DE102019128935B4 - Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine Download PDF

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    • F02B41/08—Two-stroke compound engines

Abstract

Brennkraftmaschine zum Betrieb in der Viertakt-Betriebsart, umfassend einen ersten Zylinder (1), der einen ersten Brennraum definiert, und einen zweiten Zylinder (11), der einen Überströmraum definiert, welche Zylinder (1, 11) über eine Überströmöffnung (4) fluidisch miteinander verbunden sind, einen ersten Kolben (2), welcher entlang einer Bewegungslängsachse im ersten Zylinder (1) beweglich ist und einen zweiten Kolben (12), welcher entlang einer Bewegungslängsachse im zweiten Zylinder (11) beweglich ist, wobei die Kolben vermittels einer Kurbelwelle (6) mechanisch miteinander verbunden sind, ein dem ersten Zylinder (1) zugeordnetes erstes Ventil (13), ein dem zweiten Zylinder (11) zugeordnetes zweites Ventil (7) und ein der Überströmöffnung (4) zugeordnetes drittes Ventil (3), wobei jedes der Ventile (3, 7, 13, 18, 93) zwischen einer einen Fluidpfad freigebenden Öffnungs- und einer diesen Fluidpfad verschließenden Schließstellung verstellbar ist, gekennzeichnet durch eine Nockenwelle (23), welche mit zumindest einem der Ventile (3, 7, 13, 18, 93) zusammenwirkend ausgebildet ist, und zumindest ein Hubmittel (27, 28), welches mit der Nockenwelle (23) zusammenwirkend ausgebildet ist, derart, dass es zur Kompressionsänderung den Abstand der Nockenwelle (23) zu zumindest einem Zylinder (1, 11, 81) verändernd ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1und ein Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 9.
  • Brennkraftmaschinen haben im Laufe der Jahre einen hohen technischen Stand erreicht und viele Anwendungszwecke gefunden, da sie viele Vorzüge bieten. Jedoch haben sie noch immer augenscheinlich weiteres Entwicklungspotential. Der Wirkungsgrad, besonders bei Teillastbedingungen und damit der Kohlenstoffdioxid-Ausstoß, ist noch verbesserungsfähig, die Menge der Abgasemissionen, des Rußausstoßes und die Anzahl der Bauteile und damit die Produktionskosten können noch verringert werden. Diese Probleme beeinflussen sich gegenseitig, Änderungen des Wirkungsgrads bedingen auch Änderungen der Emissionen und umgekehrt. Hierzu muss unterschieden werden zwischen Dieselmotoren und Ottomotoren. Bei Dieselmotoren ist der Wirkungsgrad höher als bei Ottomotoren. Allerdings sind die Stickoxid- und die Rußemissionen größer als bei Ottomotoren.
  • Zur Abhilfe werden Harnstoffeinspritzanlagen mit besonderen Harnstofftanks und Rußfilter eingesetzt die aufgrund ihres hohen Herstellungsaufwands zu höheren Produktions- und Betriebskosten führen. Harnstoffeinspritzung wird im Nutzfahrzeugbereich schon lange eingesetzt. Es wird daher von vielen Herstellern angestrebt mit innermotorischen Änderungen die Emissionen und den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren.
  • Ein Weg dazu ist die Ventilverstellung, um die Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile gegenüber der Kurbelwelle zu ändern. Ein weiterer Weg zur Lösung der oben genannten Probleme ist die Änderung der Kompression im laufenden Betrieb. Die Kompression beeinflusst sowohl den Wirkungsgrad als auch die Schadstoffemissionen. Für den Kaltstart ist eine relativ hohe Verdichtung notwendig, die in der betriebswarmen Brennkraftmaschine nicht mehr benötigt wird. Auch bei Teillast und im Leerlauf kann die Verdichtung reduziert werden. Die Verdichtungsänderung durch Einschieben eines Zusatzkolbens in das Verdichtungsvolumen ist schon lange bekannt und wurde auch schon oft eingesetzt. Ein großer Teil der derzeit produzierten Brennkraftmaschinen ist mit Abgasturboladern, mechanischen Kompressoren oder Ladegebläsen ausgerüstet. Diese dienen der Aufladung und Leistungserhöhung bei relativ kleinem Hubraum. Kolbenschieberventile sind sehr verbreitet in der Fluidtechnik und Dampfmaschinen, in Verbrennungsmotoren werden jedoch meistens Tellerhubventile verwendet.
  • Brennkraftmaschinen mit mindestens zwei Zylindern, meistens drei Zylindern oder noch mehr Zylindern sind schon lange Zeit bekannt. Gemeinsam ist diesen Brennkraftmaschinen, dass sie viele aufwendig zu fertigende Ventile, Verbindungskanäle oder Kolben aufweisen, die hohe Entwicklungs- und Herstellungskosten verursachen.
  • US 8 813 695 B2 betrifft zum Beispiel ein sogenanntes Split Cycle Konzept zur Weiterentwicklung des Viertakt-Verbrennungsmotors. Dabei werden die Takte räumlich auf zwei Zylinder (Zylinderpaar) aufgeteilt, anstelle einer zeitlichen Trennung der Takte in einem Zylinder. Im ersten Zylinder finden dabei Einlass und Kompression bzw. Ansaug- und Verdichtungstakt und im anderen Zylinder Verbrennung und Auslass statt. Durch einen Überleitungskanal wird die im Kompressionszylinder verdichtete Luft in den Verbrennungszylinder geleitet.
  • US 2005/ 0 178 349 A1 offenbart ebenfalls einen Viertakt-Verbrennungsmotor mit Überströmkanälen, wobei jeder Zylinder seinen eigenen Viertaktzyklus aus Kraftstoffeinlass (Ansaugtakt), Kompression (Verdichtungstakt), Verbrennung (Arbeitstakt) und Ausstoß der Brenngase (Auslasstakt) hat. Dabei wirken zwei Zylinder parallel zueinander, wobei die Zylinder jeweils im Viertaktbetrieb auch parallel mit zwei verschiedenen Brennstoffen gleichzeitig betrieben werden können. Eine weitere Ausführungsform sieht drei parallel wirkende Zylinder im Viertakt-Prinzip vor, um drei verschiedene Brennstoffe gleichzeitig verbrennen zu können. Ferner werden noch weitere komplexere Kolben und Zylinder beschrieben.
  • WO 2010/ 145 628 A1 beschreibt einen hybriden Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor. Die Brennkraftmaschine weist 3 Zylinder mit Überströmkanälen auf, die als Zwei- oder Viertaktmotoren betrieben werden können. Dabei wird die Brennkraftmaschine konstant im effizientesten Motorbetriebspunkt betrieben. Da die Brennkraftmaschine keinen mechanischen Durchtrieb auf die Antriebsachse aufweist, kann man die Brennkraftmaschine drehzahlunabhängig und stationär im Bestpunkt betreiben um den Kraftstoffverbrauch so niedrig wie möglich zu halten.
  • US 2010/ 0 147 236 A1 offenbart einen Verbrennungsmotor mit einem sogenannten zapfengelagerten Doppelzündungszylinder, der je nach Bedarf für den Einsatz von 4-6-8 Zylindern hintereinander angeordnet ist. Die Zylinder stehen dabei senkrecht zur Kurbelwelle und sind unten geschlossen, so dass mit Doppelzündungskolben vier Hübe pro Umdrehung möglich sind.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfachere Brennkraftmaschine anzugeben, die im Wesentlichen verbreitete und wenig kostenintensive Bauverfahren erlaubt. Weiterhin soll die Brennkraftmaschine eine einfache Änderung der Kompressionsparameter zulassen und einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweisen. Emissionen schädlicher Verbrennungsprodukte, wie z.B. Stickoxide und Ruß, sollen ebenfalls reduziert werden.
  • Diese Aufgabe ist gelöst durch eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 9.
  • Hauptmerkmale der Erfindung sind jeweils in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 9 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 8.
  • Unter „Kraftstoff-Luft-Gemisch“ soll ein brennbares Gas vor der Verbrennung aufgefasst werden. Unter „Brenngas“ soll ein Gas nach der Verbrennung verstanden werden.
  • Es wird daher eine Brennkraftmaschine zum Betrieb in der Viertakt-Betriebsart vorgeschlagen, umfassend einen ersten Zylinder, der einen ersten Brennraum definiert, und einen zweiten Zylinder, der einen Überströmraum definiert, welche Zylinder (1, 11) über eine Überströmöffnung fluidisch miteinander verbunden sind, einen ersten Kolben, welcher entlang einer Bewegungslängsachse im ersten Zylinder beweglich ist und einen zweiten Kolben, welcher entlang einer Bewegungslängsachse im zweiten Zylinder beweglich ist, wobei die Kolben vermittels einer Kurbelwelle mechanisch miteinander verbunden sind, ein dem ersten Zylinder zugeordnetes erstes Ventil, ein dem zweiten Zylinder zugeordnetes zweites Ventil und ein der Überströmöffnung zugeordnetes drittes Ventil, wobei jedes der Ventile zwischen einer einen Fluidpfad freigebenden Öffnungs- und einer diesen Fluidpfad verschließenden Schließstellung verstellbar ist, wobei erfindungsgemäß eine Nockenwelle (23) vorgesehen ist, welche mit zumindest einem der Ventile (3, 7, 13, 18, 93) zusammenwirkend ausgebildet ist, und wobei zumindest ein Hubmittel vorgesehen ist, welches mit der Nockenwelle (23) zusammenwirkend ausgebildet ist, derart, dass es zur Kompressionsänderung den Abstand der Nockenwelle (23) zu zumindest einem Zylinder (1, 11, 81) verändernd ausgebildet ist.
  • Mittels der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und vermittels der Überströmöffnung werden durch die Expansion der Brenngase vom ersten Zylinder in den zweiten Zylinder diese Gase kälter. Auch durch Abkühlung der Brenngase an den Wänden des zweiten Zylinders sinkt die Temperatur. Durch die Expansion wird der Energieinhalt der Brenngase und ihr Druck auf zwei Zylinder verteilt, so dass die Belastungen der Kolben, der Kurbelwelle, des Zylinderkopfes und des Zylinderblocks sinken. Damit müssen diese nicht so stabil gebaut werden wie bei sonstigen Brennkraftmaschinen. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist daher einen hohen Wirkungsgrad auf und emittiert weniger schädliche Verbrennungsprodukte.
  • Das erste Ventil kann einen Außenraum der Zylinder mit einem oder mehreren Zylindern verbinden und eine Fluidzufuhr und/oder Frischluftzufuhr zu gewährleisten. Die Kolben sind Hubkolben mit unterem und oberem Totpunkt in bekannter Weise.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Brennkraftmaschine nach der Erfindung ist das erste Ventil als Einlassventil und das zweite Ventil als Auslassventil ausgebildet. Dadurch kann eine kompakte Bauweise der Brennkraftmaschine erzeugt werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Brennkraftmaschine nach der Erfindung ist sie ausgebildet zum Verbrennen von brennbaren Flüssigkeiten, wie Dieselkraftstoff, Marinedieselöl, Biodiesel, Ottokraftstoff, sowie von brennbaren Gasen, wie Wasserstoff, Autogas, Erdgas und/oder Holzgas. In vorteilhafter Weise lässt sich das erfindungsgemäße Konzept zumindest für diese Brennstoffe einsetzen.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Brennkraftmaschine nach der Erfindung weist die Kurbelwelle eine Kröpfung, vorzugsweise von 60° bis 30°, weiter vorzugsweise von 45°, und eine Voreilung des zweiten Kolbens vor dem ersten Kolben auf. Dies bewirkt wegen des dann vorhandenen größeren wirksamen Hebelarms ein größeres Drehmoment im Zylinder.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Brennkraftmaschine nach der Erfindung ist das zweite Ventil derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass es den zweiten Zylinder unmittelbar und den ersten Zylinder mittelbar über das dritte Ventil mit einem Verknüpfungskanal fluidisch verbindet. Dadurch kann das zweite Ventil eine Doppelfunktion erfüllen.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Brennkraftmaschine nach der Erfindung umfasst diese einen dritten Zylinder, der einen zweiten Brennraum definiert, einen dritten Kolben, welcher entlang einer Bewegungslängsachse im dritten Zylinder beweglich ist, wobei die Kolben vermittels der Kurbelwelle mechanisch miteinander verbunden sind, einen Verknüpfungskanal über welchen der zweite Zylinder fluidisch mit dem dritten Zylinder verbunden ist, ein dem dritten Zylinder zugeordnetes viertes Ventil und ein dem Verknüpfungskanal zugeordnetes fünftes Ventil, wobei jedes der Ventile zwischen einer Öffnungs- und einer Schließstellung verstellbar ist. Dadurch kann der zweite Zylinder als Überströmzylinder für die beiden anderen als Arbeitszylinder ausbildbaren Zylinder fungieren.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Brennkraftmaschine nach der Erfindung ist sie derart ausgebildet, dass nach Einspritzen von Brennstoff in den ersten Zylinder und vor oder mit Zündung dieses Brennstoffs, das dritte Ventil in seine Öffnungsstellung verstellbar ist und/oder, dass nach Einspritzen von Brennstoff in den dritten Zylinder und vor oder mit Zündung dieses Brennstoffs, das fünfte Ventil in seine Öffnungsstellung verstellbar ist.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Brennkraftmaschine nach der Erfindung ist eines oder mehrere der Ventile gewählt aus der Gruppe umfassend: Tellerhubventil und Kolbenschieberventil.
  • Erfindungsgemäß umfasst die Brennkraftmaschine eine Nockenwelle, welche mit zumindest einem der Ventile zusammenwirkend ausgebildet ist, und zumindest ein Hubmittel, welches mit der Nockenwelle zusammenwirkend ausgebildet ist, derart, dass es zur Kompressionsänderung den Abstand der Nockenwelle zu zumindest einem Zylinder verändernd ausgebildet ist.
  • Vorgeschlagen wird zudem eine Brennkraftmaschine zum Betrieb in der Zweitakt-Betriebsart, die nicht Gegenstand der Erfindung ist, umfassend einen ersten Zylinder, der einen ersten Brennraum definiert, und einen zweiten Zylinder, der Überströmraum definiert, welche über eine Überströmöffnung fluidisch miteinander verbunden sind, einen ersten Kolben, welcher entlang einer Bewegungslängsachse im ersten Zylinder beweglich ist und einen zweiten Kolben, welcher entlang einer Bewegungslängsachse im zweiten Zylinder beweglich ist, wobei die Kolben vermittels einer Kurbelwelle mechanisch miteinander verbunden sind, einen Kurbelkasten, in welchem die Kurbelwelle angeordnet ist, ein dem zweiten Zylinder zugeordnetes zweites Ventil und ein der Überströmöffnung zugeordnetes drittes Ventil, wobei jedes der Ventile zwischen einer einen Fluidpfad freigebenden Öffnungs- und einer diesen Fluidpfad verschließenden Schließstellung verstellbar ist.
  • Die bezüglich der Brennkraftmaschine oben beschriebenen Vorteile ergeben sich in gleicher Weise für die hier definierte Brennkraftmaschine, worauf hiermit verwiesen wird.
  • Vorgeschlagen wird zudem ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, in der Viertakt-Betriebsart, wobei die Brennkraftmaschine zumindest umfasst: einen ersten Zylinder, der einen ersten Brennraum definiert, und einen zweiten Zylinder, der Überströmraum definiert, welche über eine Überströmöffnung fluidisch miteinander verbunden sind, einen ersten Kolben, welcher entlang einer Bewegungslängsachse im ersten Zylinder beweglich ist und einen zweiten Kolben, welcher entlang einer Bewegungslängsachse im zweiten Zylinder beweglich ist, wobei die Kolben vermittels einer Kurbelwelle mechanisch miteinander verbunden sind, ein dem ersten Zylinder zugeordnetes erstes Ventil, ein dem zweiten Zylinder zugeordnetes zweites Ventil und ein der Überströmöffnung zugeordnetes drittes Ventil, wobei jedes der Ventile zwischen einer einen Fluidpfad freigebenden Öffnungs- und einer diesen Fluidpfad verschließenden Schließstellung verstellbar ist, umfassend die folgenden Schritte:
    • • Takt 1:
      • ◯ Verstellen des ersten Ventils in seine Öffnungsstellung,
      • ◯ Verstellen des dritten Ventils in seine Öffnungsstellung,
      • ◯ Verstellen des ersten Kolbens in seine Abwärtsrichtung,
      • ◯ Verstellen des zweiten Kolbens in seine Abwärtsrichtung,
      • ◯ dadurch Einsaugen von einem Fluid, vorzugsweise Luft, in den ersten Zylinder,
    • • Takt 2:
      • ◯ Verstellen des ersten Ventils in seine Schließstellung,
      • ◯ Verstellen des ersten Kolbens in seine Aufwärtsrichtung,
      • ◯ Verstellen des zweiten Kolbens in seine Aufwärtsrichtung,
      • ◯ Verstellen des dritten Ventils in seine Schließstellung kurz bevor der zweite Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat,
      • ◯ Einspritzen von Kraftstoff in den ersten Zylinder bevor der erste Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat,
      • o Zündung des Fluid-Kraftstoffgemischs im ersten Zylinder,
    • • Takt 3:
      • ◯ dadurch Verstellen des ersten Kolbens in seine Abwärtsrichtung,
      • ◯ dadurch Verstellen des zweiten Kolbens in seine Abwärtsrichtung,
      • ◯ Verstellen des dritten Ventils in seine Öffnungsstellung,
      • ◯ dadurch Überströmen von zumindest einem Teil des Inhalts des ersten Zylinders über die Überströmöffnung in den zweiten Zylinder,
    • • Takt 4:
      • ◯ Verstellen des zweiten Ventils in seine Öffnungsstellung,
      • ◯ Verstellen des ersten Kolbens in seine Aufwärtsrichtung,
      • ◯ Verstellen des zweiten Kolbens in seine Aufwärtsrichtung,
      • ◯ dadurch Ausschieben des verbrannten Gemischs,
      • ◯ Verstellen des zweiten Ventils in seine Schließstellung sobald der zweite Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat, und
      • ◯ Verstellen des ersten Ventils in seine Öffnungsstellung sobald der erste Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat.
  • Die bezüglich der Brennkraftmaschine oben beschriebenen Vorteile ergeben sich in gleicher Weise für das hier definierte Verfahren, worauf hiermit verwiesen wird. Als „kurz bevor“ wir ein Zeitpunkt oder ein Kurbelwellenwinkel angesehen, welche eine funktionsgemäße Nutzung der Brennkraftmaschine gemäß dem bekannten Viertaktprinzip ermöglicht.
  • Vorgeschlagen wird des Weiteren ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine in der Zweitakt-Betriebsart, das nicht Gegenstand der Erfindung ist, wobei die Brennkraftmaschine zumindest umfasst: einen ersten Zylinder, der einen ersten Brennraum definiert, und einen zweiten Zylinder, der Überströmraum definiert, welche über eine Überströmöffnung fluidisch miteinander verbunden sind, einen ersten Kolben, welcher entlang einer Bewegungslängsachse im ersten Zylinder beweglich ist und einen zweiten Kolben, welcher entlang einer Bewegungslängsachse im zweiten Zylinder beweglich ist, wobei die Kolben vermittels einer Kurbelwelle mechanisch miteinander verbunden sind, einen Kurbelkasten, in welchem die Kurbelwelle angeordnet ist, ein dem zweiten Zylinder zugeordnetes zweites Ventil und ein der Überströmöffnung zugeordnetes drittes Ventil, wobei jedes der Ventile zwischen einer einen Fluidpfad freigebenden Öffnungs- und einer diesen Fluidpfad verschließenden Schließstellung verstellbar ist, umfassend die folgenden Schritte:
    • • Takt 1:
      • ◯ Einsaugen von einem Fluid-Kraftstoffgemisch in den ersten Zylinder,
      • ◯ Verstellen des ersten Kolbens in seine Aufwärtsrichtung, dadurch Verdichten des Fluid-Kraftstoffgemischs in dem ersten Zylinder,
      • ◯ Verstellen des zweiten Kolbens in seine Aufwärtsrichtung, dadurch Ausstoßen von Abgas aus dem zweiten Zylinder über das zweite Ventil,
      • ◯ Verstellen des dritten Ventils in seine Schließstellung sobald der zweite Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat,
      • ◯ Einsaugen von einem Fluid-Kraftstoffgemisch in den Kurbelkasten oder einen Zylinderblock,
      • ◯ Zündung des Fluid-Kraftstoffgemischs im ersten Zylinder bevor der erste Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht,
      • ◯ Verstellen des dritten Ventils in seine Öffnungsstellung,
      • ◯ dadurch Überströmen von Inhalt des ersten Zylinders über die Überströmöffnung in den zweiten Zylinder,
    • • Takt 2:
      • ◯ Verstellen des ersten Kolbens in seine Abwärtsrichtung,
      • ◯ Verstellen des zweiten Kolbens in seine Abwärtsrichtung,
      • ◯ dadurch Verdichten des Fluid-Kraftstoffgemischs in dem Kurbelkasten oder in dem Zylinderblock,
      • ◯ Leiten des verdichteten Fluid-Kraftstoffgemischs aus dem Kurbelkasten oder aus dem Zylinderblock in den ersten Zylinder bevor der erste Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht hat,
      • ◯ dadurch Überströmen des verbrannten Gemischs aus dem ersten Zylinder über die Überströmöffnung durch den zweiten Zylinder in einen Auspuff, und
      • ◯ Verstellen des dritten Ventils in seine Schließstellung.
  • Die bezüglich der Brennkraftmaschine oben beschriebenen Vorteile ergeben sich in gleicher Weise für das hier definierte Verfahren, worauf hiermit verwiesen wird.
  • Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
    • 1.A1 eine Längsschnittansicht durch eine Brennkraftmaschine erster Ausführungsform zum Betrieb in der Viertakt-Betriebsart während eines ersten Taktes,
    • 1.A2 eine Schnittansicht durch einen Kurbelkasten gemäß 1.A1,
    • 1.B1 eine Längsschnittansicht durch die Brennkraftmaschine nach 1.A1 während eines zweiten Taktes,
    • 1.B2 eine Schnittansicht durch einen Kurbelkasten gemäß 1.B1,
    • 1.C1 eine Längsschnittansicht durch die Brennkraftmaschine nach 1.A1 während eines zweiten Taktes,
    • 1.C2 eine Schnittansicht durch einen Kurbelkasten gemäß 1.C1,
    • 1.D1 eine Längsschnittansicht durch die Brennkraftmaschine nach 1.A1 während eines dritten Taktes,
    • 1.D2 eine Schnittansicht durch einen Kurbelkasten gemäß 1.D1,
    • 1.E1 eine Längsschnittansicht durch die Brennkraftmaschine nach 1.A1 während eines vierten Taktes,
    • 1.E2 eine Schnittansicht durch einen Kurbelkasten gemäß 1.E1,
    • 2 eine Längsschnittansicht durch eine Brennkraftmaschine zweiter Ausführungsform zum Betrieb in der Viertakt-Betriebsart,
    • 3 eine Längsschnittansicht durch die Brennkraftmaschine nach 2,
    • 4.A eine Ansicht eines Kolbenschieberventils,
    • 4.B eine Schnittansicht des Kolbenschieberventils nach 4.A,
    • 4.C eine Ansicht eines Kolbenschieberventils,
    • 4.D eine Schnittansicht des Kolbenschieberventils nach 4.C,
    • 4.E eine Ansicht eines Kolbenschieberventils,
    • 4.F eine Schnittansicht des Kolbenschieberventils nach 4.E,
    • 5.A eine Schnittansicht durch einen Kurbelkasten gemäß 1.A1,
    • 5.B eine weitere Schnittansicht durch einen Kurbelkasten gemäß 1.A1,
    • 5.C ein Kolbenschieberventil gemäß 5.B,
    • 5.D eine Nockenkurvenscheibe gemäß 5.B,
    • 6.A eine Schnittansicht eines Zylinderkopfes,
    • 6.B eine weitere Schnittansicht eines Zylinderkopfes,
    • 7.A eine Längsschnittansicht durch eine Brennkraftmaschine dritter Ausführungsform, die nicht Gegenstand der Erfindung ist, zum Betrieb in der Zweitakt-Betriebsart,
    • 7.B eine Längsschnittansicht durch die Brennkraftmaschine nach 7.A,
    • 8.A eine Längsschnittansicht durch eine Brennkraftmaschine vierter Ausführungsform, die nicht Gegenstand der Erfindung ist, zum Betrieb in der Zweitakt-Betriebsart, und
    • 8.B eine Längsschnittansicht durch die Brennkraftmaschine nach 8.A.
  • Im Folgenden wird anhand der 1.A1 bis 1.E2eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine beschrieben. Ein weiteres Beispiel wird in 2 dargestellt und danach erläutert.
  • 1.A1 zeigt oben eine Übersichtszeichnung der Brennkraftmaschine mit einer seitlichen Ansicht. Die Brennkraftmaschine umfasst ein Kurbelgehäuse 9 und mindestens zwei Zylinder 1, 11 die dicht nebeneinander angebracht sind und in denen sich die Kolben 2, 12 bewegen, die über Pleuel 5, 15 auf die gemeinsame Kurbelwelle 6 Druck ausüben und damit ein Drehmoment an der Kurbelwelle 6 hervorrufen. Ein erster Zylinder 1 wirkt wie bei einer bekannten Brennkraftmaschine als Arbeitszylinder einer Viertakt-Otto- oder Viertakt-Diesel-Brennkraftmaschine. Ein zweiter Zylinder 11 ist mit dem ersten Zylinder 1 durch einen Überströmkanal 4 verbunden. Auf dem Kurbelgehäuse 9 ist ein Zylinderkopf 8 befestigt, der die Nockenwelle 23, deren Antriebs- und Hebevorrichtung mit Seitenteilen 51 und 52 und die Steuerventile 13, 3 und 7 trägt. Die Antriebs- und Hebevorrichtung mit Seitenteilen 51 und 52 sind jeweils mit plattenumfassenden Verstellschlitten 27 und 28 am Zylinderkopfmittelteil angebracht. Die Ventile werden von Nocken 24, 25 und 26 über Tassenstößel 47 und Rollen 48 mit Halterungen 49 nach unten gedrückt und von Ventilfedern 46 wieder nach oben gedrückt. Die Nockenwelle 23 wird von einer Steuerkette 30 über das an der Nockenwelle 23 befestigte Zahnrad 31 vom an der Kurbelwelle 6 befestigten Zahnrad 32 mit der halben Kurbelwellenumdrehungszahl angetrieben. Ein Hydraulikzylinder 29 als Hubmittel an einem Befestigungswinkel auf einer Befestigungsplatte des Verstellschlittens 28 dreht über einen Umlenkhebel 21 eine Welle 22, die an beiden Enden jeweils ein Zahnrad 71 und 72 trägt. Diese Zahnräder 71 und 72 greifen in jeweils eine Zahnstange 67 und 68 mit denen die Nockenwelle 23 hoch und herunter geschoben werden kann, wodurch ein Kolbenschieberventil 13, das weiter hinten noch genauer beschrieben wird, den Einlass 17 zum Zylinder 1 öffnet und schließt. Ein weiteres Kolbenschieberventil 3 öffnet und schließt den Überströmkanal 4 vom Zylinder 1 zum Zylinder 11. Ein Kolbenschieberventil 7 wirkt als Auslassventil und öffnet und schließt den Verknüpfungskanal 14, an dem optional ein Turbolader 35 bei Bedarf an den Zylinderkopf 8 angebaut wird. An der Turboladerauslassseite kann auch optional ein Zentrifugalseparator 36 als Rußabscheider angebaut werden. Die Kolbenschieberventile 13 und 7 können optional auch durch schon bekannte Tellerhubventile ersetzt werden. Die Nockenwelle 23 betätigt die Ventile 13, 3 und 7 über die Nocken 24, 25 und 26.
  • Die 1.A1 bis 1.E2 stellen einen üblichen Durchlauf durch die verschiedenen Takte dar in der Reihenfolge Ansaugen, Verdichten, Zünden/Überströmen, Arbeit leisten, Ausschieben. Beim Ansaugen werden gemäß 1.A1 zunächst das Einlassventil 13 zum Zylinder 1 mit dem Kolben 2 und dem Pleuel 5 und das Überströmventil 3 zum Überströmkanal 4, der zum Zylinder 11 mit dem Kolben 12 führt, welcher vom Kolbenbolzen 16 am Pleuel 15 gehalten wird, geöffnet. Die Kolben 2 und 12 bewegen sich dabei nach unten, dadurch werden beide Zylinder 1 und 11 entweder mit Frischluft bei der Verwendung von Einspritzanlagen oder mit Kraftstoff-Luft-Gemisch bei der Verwendung von Vergasern gefüllt. Der Kolben 12 eilt dabei um ca. 45° im Kröpfungs-Winkel der Kurbelwelle 6 dem Kolben 2 vor. Dieser Winkel muss jedoch nicht zwingend 45° betragen, er ist hier als Beispiel gezeigt, auch andere Winkel einschließlich des Winkels 0°, also ohne Voreilung sind möglich. In den 1.A2 bis 1.E2 ist dies jeweils in dem unteren Bildbereich in einem Schnitt durch das Kurbelgehäuse 9 und den Kolben 12 sowie den Pleuel 15 und die Kurbelwelle 6 dargestellt, wobei zur Illustration und Orientierung noch die Position des Pleuels 5 und der Kurbelwelle 6 (gestrichelt) eingezeichnet sind.
  • Die an der Kurbelwelle 6 im Normalfall notwendigen Ausgleichsgewichte sind hier ausgeblendet. Beim Erreichen des unteren Totpunkts des Kolbens 2 wird das Einlassventil 13 geschlossen, anschließend wird in beiden Zylindern 1 und 11 verdichtet, dies ist in 1.B in Seitenansicht gezeigt und für den Schnitt durch den Kolben 12 darunter. Dabei bewegen sich beide Kolben 2 und 12 nach oben bis der Kolben 12 den oberen Totpunkt erreicht hat. Dabei hat der Kolben 2 noch ein wesentliches Verdichtungsvolumen über sich und die Zündposition noch nicht erreicht. Durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens 12 und dessen Verdichtung der Luft bzw. Kraftstoffluft-Gemisch vom Zylinder 11 in den Zylinder 1 hinein wurde in diesem Volumen im Zylinder 1 aber wesentlich mehr Luft bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch komprimiert als nur durch die Verdichtung des Kolbens 2. Dieses Volumen wird nun durch Herunterdrücken des Ventils 3 mit Hilfe der Nockenwelle 23 abgeschlossen und durch weiteres Hochschieben des Kolbens 2 weiter verdichtet.
  • Die Ventil-, Kolben- und Pleuelstellung dazu ist in 1.C oben (1.C1) in der Seitenansicht und unten (1.C2) im Schnitt durch das Kurbelgehäuse 9 gezeigt. Bei einem Dieselmotor wird nun, wenn der Kolben 2 in der Nähe, je nach Betriebsbedingungen, des oberen Totpunkts angekommen ist, die erste Einspritzung des Kraftstoffs ausgelöst, so dass eine Zündung erfolgt. Bei einem Otto-Motor wird entweder der Kraftstoff eingespritzt und durch die Zündkerze gezündet öder bei einem Vergaser das schon bestehende Kraftstoff-Luft-Gemisch durch die Zündkerze gezündet. Der zeitliche Abstand bzw. der Kurbelwellen-Winkelabstand zum oberen Totpunkt der einzelnen Einspritz- bzw. Zündzeitpunkte wird dabei durch die Motorelektronik oder die Nockenform der Nockenwelle 23 geregelt. Die Brennstoffeingabe und die Zündung erfolgen aber jeweils nur im Zylinder 1.
  • Kurz nach der Zündung im ersten Zylinder 1 wird das Ventil 3 zu dem bereits genannten Verbindungskanal 4 zu dem zweiten Zylinder 11 geöffnet dessen Kolben 12 in gleicher Weise wie der erste Kolben 2 parallel oder im Winkel voreilend zu diesem bewegen kann. Dieser Takt ist in 1.D dargestellt, wobei die Pfeile in den Kolben wie schon in den anderen Zeichnungen die Bewegungsrichtung der Kolben angeben. Dieser Takt ist bei dieser Bauart der Brennkraftmaschine der einzige Arbeitstakt. Das Ventil 3 ist ein schon in anderer Form bekanntes Kolbenschieberventil, das später noch genauer beschrieben wird oder ein ebenfalls bereits bekanntes Tellerhubventil, wobei zumindest dessen vorderer Teil aus hochwarmfesten Material bestehen sollte. Die Arbeitskolben 2 und 12 sind durch Kolbenringe im Zylinderkopf 8 abgedichtet. Damit die Kolbenringe der Kolbenschieberventile besser geführt werden können, sind in den Seiten der Überströmöffnungen Führungsstege 94 vorgesehen. Die Dichtungen durch Kolbenringe lösen auch das Problem der Dichtung und Dichtheit gegen Byflow, das die meisten Schieberkonstruktionen hatten. Durch die Öffnung des Ventils 3 strömt das brennende Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Verbindungskanal 4 zwischen den beiden benachbarten Zylindern 1 und 11 und anschließend in den Nachbarzylinder 11 selbst. Durch die Volumenerhöhung kühlt es sich gemäß den allgemeinen Gasgesetzen und die größere Wandfläche ab, übt aber trotzdem einen hohen Druck auf den im Nachbarzylinder 11 befindlichen Kolben 12 aus. Dadurch wirkt in beiden benachbarten Zylindern 1 und 11 auf die Kolben 2 und 12 ein Druck, der über die beiden zu den Kolben 2 und 12 gehörigen Pleuel 5 und 15 ein Drehmoment an der gemeinsamen Kurbelwelle 6 erzeugt. Dieser Druck ist aber wesentlich geringer gegenüber einer Verbrennung nur in dem ersten Zylinder 1, in dem die erste Zündung stattfindet. Wenn die Abmessungen der beiden Zylinder 1 und 11 gleich sind, ist der Druck ungefähr auf die Hälfte reduziert. Hierdurch wird der Maximaldruck in der Brennkraftmaschine wesentlich geringer als bei einer Brennkraftmaschine ohne Überleitungskanäle. Dadurch kann diese Maschine leichter gebaut werden, da die Belastungen nicht so hoch sind. Nach dem Überströmen dehnt sich das brennende Kraftstoff-Luft-Gemisch in beiden Zylindern 1 und 11 aus und leistet Arbeit an den sich vom Zylinderkopf 8 entfernenden Kolben 2 und 12. Kolbenschieberventile haben dabei gegenüber den Tellerhubventilen den Vorteil, dass sie durch ihre beim Hochziehen geschützte und gekühlte Stellung im Zylinderkopf 8 nicht so stark dem heißen Brenngasstrom ausgesetzt sind und außerdem eine größere Überströmöffnung freigeben.
  • Am unteren Totpunkt des Kolbens 2 wird das Auslassventil 7 des Verknüpfungskanals 14 im Zylinder 11 geöffnet wie in 1.E dargestellt. 1.E zeigt unten auch die dabei am unteren Totpunkt des Kolbens 2 erreichte Pleuelstellung. Durch die Bewegung des Kolbens 12 und danach des Kolbens 2 vom jeweils unteren zum oberen Totpunkt wird nun das verbrannte Kraftstoff-Luftgemisch, d.h. die Verbrennungsgase durch den Überströmkanal 4 und den Verknüpfungskanal 14 in den Auspuff oder einen Abgasturbolader 35 befördert. Bei (im KurbelwellenWinkel) Erreichen des oberen Totpunkts des Kolbens 12 wird das Auslassventil 7 geschlossen und das Einlassventil 13 zum Zylinder 1 wieder geöffnet, vgl. 1.A1. Das Überströmventil 3 zum Zylinder 11 bleibt dabei weiterhin geöffnet. Danach strömt neue Luft oder neues Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinder 1 und auch weiter durch den Verbindungskanal 4 in den Zylinder 11 bis wieder der Kolben 2 den unteren Totpunkt erreicht. Bei geeigneter Wahl des Nockenwellenprofils bzw. der Nockenwellenverstellung kann hierbei ein Teil des noch nicht ausgestoßenen Abgases im Zylinder 1 verbleiben und später besonders beim Dieselmotor zur Reduzierung der Stickoxide dienen.
  • Dann wird das Einlassventil 13 wieder geschlossen und die Kolben 2 und 12 komprimieren auf ihrem Weg zum oberen Totpunkt wieder die in den Zylindern 1 und 11 eingeschlossene Luft bzw. das Kraftstoff-Luft-Gemisch vgl. 1.B1. Bei Erreichen des oberen Totpunkts des Kolbens 12 wird das Ventil 3 geschlossen. Durch die Charakteristik des Kolbenmotors und der Kurbelwelle geschieht das 40° - 50° vor dem Winkel des oberen Totpunkts von Kolben 2. Danach wird im Zylinder 1 mit dem Kolben 2 nicht mehr viel höher aber ausreichend für die Zündung komprimiert, vgl. 1.C1. Bei einem Dieselmotor wird danach, wenn sich der Kolben 2 nahe des oberen Totpunkts befindet, der Kraftstoff in den Zylinder 1 eingespritzt und entzündet sich selbst. Bei einem Otto-Viertaktmotor wird ebenfalls noch vor Erreichen des Totpunkts der Kraftstoff über dem Kolben 2 in den Zylinder 1 eingespritzt, dann aber durch die Zündanlage gezündet. Beim Vergasermotor wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch bereits beim Ansaugen gebildet und dann nach der Verdichtung gezündet. Wie oben schon beschrieben wird kurz nach der Zündung das Ventil 3 wieder geöffnet, so dass das brennende Kraftstoff-Luft-Gemisch durch den Überströmkanal 4 in den benachbarten Zylinder 11 strömen kann wo sich der Kolben 12 schon ein Stück weit nach unten bewegt hat, vgl. 1.D1. Am Ende der Bewegung des Kolbens 2 nach unten beim unteren Totpunkt wird das Auslassventil 7 geöffnet und das verbrannte Gas aus dem Zylinder 1 über den Überströmkanal 4 vom Kolben 2 und aus dem Zylinder 11 vom Kolben 12 über den Verknüpfungskanal 14 ausgeschoben. Dabei sind die Ventile 3 und 7 geöffnet, vgl. 1.E1. Dieser gesamte Vorgang wiederholt sich dann.
  • Beim Dieselmotor ist also die primäre Einspritzung im Zylinder 1 direkt, während der weitere Verlauf zum Zylinder 11 einer Vorkammereinspritzung bzw. einer Wirbelkammer-Einspritzung entspricht. Dabei kühlen sich die Gase wegen der größeren kühlenden Wandfläche im Zylinder 11 stärker ab, als nur durch die Expansion des brennenden Kraftstoff-Luft-Gemisches. Der Kolben 12 im Zylinder 11 wirkt dann wie eine schon bekannte Ladepumpe zur Aufladung der Brennkraftmaschine oder wie ein Kompressor. Er entfaltet seine Wirkung aber auch schon bei niedrigen Drehzahlen. Das Resultat dieses Vorgangs ist ein ca. doppelt so hohes Volumen der komprimierten Luft und danach auch der Brenngase verteilt auf zwei Zylinder, ein wesentlich niedrigerer Druck nach der Zündung in den beiden Zylindern 1 und 11 und eine wesentlich niedrigere Temperatur als nur in einem Zylinder. Für alle Größen von Brennkraftmaschinen, auch für kleinere ist damit eine aufgeladene Betriebsweise möglich. Dabei wird aber die „Ladepumpe“ nicht nur allein zur Kompression, sondern auch im Arbeitstakt doppelt zur Drehmomenterzeugung ausgenutzt. Durch geeignete Formgebung des Kolbens 12 durch „Nasen“, die in die notwendigen Vertiefungen z.B. des Überströmkanals 4 passen, kann das Totvolumen im Zylinder 11 über dem Kolben 12 klein gehalten werden.
  • Die Nockenwelle 23 mit den Nocken 24, 25 und 26 bewirkt durch ihre Drehung die Öffnung und Schließung der Ventile 3, 7 und 13. An ihren Lagern sind Verstell-Mechaniken oder Verstellschlitten als Hubmittel 27 und 28 sowohl für eine lineare Höhenverstellung nach oben und unten, die eine Kompressionsänderung bei der Verwendung von Kolbenschieberventilen erlaubt, als auch eine rotatorische Verstellung im Öffnungs- und Schließwinkel der Ventile gegenüber der Kurbelwelle 6 angebracht. Die Kompressionsänderung wird durch weiteres Heraus- oder Hereinschieben der Kolben der Kolbenschieberventile in den Kompressionsraum durch das Senken oder Anheben der gesamten Nockenwelle 23 erreicht. Der Zylinderkopfdeckel 88 schließt die Nockenwelle 23 und ihre Halterung ab. Der Vorgang der Verdichtungsänderung wird weiter unten noch genauer erklärt.
  • Bisherige Brennkraftmaschinen haben relativ hohe Verbrennungs- und Abgastemperaturen die den Wirkungsgrad erniedrigen und hohe Schadstoffbelastungen bewirken. Um die Temperaturen des Abgases zu senken und damit den Wirkungsgrad zu erhöhen sind bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine verschiedene Maßnahmen getroffen worden die hier noch einmal hervorgehoben werden sollen:
  • Nach der Zündung wird durch Öffnen des Ventils 3 das Volumen des brennenden Kraftstoffluft-Gemisches durch die Ausdehnung in den Nachbarzylinder 11 wesentlich erhöht. Dabei werden die Kolben 2 und 12 nach unten bewegt und das brennende Gas kühlt sich durch die Arbeitsabgabe, die Volumenerhöhung und die Wärmeabgabe an die Wandungen der Zylinder 1 und 11 ab. Am unteren Totpunkt der beiden Kolben 2 und 12 ist dann die Temperatur des Gases durch das größere Volumen der beiden Zylinder 1 und 11 wesentlich niedriger als wenn sich das Verbrennungsgas nur im Zylinder 1 ausgedehnt hätte. Auch der Druck in beiden Zylindern 1 und 11 ist wesentlich niedriger als wenn nur die Ausdehnung in dem Zylinder 1 möglich gewesen wäre. Dies wird klar, wenn man die p,V-Diagramme sowohl des Otto-Zyklus als auch des Dieselzyklus betrachtet. Dies bewirkt gleichzeitig zwei Effekte: einerseits wird die Verbrennungstemperatur und damit die Stickoxidproduktion erniedrigt, andererseits wird die Abgastemperatur niedriger und der Wirkungsgrad, bis auf zusätzliche Reibungseffekte, sollte sich erhöhen. Eine einfache Formel für den Carnot-Wirkungsgrad ηc einer Brennkraftmaschine lautet: η c = 1 − T n T h ,
    Figure DE102019128935B4_0001
    wobei Tn die niedrigste und Th die höchste auftretende Temperatur im Prozess in Kelvin sind. Wenn Tn die Abgastemperatur und Th die Brenntemperatur (ca. 2200 K) ist, ist leicht ersichtlich, dass der Wirkungsgrad umso höher ist, je niedriger die Abgastemperatur ist. Nicht nur das Abgas, sondern die gesamte Brennkraftmaschine nimmt auch eine niedrigere Temperatur an, da die Wärmeabgabe an die Wände der Zylinder 1 und 11 bei einer wesentlich niedrigeren Temperatur erfolgt als bei der Wärmeabgabe wenn nur der Zylinder 1 beteiligt wäre.
  • Ein weiterer vorteilhafter Effekt ist die Reduzierung des Rußes, der bei den heutigen Einspritzmotoren sowohl beim Otto-Motor als auch beim Diesel-Motor entsteht. Die zweite Maßnahme, die Kompressionsänderung durch die lineare Verstellung der Nockenwelle 23 erlaubt eine hohe Kompression z.B. beim Start, z.B. Kaltstart einer Brennkraftmaschine oder bei hohen Leistungen, und eine niedrigere Kompression bei der betriebswarmen Brennkraftmaschine oder weniger Leistung z.B. im Leerlauf. Die Kompressionsänderung erfolgt wie schon oben erwähnt wurde durch Anheben oder Senken der Nockenwelle 23. Die Nockenwelle 23 drückt die Kolbenschieberventile 3, 13 und 7 nach unten oder lässt sie durch den Federdruck oder desmodromische Betätigung nach oben gleiten. Bei einer Kompressionserhöhung werden alle Kolbenventile durch die lineare Bewegung der Nockenwelle 23 nach unten gedrückt und reduzieren dadurch das Volumen im oberen Totpunkt über den Kolben in den Zylindern 1 und 11. Dies ist bei Kolbenschieberventilen leicht möglich, da sie am Zylinderkopf 8 so geführt werden können, dass sie, insbesondere bei desmodromischer Betätigung, keinen unteren Anschlag haben. Zu einer wesentlichen Änderung der Kompression von 20 % genügt bereits eine Verschiebung der Kolbenschieberventile von wenigen mm bei gängigen PKW Brennkraftmaschinen. Durch eine Kompressionserniedrigung kann die Verbrennungstemperatur und die Abgastemperatur ebenfalls erniedrigt werden.
  • Um die Schadstoffe zu reduzieren sind weitere Maßnahmen getroffen worden. Die Abgasturbolader 35 können gleichzeitig zum Entfernen des Rußes bzw. Teilen davon ausgelegt werden. Hierzu werden konische Zentrifugalseparatoren 36 an der Außenseite der Turboladergehäuse 35, an der die Abgase ausströmen, mit ihrer Mittelachse nach unten, angebracht. Die Turbolader schleudern dabei durch ihre Drehung die Rußpartikel zentrifugal von innen an die innere Gehäusewandung des Zentrifugalseparators 36 wo sie durch geeignete Formgebung mit inneren Leitschaufeln entfernt werden können. Hierbei sollen die Zentrifugalseparatoren aus mindestens 2 Teilen bestehen. Einem herausnehmbaren inneren Teil, an dem die Rußteilchen z.B. haften bleiben können und später abgeblasen oder abgewaschen werden können, und dem äußeren Gehäuse, an dessem unteren Ende die Weiterleitung der Auspuffgase zum Katalysator bzw. zur schon bekannten Abgasrückführung zum Lufteinlass oder zu einem Rußfilter erfolgt. Eventuelle herabrutschende Rußteilchen können dort am unteren Ende auch in einem von außen entleerbaren Behälter aufgefangen werden.
  • Die Einlasskanäle, Überströmkanäle, Kolbenböden und Zylinderköpfe werden mit kleinen Erhebungen (Turbulatoren, Dimples) versehen, die eine gute Durchmischung des Kraftstoff-Luftgemisches oder eine Verwirbelung der Luft bewirken. Diese Turbulatoren sind aus der Luftfahrtindustrie bekannt, um den Umschlag von laminarer in turbulente Strömung zu bewirken, als Dimples sind sie bei Golfbällen bekannt, um deren Flugweite zu erhöhen. In turbulenter Strömung oder beim Auftreffen der Kraftstoffstrahlen werden die Gemische stärker durchmischt als in laminarer Strömung, so dass das bekannte „Klopfen“ bei ungewollten Zündungen von Otto-Motoren reduziert werden kann. Auch bei Dieselmotoren kann eine solche Verwirbelung der Luft, wie sie in anderer schon bekannter Weise z.B. bei besonderen Kolbenformen mit der weiter vorn erwähnten Wirbelkammer ausgeführt wird, helfen, die eingespritzten Kraftstofftröpfchen besser mit der Verbrennungsluft zu durchmischen. Diese kleinen Erhebungen haben aber noch einen weiteren Effekt. Sie sorgen für eine bessere Wärmeübertragung, d.h. die Kolben können durch das Auftreffen der Kraftstofftröpfchen und die größere Oberfläche gekühlt werden. Beide Effekte sorgen für eine höhere Energieübertragung und damit Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Brennkraftmaschine. Eine weitere Möglichkeit der besseren Zerstäubung der Kraftstofftröpfchen ist sie nicht nur in der Luft beim Einspritzen zu zerstäuben, sondern sie auf die eben erwähnten Hindernisse auf den Kolben direkt treffen zu lassen. Dazu werden auf den Kolben Erhöhungen wie weiter vorn erwähnt angebracht oder die Kolben mit „Nasen“ versehen, auf die die eingespritzten Kraftstofftröpfchen direkt auftreffen und weiter verkleinert werden. Die derzeit verwendeten Einspritzdüsen mit mehreren Strahlen aus den verschiedenen Bohrungen sind hierfür besonders geeignet. Der störende Zündverzug besonders bei Dieselkraftstoff sollte sich hierdurch verringern lassen.
  • Die in anderer Form an sich bekannte Nockenwellenverstellung wird auch in Drehrichtung eingeführt, um die Füllzeiten der Zylinder 1 und 11 gegenüber der Position der Kurbelwelle 6 zu verändern. Dies dient zur Optimierung der Verbrennung. Hierzu dient die bereits bekannte Veränderung der wirksamen Längen der Nockenwellensteuerkette 30. Die Nockenwellensteuerkette 30 wird durch Kettenspanner auf einer Seite gespannt und auf der anderen Seite gelockert. Dadurch verringert sich auf der gespannten Seite der Winkel zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle und der Zeitpunkt der Ventilöffnung wird gegenüber der Kurbelwelle versetzt erfolgen. Durch wechselweises Betätigen der Kettenspanner kann also der Nockenwellenversatz gegenüber der Kurbelwelle geändert werden. Weiterhin bleibt aber die Verstellung der Kompression erhalten, weil die Kettenspanner auch synchron betätigt werden können und damit die Nockenwellensteuerkette 30 als ganze gespannt und gelockert werden kann, um die Längenänderung durch das Anheben oder Senken der Steuerplatten der Nockenwellenlager auszugleichen.
  • Die Vorteile der Überströmung der Verbrennungsgase in einen Nachbarzylinder zur Verbesserung der Eigenschaften einer Brennkraftmaschine lassen sich noch weiter nutzen, wenn in nur einen mittleren Zylinder die Brenngase zweier Nachbarzylinder wechselweise einströmen. Das Prinzip ist in 2 dargestellt. Anschließend an den bisherigen rechten Zylinder 11 aus den 1 ist ein weiterer Zylinder 81 spiegelbildlich in Bezug auf die Mitte des zum linken Zylinder 1 gehörigen Überströmzylinders 11 angebracht und erweitert das Brennkraftmaschinengehäuse, um eine weitere Kurbelwellenkröpfung.
  • 2 zeigt eine Übersichtszeichnung der Brennkraftmaschine mit 3 benachbarten Zylindern mit einer seitlichen Ansicht. Der Brennkraftmaschine besteht aus einem Kurbelgehäuse 9 und den 3 Zylindern 1, 11, 81, die dicht nebeneinander angebracht sind und in denen sich die Kolben 2, 12, 82 bewegen, die über Pleuel 5, 15, 83 auf die gemeinsame Kurbelwelle 6 Druck ausüben und damit ein Drehmoment an der Kurbelwelle 6 hervorrufen. Ein erster Zylinder 1 wirkt wie bei einer bekannten Brennkraftmaschine als Arbeitszylinder eines Viertakt-Otto- oder. Viertakt-Diesel-Motors. Der zweite Zylinder 11 ist mit dem ersten Zylinder 1 durch einen Überströmkanal 4 verbunden. Spiegelbildlich dazu ist der dritte Zylinder 81 mit dem zweiten Zylinder 11 durch den Verknüpfungskanal 14 verbunden. Auf dem Kurbelgehäuse 9 ist ein Zylinderkopf 8 befestigt, der die Nockenwelle 23, deren Antriebs- und Hebevorrichtung mit Seitenteilen 51 und 52 und die Steuerventile 13, 3, 7, 93 und 18 trägt. Die Antriebs- und Hebevorrichtung mit Seitenteilen 51 und 52 sind jeweils mit Verstellschlitten 27 und 28 am Zylinderkopfmittelteil angebracht. Die Ventile werden von Nocken 24, 25, 26, 84 und 86 über Tassenstößel 47 und Rollen 48 mit Halterungen 49 nach unten gedrückt und von Ventilfedern 46 wieder nach oben gedrückt. Die Nockenwelle 23 wird von einer Steuerkette 30 über das an der Nockenwelle 23 befestigte Zahnrad 31 vom an der Kurbelwelle 6 befestigten Zahnrad 32 mit der halben Kurbelwellenumdrehungszahl angetrieben.
  • Ein Hydraulikzylinder 29 an einem Befestigungswinkel auf der Befestigungsplatte des Verstellschlittens 28 dreht über einen Umlenkhebel 21 eine Welle 22 die an beiden Enden jeweils ein Zahnrad 71 und 72 trägt.
  • Diese Zahnräder 71 und 72 greifen in jeweils eine Zahnstange 67 und 68 mit denen die Nockenwelle 23 hoch und herunter geschoben werden kann. Der Zylinderkopf 8 wird vom Zylinderkopfdeckel 88 abgedeckt. Der Nockenwellenantrieb mit dem Zahnrad 32 an der Kurbelwelle 6 wird durch den Deckel 199 öldicht verschlossen. Das Kolbenschieberventil 13 das weiter hinten noch genauer beschrieben wird, öffnet und schließt den Einlass 17 zum Zylinder 1. Ein weiteres Kolbenschieberventil 3 öffnet und schließt den Überströmkanal 4 vom Zylinder 1 zum Zylinder 11.
  • Das Kolbenschieberventil 7 wirkt als Auslassventil und öffnet und schließt den Auslasskanal 89 an der Seite der Brennkraftmaschine, die in 3 im Schnitt zu sehen ist. An dem Auslasskanal 89 wird optional ein Turbolader 35 bei Bedarf an den Zylinderkopf 8 angebaut. An der Turboladerauslassseite kann auch optional ein Zentrifugalseparator 36 als Rußabscheider angebaut werden. Durch die Betätigung der Kolbenschieberventile 13, 3 und 7 durch die Nockenwelle 23 über die Nocken 24, 25 und 26 wird zunächst die linke Seite der Brennkraftmaschine zur Arbeitsleistung herangezogen. Allerdings wird hierbei der mittlere Zylinder 11 nicht im Ansaugtakt mit Frischluft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch gefüllt, welches dann komprimiert wird wie bei der Brennkraftmaschine aus den 1, sondern hier werden nur die nach der Zündung im Zylinder 1 entstandenen Verbrennungsgase teilweise durch den Überleitungskanal 4 in den Zylinder 11 geleitet, um dort weitere Arbeit zu leisten und dabei abgekühlt zu werden. Anschließend werden die Verbrennungsgase durch das Kolbenschieberventil 7 und den Auslasskanal 89 ausgeschoben. Danach ist dieser Zylinder 11 wieder für die Aufnahme der Verbrennungsgase von der rechten Seite der Brennkraftmaschine bereit. Dabei wird gleichzeitig mit der Arbeitsleistung beim Heruntergehen des linken Kolbens 2 im Zylinder 1 und des mittleren Kolbens 12 im Zylinder 11 im rechten Teil der Brennkraftmaschine Luft bei Einspritzmotoren bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch bei Vergasermotoren angesaugt. Dazu muss zunächst das Einlassventil 18 am Einlass 87 von der Nockenwelle 23 mit der Nocke 86 geöffnet werden. Das Ventil 93 bleibt während des Ansaugens bis der Kolben 82 im Zylinder 81 seinen unteren Totpunkt erreicht hat geschlossen. Wenn der Kolben 82 seinen unteren Totpunkt erreicht wird das Ventil 18 geschlossen und der Kolben 82 verdichtet beim Hochgehen die Luft bzw. das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder 81 bis in der Nähe des oberen Totpunkts die Zündung nach Einspritzung des Kraftstoffs bzw. nach dem Zündfunken beim Ottomotor oder Selbstzündung beim Diesel-Motor erfolgt. Kurz nach der Zündung wird das Ventil 93 geöffnet und ein Teil der Verbrennungsgase strömt durch den Verknüpfungskanal 14 in den Zylinder 11. Hierbei sind das Ventil 7 und das Ventil 3 kurz bevor alle Kolben den oberen Totpunkt erreicht hatten geschlossen worden. Der Kolben 82 und der Kolben 12 bewegen sich danach durch den Druck der Verbrennungsgase nach unten und leisten dabei Arbeit bis beide den unteren Totpunkt erreicht haben. Wenn der untere Totpunkt erreicht wurde wird das Ventil 7 geöffnet und die Abgase werden durch den Auslass 89 in den Turbolader 35 bzw. einen Auspuff ausgeschoben. Nachdem die Abgase der rechten Seite der Brennkraftmaschine ausgeschoben wurden, wird das Ventil 7 wieder geschlossen und der mittlere Zylinder 11 kann wieder teilweise die Brenngase aus dem Zylinder 1 aufnehmen in dem während des Arbeitstaktes des rechten Zylinders 81 und des anschließenden Über- und Ausschieben der Abgase der linke Kolben 2 Luft bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch angesaugt und verdichtet sowie gezündet wurde. Damit ist ein Zyklus zur Arbeitsleistung in beiden Seiten der Brennkraftmaschine beendet und kann wiederholt werden, so dass eine kontinuierliche Abfolge von Arbeitstakten in allen 3 Zylindern der Brennkraftmaschine entsteht.
  • Die 3 zeigt auch einen Querschnitt durch den Nocken 26 der Nockenwelle 23 und die Antriebswelle 22 der Nockenwellenhöhenverstellung zur Kompressionsänderung. Weiter sind in 3 die Kühlkanäle 79 und 80 im Zylinderkopf 8 im Schnitt zu sehen sowie die Kühlkanäle 91 und 92 im Kurbelgehäuse. Der Kolbenbolzen 16 im Kolben 12 geht auch durch das Pleuelauge des Pleuels 15 der an der Kurbelwelle 6 angelenkt ist. Das Ventil 7 wird über die Rolle 48 auf dem Tassenstößel vom Nocken 26 angetrieben. Die Kolbenschieberventile 13, 7 und 18 können optional auch durch schon bekannte Tellerhubventile ersetzt werden. Die Nockenwelle 23 betätigt die Ventile 13, 3, 7, 93 und 18 über die Nocken 24, 25, 26, 84 und 86.
  • Die Funktion der Brennkraftmaschine gemäß 2 und 3 ist also ähnlich zu der Brennkraftmaschine aus den 1. Allerdings strömen die Verbrennungsgase aus dem Zylinder 1 durch den Überströmkanal 4 abwechselnd mit den Verbrennungsgasen aus dem Zylinder 81 durch den Verknüpfungskanal 14 und das geöffnete Kolbenschieberventil 93 in den mittleren Zylinder 11. Dieser wird dadurch bei jeder Kurbelwellenumdrehung mit Brenngasen gefüllt, so dass die Brenngase bis zum unteren Totpunkt Arbeit leisten und gleich anschließend danach wieder durch das nach dem unteren Totpunkt geöffnete Kolbenschieberventil 7 ausgeschoben werden. Daher ergibt sich bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle 6 ein Arbeitstakt bei dem Kolben 12 im Zylinder 11. Nunmehr kann der mittlere Zylinder 11 bei jeder Kurbelwellenumdrehung zur weiteren Arbeitsleistung und damit auch zur Abkühlung der Brenngase genutzt werden. Die ausgeschobenen Brenngase können auch hier zum wie in den 1 schon gezeigt zum Antrieb eines Abgasturboladers 35 auch mit verbundenem Zentrifugalseparator 36 für Feinstaub, Ruß etc. eingesetzt werden.
  • Genau wie bei dem in den 1 gezeigten Beispiel der Brennkraftmaschine mit den zwei Zylindern 1 und 11 ist auch bei dieser in 2 gezeigten Brennkraftmaschine die Nockenwelle 23 sowohl linear als auch rotatorisch verstellbar, um die Kompression und den Füllzeitpunkt gegenüber der Kurbelwelle 6 ändern zu können.
  • Die Vorteile der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind unter anderem:
    1. 1. Einfache Bauart: Die bisher eingesetzten Kurbelgehäuse mit Ölwanne, Kurbelwelle, Pleuel und Kolben können weiter so wie bisher gefertigt, mit Lagern versehen, geschmiert und gekühlt werden. Lediglich die Zylinderköpfe werden geändert aber auch weitgehend mit auch schon bisher benutzten Fertigungsverfahren hergestellt und betrieben. Die Bohrungen für die Kolbenschieberventile sind einfacher herzustellen als die Bohrungen und Ventilsitze für die Tellerhubventile, die eingeschliffen werden müssen und sehr genau eingestellt werden müssen, besonders die desmodromisch gesteuerten. Für die Kolbenschieberventile werden keine Einstellschrauben für das Ventilspiel oder Hydrostößel gebraucht. Kipphebel, Schlepphebel, Ventilfedern und Nockenwellen sowie deren Antriebe können wie bisher bei den Tellerhubventilen ohne neue Fertigungsverfahren eingesetzt werden. Die Kolbenschieberventile können genauso wie herkömmliche Kolben mit Kolbenringen zur Dichtung aufgebaut sein. Die Kühlung kann wie bei den großen Arbeitskolben erfolgen. Das Material der Kolbenschieberventile kann das gleiche sein wie bei den großen Kolben, z.B. Aluminium und muss nicht hochwarmfest sein wie die Tellerhubventile die vom direkten Abgasstrom umspült werden. Die Lufteinlässe und Abgasauslässe können aerodynamisch günstiger gestaltet werden als bei Tellerhubventilen.
    2. 2. Einfache Steuerung der Kompression: Die Bohrungen und Bewegungsrichtungen der Kolbenschieberventile sind parallel zueinander. Deshalb ist eine lineare Kompressionsänderung durch Anheben und Absenken der Nockenwelle zu realisieren. Dies ist erheblich einfacher und mit weniger Kraftaufwand verbunden als ein schon bekanntes Kippen des Motorblocks oder Anheben und Absenken der Kurbelwelle mit ihren vielen Kröpfungen und Lagern. Auch die relativ komplizierte Brennkraftmaschinen nach der US367496A , die von einigen Motorenherstellern derzeit wieder aufgegriffen werden mit Ihren teuren Umsetzhebeln können entfallen.
  • Die erfindungsgemäße Bauart der Kolbenschieberventile ist in den 4.A bis 4.F dargestellt. Wie schon erwähnt sollen die Kolbenschieberventile die schon bekannten Tellerhubventile ohne wesentliche Änderungen der bisher mit großem Erfolg eingesetzten Zylinderköpfe ersetzen können. Deshalb wurde die Bauweise hier ganz ähnlich gewählt wie die der Tellerhubventile. In den 4 sind links in 4.A und 4.Bjeweils ein Kolbenschieberventil mit aufgeschnittenem Tassenstößel 47 und Federn 46 in Seitenansicht (4.A) und im Schnitt (4.B) in der Schließstellung gezeichnet. In der Mitte in 4.C und 4.D sind jeweils für die geöffnete Stellung der Kolbenschieberventile die Seitenansicht (4.C) und der Schnitt (4.D) gezeigt. Das Schließelement ist der untere dickere als Kolben 40 ausgebildete Teil des Ventils. Daran schließt sich ein schlankerer Schaft 41 an, um den die Ventilfeder 46 gelegt werden kann. Der Kolben 40 trägt 3 Kolbenringe, 42, 43, 44 die für die Abdichtung der Luftzuführung bzw. Auspufföffnung sorgen. Am oberen Ende des Schaftes 41 ist eine Ausdrehung bzw. ein Absatz 45 angebracht, der als Gegenlager für die Ventilfeder 46 dient. Der untere Teil der Ventilfeder 46 stützt sich auf einem Sprengring 50 ab der in einer Nut 74 im Zylinderkopf 8 gehalten wird. Um den Oberteil der Ventilfeder 46 legt sich ein Tassenstößel 47 der die seitlichen Kräfte der Federführung aufnimmt. Damit die seitlichen Kräfte nicht durch die Reibung der Nockenwelle auf dem Tassenstößel 47 zu groß werden, ist auf dem Tassenstößel 47 eine Rolle 48 in einem Halter 49 angebracht mit der der Tassenstößel 47 gegen den Federdruck der Ventilfeder 46 von der Nockenwelle 23 geführt wird.
  • Im Falle noch zu großer seitlicher Kräfte können auch Schlepphebel mit Rollenaufsatz oder Kipphebel zur Übertragung der Nockenwellenkräfte auf den Ventilschaft 41 eingesetzt werden. Zur Gewichtsreduzierung kann das Kolbenschieberventil auch eine Bohrung tragen, in die auch Öl zur Kühlung eingespritzt werden kann das dann durch eine kleine Bohrung in der Wandung des Ventils wieder abfließen kann und anschließend noch zur Schmierung und Abdichtung der Kolbenringe 42, 43 und 44 dient. An dieser Stelle sei auch angemerkt, dass die vielen Vorrichtungen die für die Ventilverstellung, Ventilabschaltung, Nockenwellenverstellung usw. in Verbindung mit Tellerhubventilen entwickelt wurden ohne großen Entwicklungsaufwand für die hier genannten Kolbenschieberventile übernommen werden können. Z.B. können die Bohrungen für die Tassen- oder Hydrostößel der Tellerhubventile auch für die Aufnahme der Tassenstößel 47 der hier genannten Kolbenschieberventile benutzt werden. Die Durchmesser dieser Tassenstößel 47, der Ventilfedern 46 und der Kolben 40 sind so gewählt, dass sie in eine einzige durchgehende Bohrung im Zylinderkopf 8 hineinpassen was erhebliche fertigungstechnische Vorteile bringt. Der Schaft kann aber auch so ausgeführt werden wie bei den herkömmlichen Tellerventilen mit ihrer längeren Führung mit dem kleineren Durchmesser, so dass auch die bereits bekannten Schaftdichtungen zur besseren Abdichtung eingesetzt werden können. Weiterhin kann auch der untere Teil des Kolbenschieberventils einen weiteren Kolbenring 42a tragen, so dass auch dadurch die Abdichtung gegen Blow-by verbessert wird.
  • Weitere Vorteile der Kolbenschieberventile sind, dass sie keine Einstellungsmöglichkeit für das bei den Tellerhubventilen notwendige Ventilspiel benötigen und infolgedessen auch keine Hydrostößel gebraucht werden. Gleichwohl sind sie aber durch ihre einfache Form prädestiniert für hydraulische, elektrische oder pneumatische Betätigung. Ein weiterer Vorteil ist, dass sie nicht kreisrund ausgeführt werden müssen, sondern dass die Kolben 40 auch z.B. elliptischen bzw. superelliptischen Querschnitt haben können. Kolben mit superelliptischem Querschnitt sind schon bei Motorrädern bekannt und mit Erfolg eingesetzt worden. Dies hat gezeigt, dass sich diese Kolben gut abdichten lassen. Sie waren aber wahrscheinlich in der Fertigung zu teuer. Die Gleitbahnen der Kolbenschieberventile sind aber wesentlich kürzer und kleiner und dadurch einfacher zu bearbeiten als die der großen Kolben. Dadurch lässt sich die Eintrittsöffnung für die Verbrennungsluft bzw. das Kraftstoff-Luft-Gemisch und die Austrittsöffnung für die Abgase wesentlich erweitern ohne zusätzliche Ventile zu benötigen. Bei den derzeit verwendeten CNC Bearbeitungsmaschinen ist die Genauigkeit sehr groß, so dass auch elliptische oder superelliptische Kolbenringe mit genügend guter Dichtfähigkeit eingesetzt werden können. 4.C und 4.D zeigen in der Mitte ein Kolbenschieberventil in offener Stellung mit Kolben 40, Schaft 41, Kolbenringen 42, 43, 44, Absatz 45 als Federhalter oder Abstützung, Ventilfeder 46, Tassenstößel 47, Rolle 48 mit Halterung 49, halbrechts (4.E) den Kolbenschieberkörper und ganz rechts (4.F) und ganz links (4.A) das Ventil in Schließstellung.
  • In 5.A ist ein Schnitt durch den Zylinderkopf 8 und den Kurbelkasten 9 des Motorblocks aus den 1 an der Stelle des Zylinders 11 zu sehen. Oben ist die Nockenwelle 23 mit dem Nocken 26, darunter die Welle 22 zur Kompressionsverstellung, anschließend die Rolle 48 mit Halterung 49 auf dem Tassenstößel des Kolbenschieberventils 7, weiter der Arbeitskolben 12 mit dem Kolbenbolzen 16 im Zylinder 11 am Ende des Pleuels 15 der an der Kurbelwelle 6 gelagert ist. Die Kurbelwelle 6 im Kurbelgehäuse 9 ist zur besseren Illustrierung gestrichelt eingezeichnet da sie im Schnitt nicht zu sehen ist. Die Hohlräume bzw. Kühlkanäle 79 und 80 sowie 91 und 92 dienen zum Durchfluss des Kühlmittels. Die Kolbenschieberventile haben aber noch andere Vorteile, um die Leistung der Brennkraftmaschinen zu erhöhen und die Fertigungskosten zu senken. Sie lassen sich wesentlich einfacher desmodromisch steuern als Tellerhubventile. In 5.B ist ein analoges Schnittbild wie in 5.A gezeigt, jedoch ist hier das federbetätigte Kolbenschieberventil 7 durch ein desmodromisch mit der Nockenkurvenscheibe 85 gesteuertes Kolbenschieberventil 97 ersetzt worden. In 5.C ist das Kolbenschieberventil 97 und die Nockenkurvenscheibe 85 oben in Seitenansicht und in 5.D rechts als Querschnitt A-B angezeigt.
  • Das Kolbenschieberventil 97 trägt an seiner Oberseite 2 übereinander angeordnete Kurvenfolgerollen 96 und 98, wobei die obere kleinere Rolle 96 unten in der Nut 99 der Nockenkurvenscheibe 85 anliegt und abrollt und die untere große Rolle 98 mit 2 seitlichen Führungsscheiben an der Unterseite der Nockenkurvenkurvenscheibe 85 anliegt und abrollt. Die untere Rolle 98 ist größer als die obere Rolle 96 weil sie dem hohen Verbrennungsdruck im Brennraum des Zylinders 11 dem das Ventil 97 ausgesetzt ist widerstehen muss, während die obere Rolle 96 nur das Ventil 97 nach oben ziehen muss.
  • Die Ventile 97 in den 5.B, 5.Cund 5.D sind nur wegen der Vergleichbarkeit mit dem federbetätigten Ventil 7 in der gezeigten Länge gezeichnet. Es ist ersichtlich, dass sie auch wesentlich kürzer sein können, so dass desmodromisch gesteuerte Kolbenschieberventile zusammen mit den Nockenkurvenscheiben sehr platzsparende Steuerungen der Einlass- und Auslassgase von Brennkraftmaschinen erlauben können.
  • Ein vorteilhafter Gegenstand der Erfindung ist die Kompressionsänderung durch Anheben und Senken der Nockenwelle 23. In 6. ist eine Seitenansicht des Zylinderkopfes 8 bei abgenommenem Zylinderkopfdeckel 88 aus 1 zu sehen. Gezeigt ist der Verstellschlitten 28 der auf dem Seitenteil 51 aus den 1 von vier Rollen 53 - 56 in seitlichen Nuten 58, 59 geführt wird. Die Nockenwelle 23 ist auf dem Verstellschlitten 28 in einem Lager 34 gelagert. Auf der anderen Seite des Zylinderkopfes 8 ist ein analoger Verstellschlitten 27 nur spiegelbildlich auf dem dortigen Seitenteil 52 angeordnet und ebenfalls mit Rollen 60 - 63 in Nuten 65, 66 geführt. Die Nockenwelle 23 ist dort in einem Lager 33 gelagert. An den Seiten der Verstellschlitten 27 und 28 sind jeweils Zahnstangen 67, 68 angebracht in die jeweils Zahnräder 71, 72 eingreifen. Diese Zahnräder 71, 72 sind an den Enden einer gemeinsamen Welle 22 rotationssymmetrisch befestigt. Die Welle 22 ist in den Seitenteilen 51 und 52 drehbar gelagert. Das Seitenteil 51 trägt auf seiner Oberseite auf einem Winkel einen Hydraulikzylinder 29. Dieser dient zur Winkelverstellung der Welle 22 und damit auch der Zahnräder 71, 72. Ein Umlenkhebel 21 ist direkt an der Welle 22 befestigt und dient zur Winkelverstellung der Welle 22 durch eine lineare Bewegung des Hydraulikkolbens 77 der drehbar über ein Gelenk 78 am Umlenkhebel 21 angelenkt ist. Durch die damit erzeugte Drehbewegung der Zahnräder 71 und 72 werden die Zahnstangen 67 und 68 und damit auch die Verstellschlitten 27 und 28 linear hoch und herunter bewegt. Die Seitenteile 51 und 52 mit den Verstellschlitten sind jeweils an den Stirnseiten des Zylinderkopfes 8 befestigt. Durch die lineare Bewegung der Nockenwelle 23 werden auch die Kolbenschieberventile 3, 7 und 13, die an den Nocken 24, 25, 26 anliegen, gemeinsam hoch und herunter geschoben. Dadurch ragen die Kolbenunterseiten der Ventile weiter oder weniger weit in die Verbrennungsräume der Zylinder 1 und 11 über den Kolben 2 und 12 hinein und ändern durch ihr zusätzliches Volumen oder weniger großes Volumen die Kompression. Es ist ersichtlich, dass die Kompressionsänderung durch Anhebung der Nockenwelle 23 auch in herkömmlichen Brennkraftmaschinen ohne Überströmkanäle anwendbar ist.
  • Die bisher dargestellten Ausführungsbeispiele zeigten Brennkraftmaschinen nach dem Viertakt-Prinzip. Ein wesentlicher Anteil der Brennkraftmaschinen arbeitet aber im Zweitakt-Betrieb. Besonders in Asien sind Millionen von kleineren Motoren dieser Bauart, oft Einzylinder, sehr verbreitet. Auch die größten Brennkraftmaschinen, Schiffsdieselmotoren mit dem höchsten Wirkungsgrad und Lokomotivmotoren verrichten einen großen Teil der Welttransporte wo es besonders auf niedrige Kosten ankommt in zwei Takten. Dabei kommt es auf jeden Prozentpunkt des Wirkungsgrads an. Gerade Schiffsmotoren laufen oft nicht in Höchstlast, sondern in Teillast aus Wirtschaftlichkeitsgründen. Eine Verbesserung des Wirkungsgrads in Teillast wie es mit einer Kompressionsverstellung und einen zweiten Überströmzylinder möglich ist würde hier wesentliche Kosteneinsparung bedeuten.
  • In den 7.A und 7.B ist ein Ausführungsbeispiel im Prinzip dargestellt, das nicht Gegenstand der Erfindung ist, wobei hier der Zustand einer Brennkraftmaschine mit Zweitakt-Arbeitsweise kurz nach der Zündung oben in Seitenansicht abgebildet ist. Dabei ist das Kolbenschieberventil 3 geöffnet worden durch das Brenngase in den Zylinder 11 überströmen. Dadurch bewegt sich der Kolben 12 durch den Druck der Brenngase nach unten und übt über das Pleuel 15 einen Druck auf die Kurbelwelle 6 aus. In der 7.B unten ist ein Schnitt durch den Zylinder 11 mit dem Kolben 12 und dem Pleuel 15 zu sehen. Dabei ist 198 ein Ausgleichsgewicht an der Kurbelwelle 6 zur Illustration und besseren Übersicht etwas seitlich versetzt dargestellt, ebenso wie das Pleuel 5 und das Ausgleichsgewicht 197 aus dem Zylinder 1. In diesem Zylinder 1 findet der eigentliche Arbeitstakt statt. Kurz nach der Zündung nur in diesem Zylinder 1 wirkt auch auf den Kolben 2 ein hoher Druck der diesen Kolben 2 nach unten treibt. Dabei wird auch von diesem Kolben 2 eine Kraft über den Pleuel 5 auf die Kurbelwelle 6 ausgeübt, so dass ein Drehmoment erfolgt, das ebenso wie im Zylinder 2 die Kurbelwelle in Drehung versetzt. Beim Heruntergehen der Kolben 2 und 12 in den Zylindern 1 und 11 wird die Luft in diesen Zylindern 1 und 11 unter den Kolben 2 und 12 und im Kurbelkasten 9 verdichtet. Kurz vor dem unteren Totpunkt des Kolbens 2 wird beim Erreichen der unteren Überströmkanäle 95 und 73 der Weg frei für die Frischluft aus dem Kurbelkasten, um durch diese Überströmkanäle 95 und 73 die verbrannten Brenngase nach oben aus dem immer noch geöffneten Ventil 3 in den Nachbarzylinder 11 auszutreiben. Dort wurde kurz vorher ungefähr beim Erreichen des unteren Totpunkts des Kolbens 2 auch das Auspuffventil 7 geöffnet, um die Brenngase in den Verknüpfungskanal 14 oder in den Turbolader 35 zu entlassen. Die beiden Kolben 2 und 12 wirken in diesem Beispiel als Ladepumpen oder Kolbenspülpumpen, die schon bei niedrigen Drehzahlen genügend Frischluft aus dem Kurbelkasten 9 durch die Überströmkanäle 95 und 73 in den Zylinder 1 neben dem Kolben 2 vorbei in den Raum über dem Kolben 2 drücken. Dort blasen sie einerseits die Abgase durch den Überströmkanal 4 und das nunmehr geöffnete Auslassventil 7 in den Verknüpfungskanal 14 und anschließend nach außen und z.B. in den Abgasturbolader 35. Dabei ist das Volumen der Frischluft das durch die beiden Kolben 2 und 12 durch die Überströmkanäle 95 und 73 befördert wird ca. doppelt so groß als wenn nur ein Kolben die Frischluft pumpen würde. Es kann also ein vollständiges Ausblasen der Auspuffgase aus dem Zylinder 1 stattfinden, so dass der zu komprimierende Teil der Frischluft im Zylinder frei von Auspuffgasen sein kann. In vielen Fällen ist das aber gar nicht erwünscht, sondern ein Teil der Auspuffgase soll im Zylinder verbleiben so wie das bei Viertaktmotoren durch eine Abgasrückführung willkürlich durchgeführt wird, um Stickoxide und andere schädliche Abgase zu verringern. Durch eine geeignete Steuerung des Ventils 3 kann also der Frischluftanteil im Zylinder 1 beeinflusst werden. Außerdem findet auf Grund des größeren Pumpvolumens der beiden Kolben 2 und 12 im Verhältnis zum Verdichtungsvolumen nur des Kolbens 2 eine Aufladung statt, die schon bei niedrigen Drehzahlen eine Leistungserhöhung erlaubt im Gegensatz zu Turboladern, die erst bei höheren Drehzahlen wirksam werden. Da die Spülung des Zylinders 1 mit den als Ladepumpen wirkenden Kolben 2 und 12 schon ab dem Anlassen aus dem Stand funktioniert werden auch keine zusätzlichen Gebläse wie z.B. Rootspumpen nötig die bei Zweitaktdieselmotoren größerer Bauart die Zylinder mit Frischluft füllen. Die Frischluft wird dabei durch das Ventil 200 in den Kurbelkasten 9 angesaugt. Die Ausgleichsgewichte 197 und 198 an der Kurbelwelle sind so geformt, dass sie möglichst viel Volumen haben das den größten Teil des Kurbelkastens 9 ausfüllt damit sich dort nicht zu viel ungenutzte Luft befindet. Die Kraftstoffversorgung kann wie bei den meisten derzeitigen Zweitaktmotoren durch ein Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels eines Vergasers erfolgen oder durch Einspritzung beim Otto-Motor, sowie beim Diesel-Motor. Die Schmierung erfolgt beim Vergasermotor in üblicher Weise durch eine Gemischschmierung mit einem Kraftstoff-Öl-Gemisch oder eine Frischölautomatik, wobei allerdings ein Teil des Kraftstoffgemisches in die Atmosphäre entweicht. Günstiger für den Wirkungsgrad und Schadstoffemission ist eine Getrenntschmierung mit einem vom Kraftstoff getrennten Ölbehälter.
  • Hier kann z.B. eine Trockensumpfschmierung wie beim Viertaktmotor verwendet werden. Dabei ist auch die Kraftstoffeinspritzung von Vorteil wie sie schon lange im Einsatz ist sowohl für Ottomotoren als auch für Diesel-Motoren. In den 7 ist die Nockenwelle 23 mit der Hebevorrichtung genauso an den Seitenteilen 51 und 52 befestigt und verschiebbar wie in 6, so dass die Kolbenschieberventile 3 und 7 parallel zueinander gemeinsam nach unten oder oben bewegt werden können und damit die Verdichtung in den Zylindern 1 und 11 ändern können. Die 7 zeigen die Ausführung des Motors mit Tauchkolben wie sie für die meisten kleineren Motoren verwendet wird.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine mit Zylinderblock 100 ist in den 8.A und 8.B dargestellt. Hierbei wird die Kolbenbauart mit Kreuzkopf die besser für sehr große Maschinen wie z.B. Schiffsdiesel geeignet ist verwendet. Dafür wird in dieser Beschreibung eine andere Luftführung als in den 7 gewählt. Diese Bauweise nutzt ebenfalls die Unterseite der Kolben als Ladepumpen aus. Allerdings nicht in Verbindung mit dem Kurbelkasten 9, sondern nur in den Zylindern 1 und 11 selbst. Dies ist zur besseren Schmierung der Kurbelwelle 6 und der Kolben 2 und 12, zum Erreichen von weniger Schadstoffen im Abgas selbst sowie für einen besseren Wirkungsgrad günstiger. Bei dieser Kreuzkopfbauart ragen die langen Pleuel 5 und 15 gerade von der Unterseite der Kolben 2 und 12 ausgehend aus den Zylindern 1 und 11 heraus und sind mit dem Kreuzkopf 105 durch eine gemeinsame Befestigungswelle 106 verbunden. Der Kreuzkopf 105 gleitet geradlinig mit dem Gleitschuh 103 an der Gleitlagerwandung auf und ab. Er ist mit dem Pleuel 104 mit der Kurbelwelle 6 verbunden, wobei die Ausgleichsgewichte 198 in 8.B in einer Seitenansicht und einem Schnitt durch den Zylinder 11 und den Kurbelkasten 9 zu sehen sind. Die Zahlen 91 und 92 bezeichnen Hohlräume für die Flüssigkeitskühlung, es ist aber auch Luftkühlung möglich. Bei dieser doppelt wirkenden Maschine werden die Pleuel 5 und 15 an der Unterseite der Zylinder 1 und 11 an den Endkappen der Zylinder 1 und 11 in Dichtungen 102 geführt die am unteren Ende der Zylinder 1 und 11 die Räume unter den Kolben 2 und 12 abdichten, so dass die unteren Seiten der Zylinder 1 und 11 jeweils auch als Verdichtungsraum und Kolbenladepumpe für Frischluft zunächst zum Einsaugen über das Ventil 200 und dann weiter über das Ventil 101 letztendlich zum Überströmen durch die Überströmkanäle 95 und 73 in den Brennraum im Zylinder 1 über dem Kolben 2 genutzt werden kann und kein Spritzöl aus dem Kurbelkasten 9 in die Zylinder 1 und 11 und eventuell in die Frischluft gelangt. Da die Frischluft im Ansaug- und Verdichtungsraum in den Zylindern 1 und 11 unter den Kolben 12 und 2 zusammen ein größeres Volumen hat als der Verdichtungs- und Brennraum über dem Kolben 2 im Zylinder 1, passiert eine Aufladung im Zylinder 1 nach dem Spülen dieses Zylinders mit dem ersten Teil der Frischluft, wenn das Auslassventil 13 und das Überströmventil 3 wieder geschlossen sind und die Frischluft verdichtet wird.
  • In der 8.A ist wieder der Zustand nach dem Ende des Verdichtungstakts am Anfang eines Arbeitstaktes im Zylinder 1 gezeigt. Dazu musste das Kolbenschieberventil 3 nach der Zündung wieder geöffnet werden, so dass die Brenngase aus dem Zylinder 1 durch den Überströmkanal 4 mit dem Führungssteg 94 in den Zylinder 11 über dem Kolben 12 strömen können. Die Brenngase dehnen sich dann in beiden Zylindern 1 und 11 aus und drücken die Kolben 2 und 12 nach unten. Durch das Ventil 200 mit einem Ventil das nun geschlossen ist, und das Ventil 101 war vorher Frischluft in die Zylinder 1 und 11 unter die Kolben 2 und 12 geströmt die jetzt auch durch das Heruntergehen der Kolben 2 und 12 komprimiert wird. Diese Frischluft wird dann zur Spülung nur des Zylinders 1 benötigt. Am günstigsten ist bei sehr großen Zweitaktmaschinen wie Schiffsdieselmotoren im Zweitaktbetrieb und auch bei unserem Ausführungsbeispiel die Gleichstromspülung in Längsrichtung mit Eintritt der Frischluft durch die Schlitze an den oberen Enden der Überströmkanäle 95 und 73 am unteren Ende des ersten Arbeitszylinders 1 über dem Kolben 2 wenn der Kolben 2 den unteren Totpunkt erreicht hat und anschließendem Austritt der Abgase am oberen Ende des Zylinders 1 durch ein Tellerhubventil oder ein bzw. mehrere Kolbenschieberventile 13. Zur Spülung wird in unserem Ausführungsbeispiel dieses Kolbenschieberventil 13 geöffnet und das Überströmventil 3 zum Nachbarzylinder 11 geschlossen damit nicht eventuell unerwünschte Abgase aus dem Zylinder 11 in den Zylinder 1 gedrückt werden. Die Abgase aus dem Zylinder 1 werden dann durch die Spülluft aus dem Zylinder 1 über die Kanäle 4, 14 und 19 (Auslassweg) in den Turbolader 35 geblasen. Nach dem Ausspülen der Abgase aus dem Zylinder 1 wird das Kolbenschieberventil 13 wieder geschlossen, so dass die Frischluft im Zylinder 1 komprimiert werden kann. Die Abgase aus dem Zylinder 11 werden durch das Hochgehen des Kolbens 12 über das nach dem Erreichen des unteren Totpunkts des Kolbens 12 geöffnete Kolbenschieberventil 7 aus dem Verknüpfungskanal 14 sowie 4 und 19 in den Turbolader 35 befördert. Gleichzeitig wird durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens 2 die Frischluft im Zylinder 1 verdichtet. Kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunkts des Kolbens 2 wird der Kraftstoff in den Zylinder 1 eingespritzt und beim Ottomotor gezündet während er beim Diesel selbst zündet. Kurz danach wird das Ventil 7 geschlossen und das Ventil 3 geöffnet, um die Brenngase aus dem Zylinder 1 teilweise in den Zylinder 11 überströmen zu lassen. Damit ist wieder der Anfang des Arbeitstakts erreicht der dann beliebig oft wiederholt werden kann.
  • Die zur Vereinfachung des Kreuzkopfes 105 gewählte Bauart mit einer gemeinsamen Befestigungswelle 106 der Pleuel 5 und 15 kann auch durch 2 getrennte Kreuzköpfe ersetzt werden. Dabei ist es dann auch möglich, dass die Kurbelwelle 6 zwei im Winkel versetzte Kröpfungen hat wie es auch in den 1 gezeigt ist, damit der Kolben 12 dem Kolben 2 etwas voreilt, so dass ein gleichmäßigeres Drehmomentverhalten bewirkt wird. Die Kolbenschieberventile 13 und 7 können auch durch Tellerhubventile ersetzt werden. Die Abmessungen der Zeichnung sind nur zur Illustration so gewählt worden. Auch die Kompressionsverstellung ist so zu verstehen wie zu 6 beschrieben. Die noch vorhandene Abwärme der Abgase kann z.B. bei Schiffen ausgenutzt werden, um den Kraftstoff vorzuwärmen und um das Schiff zu heizen. Die eventuell überschüssige Leistung der Abgasturbolader kann für den Antrieb von Elektromotoren benutzt werden die einen Anteil der elektrischen Leistung für das Schiff zur Verfügung stellen. Bei Blockheizkraftwerken wird die Heizleistung der Kühlflüssigkeit für die Gebäude benötigt während die evtl. überschüssige elektrische Leistung der Turbolader auch in das Stromnetz zusätzlich eingespeist werden kann. Bei Notstromaggregaten ist die Kolbenspülung von Vorteil, da sie sofort wirksam wird.
  • Nachfolgend sollen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine beschrieben werden.
  • Denkbar ist erstens eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse 9 mit einem ersten Zylinder 1 von dem aus im Zylinderkopf 8 ein Verbindungskanal 4 zu einem zweiten Zylinder 11 führt über den Luft, Kraftstoff-Luft-Gemische oder Brenngase nach Steuerung durch ein Ventil 3 überströmen können, wobei nach einer Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Verdichtungsraum des ersten Zylinders 1 das Überströmventil 3 geöffnet wird, danach die Brenngase teilweise in das Volumen über dem Kolben 12 im Zylinder 11 strömen, sich dabei gleichzeitig mit den Brenngasen im Zylinder 1 im Arbeitstakt ausdehnen und abkühlen sowie durch den Druck auf die obere Kolbenfläche des Kolbens 12 ein Drehmoment über den Pleuel 15 auf die den Kolben 2 und 12 und den Pleueln 5 und 15 gemeinsame Kurbelwelle 6 ausüben und anschließend nach Erreichen des unteren Totpunkts der Kurbelwelle 6 und Öffnen des Auslassventils 7 im Zylinderkopf 8 die nach dem Arbeitstakt abgekühlten Brenngase im 2. Takt durch die Aufwärtsbewegung der Kolben 2 und 12 über das Ventil 3 und das Ventil 7 aus dem Verknüpfungskanal 14 ausgeschoben werden, wobei nach dem Schließen des Auslassventils 7 über dem Kolben 12 nach dem Erreichen des oberen Totpunkts das Einlassventil 13 zum Zylinder 1 geöffnet wird und Luft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinder 1 und anschließend in den Zylinder 11 durch die Abwärtsbewegung der Kolben 2 und 12 im 3. dem Ansaug-Takt gesaugt wird, die dann nach Schließen der Ventile 13 und 7 im 4. Takt im Verdichtungsraum des Zylinders 1 durch die Aufwärtsbewegung der Kolben 2 und 12 verdichtet werden und letztlich nach Schließen des Ventils 3 nahe des oberen Totpunkts das Kraftstoff-Luft-Gemisch oder bei einer Einspritzanlage nach dem Einspritzen des Kraftstoffes eine Zündung im Verdichtungsraum des Zylinders 1 erfolgt, nach welcher sich der eben beschriebene Vorgang wiederholt.
  • Denkbar ist zweitens eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse 9 mit einem ersten Zylinder 1 von dem aus im Zylinderkopf 8 ein Verbindungskanal 4 zu einem zweiten Zylinder 11 führt über den Luft, Kraftstoff-Luft-Gemische oder Brenngase nach Steuerung durch ein Ventil 3 überströmen können sowie einem dritten Zylinder 81 zu dem vom mittleren Zylinder 11 aus ein weiterer Verknüpfungskanal 14 mit einem weiteren Ventil 93 führt, wobei nach einer Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Verdichtungsraum des ersten Zylinders 1 das Überströmventil 3 geöffnet wird, danach die Brenngase teilweise in das Volumen über dem Kolben 12 im Zylinder 11 strömen, sich dabei gleichzeitig mit den Brenngasen im Zylinder 1 im Arbeitstakt ausdehnen und abkühlen sowie durch den Druck auf die obere Kolbenfläche des Kolbens 12 ein Drehmoment über den Pleuel 15 auf die den Kolben 2 und 12 und den Pleueln 5 und 15 gemeinsame Kurbelwelle 6 ausüben und anschließend nach Erreichen des unteren Totpunkts der Kurbelwelle 6 und Öffnen des Auslassventils 7 im Zylinderkopf 8 die nach dem Arbeitstakt abgekühlten Brenngase durch die Aufwärtsbewegung der Kolben 2 und 12 über das Ventil 3 und das Ventil 7 aus dem Auslasskanal 89 oder Auspuff ausgeschoben werden, wobei nach dem Schließen des Auslassventils 7 über dem Kolben 12 und des Überströmventils 3 nach dem Erreichen des oberen Totpunkts das Einlassventil 13 zum Zylinder 1 geöffnet wird und Luft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinder 1 durch die Abwärtsbewegung des Kolbens 2 im Ansaugtakt gesaugt wird, die bzw. die dann nach Schließen des Ventils 13 im Verdichtungsraum des Zylinders 1 durch die Aufwärtsbewegung der Kolben 2 verdichtet werden und letztlich nahe des oberen Totpunkts des Kolbens 2 im Kraftstoff-Luft-Gemisch oder bei einer Einspritzanlage nach dem Einspritzen des Kraftstoffes eine Zündung im Verdichtungsraum des Zylinders 1 erfolgt, wobei gleich nach dem Ausschieben des abgekühlten Brenngases aus dem Zylinder 11 über das Auslassventil 7 dieses wieder geschlossen wird und nach der zwischenzeitlich erfolgten Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Verdichtungsraum des Zylinders 81 das Ventil 93 geöffnet wird und die Brenngase aus dem Zylinder 81 durch den Verknüpfungskanal 14 und das Ventil 93 in den Zylinder 11 gelangen, dort den Kolben 12 beaufschlagen und einen Arbeitstakt ausführen, nach dem sich der eben beschriebene Vorgang wiederholt.
  • Denkbar ist drittens eine Brennkraftmaschine, wobei in einer Reihen-, Boxer-, V-, W, H-, Stern- oder sonstigen Anordnung weitere Überströmzylinder zu benachbarten Zylindern hinzugefügt werden wie im Übergang von den 1 zu 2 dargestellt, um größere Maschineneinheiten zu erzeugen.
  • Denkbar ist viertens eine Brennkraftmaschine, wobei die Kompression durch lineares Heben oder Senken der Nockenwellenhalterung bei der Verwendung von mindestens einem Kolbenschieberventil pro Zylinder als Schließelementen verändert wird oder die Kompression in anderen wie in der drittens erwähnten Anordnung durch lineares Heben und Senken der Nockenwellen verändert wird.
  • Denkbar ist fünftens eine Brennkraftmaschine, wobei die Füllzeitpunkte in den Zylindern 1 durch Verdrehen der Schließwinkel der Nockenwelle 23 gegenüber der Kurbelwelle 6 verändert werden oder der Schließwinkel in anderen wie in der drittens erwähnten Anordnung durch Verdrehen der Nockenwellen gegenüber den Kurbelwellen verändert wird.
  • Denkbar ist sechstens eine Brennkraftmaschine, wobei die Abscheidung von Feinstaub und Ruß durch einen Abgasturbolader mit verbundenem Zentrifugalseparator erfolgt.
  • Denkbar ist siebtens eine Brennkraftmaschine, wobei die Luft- bzw. Gasführung von laminarer Strömung durch Turbulatoren bzw. Dimples etc. in turbulente Strömung umgewandelt wird, so dass eine Verbesserung der Durchmischung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt.
  • Denkbar ist achtens eine Brennkraftmaschine, wobei die Luft- bzw. Gasführung durch durchlässige Hindernisse in der Luft- bzw. Gasströmung so umgewandelt wird, so dass eine Verbesserung der Durchmischung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt.
  • Denkbar ist neuntens eine Brennkraftmaschine, wobei Einspritzkanäle in so kurzem Abstand auf die Kolben oder andere Bauteile in den Zylindern gerichtet werden, dass sie diese treffen und die Kraftstoffstrahlen dadurch feiner zerstäubt werden.
  • Denkbar ist zehntens eine Brennkraftmaschine mit Überströmkanälen, wobei Tellerhubventile zur Steuerung des Ladungswechsels benutzt werden.
  • Denkbar ist elftens eine Brennkraftmaschine mit Überströmkanälen, wobei Kolbenschieberventile zur Steuerung des Ladungswechsels benutzt werden.
  • Denkbar ist zwölftens eine Brennkraftmaschine mit Überströmkanälen, wobei Tellerhubventile und Kolbenschieberventile zur Steuerung des Ladungswechsels benutzt werden.
  • Denkbar ist dreizehntens eine Brennkraftmaschine ohne Überströmkanäle, wobei Kolbenschieberventile zur Steuerung des Ladungswechsels benutzt werden.
  • Denkbar ist vierzehntens eine Brennkraftmaschine, wobei Tellerhubventile und Kolbenschieberventile zur Steuerung des Ladungswechsels benutzt werden.
  • Denkbar ist fünfzehntens eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse 9 mit einem ersten Zylinder 1 von dem aus im Zylinderkopf 8 ein Verbindungskanal 4 zu einem zweiten Zylinder 11 führt über den Luft, Kraftstoff-Luft-Gemische oder Brenngase nach Steuerung durch ein Ventil 3 überströmen können, wobei nach einer Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Verdichtungsraum des ersten Zylinders 1 das Überströmventil 3 geöffnet wird, danach die Brenngase teilweise in das Volumen über dem Kolben 12 im Zylinder 11 strömen, sich dabei gleichzeitig mit den Brenngasen im Zylinder 1 im Arbeitstakt ausdehnen und abkühlen sowie durch den Druck auf die obere Kolbenfläche des Kolbens 12 ein Drehmoment über den Pleuel 15 auf die den Kolben 2 und 12 und den Pleueln 5 und 15 gemeinsame Kurbelwelle 6 ausüben und anschließend nach Erreichen des unteren Totpunkts der Kurbelwelle 6 und Öffnen des Auslassventils 7 im Zylinderkopf 8 die nach dem Arbeitstakt abgekühlten Brenngase im 2. Takt durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens 12 im Zylinder 11 über das Ventil 7 aus dem Verknüpfungskanal 14 ausgeschoben werden, wobei gleichzeitig die Abgase aus dem Zylinder 1 durch die Frischluft bzw. das Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Kurbelkasten 9 über die Überströmungskanäle 95 und 73 und das geöffnete Ventil 3 in den Zylinder 11 und anschließend über den Verknüpfungskanal 14 in den Turbolader 35 befördert werden, die nun im Verdichtungsraum des Zylinders 1 enthaltene Frischluft bzw. das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird dann nach Schließen der Ventile 13 und 7 im 2. Takt im Verdichtungsraum des Zylinders 1 durch die Aufwärtsbewegung der Kolben 2 und 12 verdichtet werden und letztlich nach Schließen des Ventils 3 nahe des oberen Totpunkts das Kraftstoff-Luft-Gemisch oder bei einer Einspritzanlage nach dem Einspritzen des Kraftstoffes eine Zündung im Verdichtungsraum des Zylinders 1 erfolgt, nach welcher sich der eben beschriebene Vorgang wiederholt.
  • Denkbar ist sechzehntens eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse 9 mit einem ersten Zylinder 1 von dem aus im Zylinderkopf 8 ein Verbindungskanal 4 zu einem zweiten Zylinder 11 führt über den Luft, Kraftstoff-Luft-Gemische oder Brenngase nach Steuerung durch ein Ventil 3 überströmen können, wobei nach einer Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Verdichtungsraum und Brennraum des ersten Zylinders 1 das Überströmventil 3 geöffnet wird, danach ein Teil der Brenngase in das Volumen über dem Kolben 12 im Zylinder 11 strömt, sich dabei gleichzeitig mit den Brenngasen im Zylinder 1 im Arbeitstakt ausdehnt und abkühlt sowie durch den Druck auf die obere Kolbenfläche des Kolbens 12 eine geradlinige Kraft über den Pleuel 15 auf die den Kolben 2 und 12 und den Pleueln 5 und 15 gemeinsame Befestigungswelle 106 im Kreuzkopf 105 über den Kreuzkopfpleuel 104 auf die Kurbelwelle 6 ausüben, damit ein Drehmoment an der Kurbelwelle 6 erzeugen und anschließend nach Erreichen des unteren Totpunkts der Kurbelwelle 6, Schließen des Überströmventils 3 und Öffnen des Auslassventils 7 im Zylinderkopf 8 die nach dem Arbeitstakt abgekühlten Brenngase im 2. Takt durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens 12 im Zylinder 11 über das Ventil 7 aus dem Verknüpfungskanal 14 in den Turbolader 35 ausgeschoben werden, wobei gleichzeitig die Abgase aus dem Zylinder 1 über dem Kolben 2 durch die Frischluft bzw. das Kraftstoff-Luft-Gemisch die durch das Ventil 200 und das Ventil 101 unter den Kolben 2 und 12 in die Zylinder 1 und 11 angesaugt wurden, ausgespült werden indem sie nach Einblasen der Frischluft über die Überströmungskanäle 95 und 73 und das Ausschieben der Abgase aus dem Zylinder 1 über das geöffnete Ventil 3 und anschließend über die Kanäle 4 und 14 sowie den Auslassweg 19 in den Turbolader 35 befördert werden, die nun im Verdichtungs- und Brennraum des Zylinders 1 enthaltene Frischluft bzw. das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird dann nach Schließen der Ventile 13 und 7 im 2. Takt im Verdichtungs- und Brennraum des Zylinders 1 durch die Aufwärtsbewegung der Kolben 2 und 12 verdichtet werden und letztlich nach Schließen des Ventils 3 nahe des oberen Totpunkts das Kraftstoff-Luft-Gemisch oder bei einer Einspritzanlage nach dem Einspritzen des Kraftstoffes eine Zündung im Verdichtungsraum des Zylinders 1 erfolgt, nach welcher sich der eben beschriebene Vorgang wiederholt.
  • Denkbar ist siebzehntens eine Brennkraftmaschine, wobei mehrere Anordnungen, beispielsweise nach der fünfzehnten Ausführung, aneinandergereiht werden, um eine größere Maschineneinheit zu formen.
  • Denkbar ist achtzehntens eine Brennkraftmaschine, wobei mehrere Anordnungen gemäß der sechzehnten Ausführung aneinandergereiht werden, um eine größere Maschineneinheit zu formen.
  • Denkbar ist neunzehntens eine Brennkraftmaschine, wobei Ventile zum Einblasen und Steuern von Pressluft zum Zwecke des Anlassens der Maschine nach der fünfzehnten bis achtzehnten Ausführung vorgesehen werden.
  • Denkbar ist zwanzigstens eine Brennkraftmaschine, wobei Ventile zum Einblasen und Steuern von Pressluft zum Zwecke der Änderung der Bewegungsrichtung der Maschine nach der fünfzehnten bis neunzehnten Ausführung vorgesehen werden.
  • Denkbar ist einundzwanzigstens eine Brennkraftmaschine, wobei Kolbenschieberventile mit elliptischem oder superelliptischem Querschnitt zum Gaswechsel verwendet werden und in dazu passenden elliptischen oder superelliptischen Führungsbohrungen mit Dichtelementen aus elliptischen oder superelliptischen Kolbenringen abgedichtet werden.
  • Denkbar ist zweiundzwanzigstens eine Brennkraftmaschine, wobei Wasserstoff als Betriebsstoff verwendet wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Zylinder
    2
    Kolben
    3
    Ventil
    4
    Überströmkanal
    5
    Pleuel
    6
    Kurbelwelle
    7
    Ventil
    8
    Zylinderkopf
    9
    Kurbelkasten
    11
    Zylinder
    12
    Kolben
    13
    Ventil
    14
    Verknüpfungskanal
    15
    Pleuel
    16
    Kolbenbolzen
    17
    Einlass
    18
    Ventil
    19
    Auslassweg
    21
    Umlenkhebel
    22
    Welle
    23
    Nockenwelle
    24
    Nocken
    25
    Nocken
    26
    Nocken
    27
    Verstellschlitten
    28
    Verstellschlitten
    29
    Hydraulikzylinder
    30
    Steuerkette
    31
    Zahnrad
    32
    Zahnrad
    33
    Lager
    34
    Lager
    35
    Turbolader
    36
    Zentrifugalseparator
    40
    Kolben
    41
    Schaft
    42
    Kolbenring
    42a
    Kolbenring
    43
    Kolbenring
    44
    Kolbenring
    45
    Absatz
    46
    Ventilfeder
    47
    Tassenstößel
    48
    Rolle
    49
    Halterung
    50
    Sprengring
    51
    Seitenteil
    52
    Seitenteil
    53
    Rolle
    54
    Rolle
    55
    Rolle
    56
    Rolle
    58
    Nut
    59
    Nut
    60
    Rolle
    61
    Rolle
    62
    Rolle
    63
    Rolle
    65
    Nut
    66
    Nut
    67
    Zahnstange
    68
    Zahnstange
    71
    Zahnrad
    72
    Zahnrad
    73
    Überströmkanal
    74
    Nut
    77
    Hydraulikkolben
    78
    Gelenk
    79
    Kühlkanal
    80
    Kühlkanal
    81
    Zylinder
    82
    Kolben
    83
    Pleuel
    84
    Nocken
    85
    Nockenkurvenscheibe
    86
    Nocken
    87
    Einlass
    88
    Zylinderkopfdeckel
    89
    Auslasskanal
    91
    Kühlkanal
    92
    Kühlkanal
    93
    Ventil
    94
    Führungssteg
    95
    Überströmkanal
    96
    Rolle
    97
    Ventil
    98
    Rolle
    99
    Nut
    100
    Zylinderblock
    101
    Ventil
    102
    Dichtungen
    103
    Gleitschuh
    104
    Pleuel
    105
    Kreuzkopfe
    106
    Befestigungswelle
    197
    Ausgleichsgewicht
    198
    Ausgleichsgewichte
    199
    Deckel
    200
    Ventil

Claims (9)

  1. Brennkraftmaschine zum Betrieb in der Viertakt-Betriebsart, umfassend einen ersten Zylinder (1), der einen ersten Brennraum definiert, und einen zweiten Zylinder (11), der einen Überströmraum definiert, welche Zylinder (1, 11) über eine Überströmöffnung (4) fluidisch miteinander verbunden sind, einen ersten Kolben (2), welcher entlang einer Bewegungslängsachse im ersten Zylinder (1) beweglich ist und einen zweiten Kolben (12), welcher entlang einer Bewegungslängsachse im zweiten Zylinder (11) beweglich ist, wobei die Kolben vermittels einer Kurbelwelle (6) mechanisch miteinander verbunden sind, ein dem ersten Zylinder (1) zugeordnetes erstes Ventil (13), ein dem zweiten Zylinder (11) zugeordnetes zweites Ventil (7) und ein der Überströmöffnung (4) zugeordnetes drittes Ventil (3), wobei jedes der Ventile (3, 7, 13, 18, 93) zwischen einer einen Fluidpfad freigebenden Öffnungs- und einer diesen Fluidpfad verschließenden Schließstellung verstellbar ist, gekennzeichnet durch eine Nockenwelle (23), welche mit zumindest einem der Ventile (3, 7, 13, 18, 93) zusammenwirkend ausgebildet ist, und zumindest ein Hubmittel (27, 28), welches mit der Nockenwelle (23) zusammenwirkend ausgebildet ist, derart, dass es zur Kompressionsänderung den Abstand der Nockenwelle (23) zu zumindest einem Zylinder (1, 11, 81) verändernd ausgebildet ist.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventil (13) als Einlassventil und das zweite Ventil (7) als Auslassventil ausgebildet ist.
  3. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ausgebildet ist zum Verbrennen von brennbaren Flüssigkeiten, wie Dieselkraftstoff, Marinedieselöl, Biodiesel und/oder Ottokraftstoff, sowie von brennbaren Gasen, wie Wasserstoff, Autogas, Erdgas und/oder Holzgas.
  4. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (6) zumindest zwei Kröpfungen und eine Voreilung des zweiten Kolbens (12) vor dem ersten Kolben (2) aufweist.
  5. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil (7) derart angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass es den zweiten Zylinder (11) unmittelbar und den ersten Zylinder (1) mittelbar über das dritte Ventil (3) mit einem Verknüpfungskanal (14) fluidisch verbindet.
  6. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen dritten Zylinder (81), der einen zweiten Brennraum definiert, einen dritten Kolben (82), welcher entlang einer Bewegungslängsachse im dritten Zylinder (81) beweglich ist, wobei die Kolben (2, 12, 82) vermittels der Kurbelwelle (6) mechanisch miteinander verbunden sind, einen Verknüpfungskanal (14) über welchen der zweite Zylinder (11) fluidisch mit dem dritten Zylinder (81) verbunden ist, ein dem dritten Zylinder (81) zugeordnetes viertes Ventil (18) und ein dem Verknüpfungskanal (14) zugeordnetes fünftes Ventil (93), wobei jedes der Ventile (18, 93) zwischen einer Öffnungs- und einer Schließstellung verstellbar ist.
  7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie derart ausgebildet ist, dass nach Einspritzen von Brennstoff in den ersten Zylinder (1) und vor oder mit Zündung dieses Brennstoffs, das dritte Ventil (3) in seine Öffnungsstellung verstellt wird und/oder, dass nach Einspritzen von Brennstoff in den dritten Zylinder (81) und vor oder mit Zündung dieses Brennstoffs, das fünfte Ventil (93) in seine Öffnungsstellung verstellt wird.
  8. Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines oder mehrere der Ventile (3, 7, 13, 18, 93) gewählt sind aus der Gruppe umfassend: Tellerhubventil und Kolbenschieberventil.
  9. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, in der Viertakt-Betriebsart, wobei die Brennkraftmaschine zumindest umfasst: einen ersten Zylinder (1), der einen ersten Brennraum definiert, und einen zweiten Zylinder (11), der einen Überströmraum definiert, welche Zylinder (1, 11) über eine Überströmöffnung (4) fluidisch miteinander verbunden sind, einen ersten Kolben (2), welcher entlang einer Bewegungslängsachse im ersten Zylinder (1) beweglich ist und einen zweiten Kolben (12), welcher entlang einer Bewegungslängsachse im zweiten Zylinder (11) beweglich ist, wobei die Kolben vermittels einer Kurbelwelle (6) mechanisch miteinander verbunden sind, ein dem ersten Zylinder (1) zugeordnetes erstes Ventil (13), ein dem zweiten Zylinder (11) zugeordnetes zweites Ventil (7) und ein der Überströmöffnung (4) zugeordnetes drittes Ventil (3), wobei jedes der Ventile (3, 7, 13) zwischen einer einen Fluidpfad freigebenden Öffnungs- und einer diesen Fluidpfad verschließenden Schließstellung verstellbar ist, umfassend die folgenden Schritte: 9.1. Takt 1: 9.1.1. Verstellen des ersten Ventils (13) in seine Öffnungsstellung, 9.1.2. Verstellen des dritten Ventils (3) in seine Öffnungsstellung, 9.1.3. Verstellen des ersten Kolbens (2) in seine Abwärtsrichtung, 9.1.4. Verstellen des zweiten Kolbens (12) in seine Abwärtsrichtung, 9.1.5. dadurch Einsaugen von einem Fluid in den ersten Zylinder (1), 9.2. Takt 2: 9.2.1. Verstellen des ersten Ventils (13) in seine Schließstellung, 9.2.2. Verstellen des ersten Kolbens (2) in seine Aufwärtsrichtung, 9.2.3. Verstellen des zweiten Kolbens (12) in seine Aufwärtsrichtung, 9.2.4. Verstellen des dritten Ventils (3) in seine Schließstellung kurz bevor der zweite Kolben (12) seinen oberen Totpunkt erreicht hat, 9.2.5. Einspritzen von Kraftstoff in den ersten Zylinder (1) bevor der erste Kolben (2) seinen oberen Totpunkt erreicht hat, 9.2.6. Zündung des Fluid-Kraftstoffgemischs im ersten Zylinder (1), 9.3. Takt 3: 9.3.1. dadurch Verstellen des ersten Kolbens (2) in seine Abwärtsrichtung, 9.3.2. dadurch Verstellen des zweiten Kolbens (12) in seine Abwärtsrichtung, 9.3.3. Verstellen des dritten Ventils (3) in seine Öffnungsstellung, 9.3.4. dadurch Überströmen von zumindest einem Teil des Inhalts des ersten Zylinders (1) über die Überströmöffnung (4) in den zweiten Zylinder (11), 9.4. Takt 4: 9.4.1. Verstellen des zweiten Ventils (7) in seine Öffnungsstellung, 9.4.2. Verstellen des ersten Kolbens (2) in seine Aufwärtsrichtung, 9.4.3. Verstellen des zweiten Kolbens (12) in seine Aufwärtsrichtung, 9.4.4. dadurch Ausschieben des verbrannten Gemischs, 9.4.5. Verstellen des zweiten Ventils (7) in seine Schließstellung sobald der zweite Kolben (12) seinen oberen Totpunkt erreicht hat, und 9.4.6. Verstellen des ersten Ventils (13) in seine Öffnungsstellung sobald der erste Kolben (2) seinen oberen Totpunkt erreicht hat.
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