht den Ausgleich von Rüttelkräften und Wankmomenten erster Ordnung bei Ausführungsformen des hierin beschriebenen Einzelwellen-Verbrennungsmotors mit doppelter Expansion, der versetzte Kolben und einen mehrgliedrigen Mechanismus enthält. Derartige Mechanisierungen ermöglichen den Ausgleich von Auswuchten von Rüttelkräften erster Ordnung und bieten zahlreiche Optionen zum Unterdrücken des Wankmoments. Dies ermöglicht Flexibilität für das Motorkonzept. Derartige Einrichtungen erleichtern die Kolbenhubreduktion und -deaktivierung und ermöglichen eine weitgehende Versetzung des Expansionskolbens von der Mittellinie der Kurbelwelle. Das erleichtert eine kompaktere Bauform des Einzelwellen-Verbrennungsmotors mit doppelter Expansion, der einen Expansionskolben und eine Abgaseinheit enthält, in Bezug auf eine kürzere Motorgesamtlänge, eine kürzere Einlasskanallänge und daraus resultierende geringere Gasübertragungsverluste, verbesserte Konstruktionsoptionen für Zylinderköpfe, Ventile und Nockenwellen in einer Kolbenverbundarchitektur, und reduzierte Kolben-Seitenbelastung, wodurch die Reibungsverluste gesenkt werden.

Claims (10)

1. Einzelwellen-Verbrennungsmotor (10) mit doppelter Expansion, umfassend: einen Motorblock (12), einen Zylinderkopf (60), eine Kurbelwelle (20) und eine mehrgliedrige Pleuelstangenbaugruppe (50); erste und zweite Arbeitszylinder (32, 34) und einen Expansionszylinder (36), die im Motorblock (12) geformt und durch den Zylinderkopf (60) abgeschlossen sind; erste und zweite Arbeitskolben (42, 44), die jeweils im ersten und zweiten Arbeitszylinder (32, 34) beweglich angeordnet sind; und einen Expansionskolben (46), der beweglich im Expansionszylinder (36) angeordnet ist; wobei die Kurbelwelle (20) ein drittes Gegengewicht (21) hat, das eine Unwucht in der Kurbelwelle (20) verursacht; dadurch gekennzeichnet , dass dass die beiden Arbeitskolben (42, 44) jeweils mit einem ersten und einen zweiten Kurbelzapfen (26, 27) der Kurbelwelle (20) verbunden sind; dass der Expansionskolben (46) über die mehrgliedrige Pleuelstangenbaugruppe (50) mit einem dritten Kurbelzapfen (28) der Kurbelwelle (20) verbunden ist; dass der Zylinderkopf (60) Auslassöffnungen (72, 76) für den ersten und den zweiten Arbeitszylinder (32, 34) aufweist, wobei die Auslassöffnung (72) des ersten Arbeitszylinders (32) über einen ersten Expansionszylinder-Einlasskanal (73) mit einer ersten Expansionszylinder-Einlassöffnung (79) in Fluidkopplung steht und die Auslassöffnung (76) des zweiten Arbeitszylinders (34) über einen zweiten Expansionszylinder-Einlasskanal (77) mit einer zweiten Expansionszylinder-Einlassöffnung (98) in Fluidkopplung steht; und dass eine erste Ausgleichswelle (110) in einer ersten Längsöffnung (115) im Motorblock (12) angeordnet ist und eine zweite Ausgleichswelle (120) in einer zweiten Längsöffnung (125) im Motorblock (12) angeordnet ist, wobei die erste und zweite Ausgleichswelle (110, 120) jeweils erste und zweite Gegengewichte (112,122) haben.
2. Motor nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Ausgleichswelle (110, 120) so angeordnet sind, dass sie mit der gleichen Drehzahl drehen wie die Kurbelwelle (20).
3. Motor nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Ausgleichswelle (110, 120) so angeordnet sind, dass sie in entgegengesetzte Richtungen drehen, wobei die erste Ausgleichswelle (110) in der gleichen Richtung dreht wie die Kurbelwelle (20), und die zweite Ausgleichswelle (120) in entgegengesetzter Richtung von der Kurbelwelle (20) dreht.
4. Motor nach Anspruch 1, wobei das dritte Gegengewicht (21), das die Unwucht in der Kurbelwelle (20) erzeugt, eine Exzentermasse hat, die eine mit einer intern ausgewuchteten Kurbelwelle (20) verbundene Größenordnung überschreitet.
5. Motor nach Anspruch 1, wobei das dritte Gegengewicht (21), das die Unwucht in der Kurbelwelle (20) erzeugt, eine Exzentermasse hat, die eine mit einer intern ausgewuchteten Kurbelwelle (20) verbundene Größenordnung unterschreitet.
6. Motor nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Ausgleichswelle (110, 120) im Motorblock (12) in einem ersten Quadranten angeordnet sind.
7. Motor nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Ausgleichswelle (110, 120) im Motorblock (12) in einem vierten Quadranten angeordnet sind.
8. Motor nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Steuerwelle (59), die mit der mehrgliedrigen Pleuelstangenbaugruppe (50) verbunden ist und eine axiale Mittellinie hat, die parallel zur Kurbelwelle (20) und mit dieser drehgekoppelt ist; wobei die erste und zweite Ausgleichswelle (110, 120) im Motorblock (12) so angeordnet sind, dass die erste Ausgleichswelle (110) neben der Steuerwelle (59) liegt.
9. Motor nach Anspruch 1, wobei sich eine Kröpfung des dritten Kurbelzapfens (28) um 180^O um eine Längsachse der Kurbelwelle (20) von einer Kröpfung des ersten und zweiten Kurbelzapfens (26, 27) dreht.
10. Motor nach Anspruch 1, wobei die mehrgliedrige Pleuelstangenbaugruppe (50) einen steifen Hauptarm (52) beinhaltet, der sich rechtwinklig zur Kurbelwelle (20) erstreckt, und einen ersten Drehzapfen (53) an einem ersten Ende des Hauptarms (52) hält, einen zweiten Drehzapfen (54) in einem Mittelteil des Hauptarms (52) hält, und einen dritten Drehzapfen (55) an einem zweiten Ende des Hauptarms (52) hält; wobei der erste Drehzapfen (53) über eine Pleuelstange (47) mit dem Expansionskolben (46) gekoppelt ist; und der zweite Drehzapfen (54) mit einem Kurbelzapfen (28) der Kurbelwelle (20) gekoppelt ist.

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