DE10228303A1

DE10228303A1 - Internal combustion engine with opposing primary, secondary pistons has actuator coupled to secondary cylinder to control secondary piston position depending on primary piston position

Info

Publication number: DE10228303A1
Application number: DE2002128303
Authority: DE
Inventors: Scott B Fiveland
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2003-03-20
Also published as: JP2003097305A

Abstract

The engine (10) has a combustion cylinder (26) with one end, a primary piston (18) movable reciprocally in the cylinder, a valve cover on the end of the cylinder, a secondary cylinder in the cylinder head (16), a secondary piston (22) movably reciprocally in the secondary cylinder and an actuator coupled to the secondary cylinder to control the secondary piston position depending on the primary piston position. Independent claims are also included for the following: a working machine with a frame and an internal combustion engine and a method of operating an internal combustion engine.

Description

Technical field

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbrennungsmotoren und insbesondere auf Kolbenanordnungen in Verbrennungsmotoren. The present invention relates to internal combustion engines and especially on piston assemblies in internal combustion engines.

Technischer HintergrundTechnical background

Ein Verbrennungsmotor verbrennt eine Mischung aus Brennstoff und Luft innerhalb eines oder mehrerer Verbrennungszylinder und wandelt die Energie vom Verbrennungsprozess in mechanische Ausgabeenergie um. Im Fall eines Motors mit Kurbelwelle sind einer oder mehrere Kolben in schwenkbarer Weise mit der Kurbelwelle verbunden und treiben die Kurbelwelle an. Im Fall eines Freikolbenmotors ist jeder Kolben unabhängig in einem entsprechen dem Verbrennungszylinder verschiebbar und ist mit einer sich axial erstreckenden Welle gekoppelt. An internal combustion engine burns a mixture of fuel and air within one or more combustion cylinders and converts the Energy from the combustion process to mechanical output energy. In the case A crankshaft engine has one or more pistons in it pivotally connected to the crankshaft and drive the crankshaft. in the In the case of a free piston engine, each piston is independent in one correspond to the combustion cylinder slidably and with an axially itself extending shaft coupled.

Neuere Untersuchungen bei einer Verbrennung mit homogener Ladungskompressionszündung (HCCI = Homogeneous Charge Compression Ignition) sehen vielversprechend aus, jedoch sind verschiedene Probleme mit dem HCCI-Verbrennungskonzept verbunden. Die meisten kommen von der Tatsache, dass das HCCI-Konzept zwei Aspekte der Verbrennungssteuerung aufgibt: der Zündzeitpunkt wird nicht gesteuert, und zwar weder indirekt durch Brennstoffeinspritzung in einem direkt einspritzenden Diesel-Motor (D.I.) oder direkt durch den Funken des funkengezündeten Motors (S.I.). Weiterhin wird die Wärmeabgaberate nicht durch die Brennstoffeinspritzrate bei einem direkt gezündeten Motor gesteuert, oder durch eine begrenzte turbulente Flammenfortpflanzung bei einem funkengezündeten Motor. Als eine Folge ist die Steuerung des Zündereignisses ein sehr gut bekanntes Problem bei höheren Lasten bei HCCI-Motoren. Recent investigations with a combustion with homogeneous Charge compression ignition (HCCI = Homogeneous Charge Compression Ignition) look promising, but there are various problems with it the HCCI combustion concept. Most come from the Fact that the HCCI concept is two aspects of Combustion control gives up: the ignition timing is not controlled, neither indirectly through fuel injection in a direct injection diesel engine (D.I.) or directly from the spark of the spark-ignited engine (S.I.). Furthermore, the heat release rate is not determined by the fuel injection rate controlled with a directly ignited engine, or by a limited one turbulent flame propagation in a spark ignited engine. As one As a result, the control of the ignition event is a very well known one Problem with higher loads with HCCI engines.

Gegenwärtig beruht das HCCI-Verbrennungsprinzip für Erdgas auf der Begünstigung von einer Zündung durch erhöhte Einlasssammelleitungstemperaturen. Die Simulation der Arbeit bzw. des Betriebes hat gezeigt, dass die Einspritzzeitsteuerung sehr empfindlich für Sammelleitungstemperaturen ist. Anders gesagt können kleine Störungen der Ladungstemperatur auf Grund von Veränderungen der Wärmeübertragung, der Turbulenz usw., verursachen, dass der Zündzeitpunkt um bis zu zehn Grad Kurbelwellenwinkel moduliert. The HCCI combustion principle for natural gas is currently based on the Favor of ignition by increased Intake manifold temperatures. The simulation of the work or operation has shown that the Injection timing control is very sensitive to manifold temperatures. In other words, there may be small disturbances in the charge temperature changes in heat transfer, turbulence, etc., cause the ignition timing to crank up to ten degrees modulated.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden. The present invention is directed to one or more of the above to overcome the problems outlined.

Summary of the invention

Gemäß eines Aspektes der Erfindung ist ein Verbrennungsmotor mit einem Verbrennungszylinder versehen, der ein Kopfende besitzt. Ein Primärkolben ist hin und her beweglich in dem Verbrennungszylinder angeordnet. Ein Zylinderkopf am Kopfende des Verbrennungszylinders sieht einen Sekundärzylinder in Verbindung mit dem Verbrennungszylinder vor. Ein Sekundärkolben ist hin und her beweglich in dem Sekundärzylinder angeordnet. Eine Betätigungsvorrichtung ist mit dem Sekundärkolben zur Steuerung der Position des Sekundärkolbens gekoppelt, und zwar abhängig von der Position des Primärkolbens. According to one aspect of the invention, an internal combustion engine is provided with a Provide combustion cylinder that has a head end. A primary piston is arranged to move back and forth in the combustion cylinder. On The cylinder head at the head of the combustion cylinder sees you Secondary cylinder in connection with the combustion cylinder. A secondary piston is arranged to move back and forth in the secondary cylinder. A Actuator is with the secondary piston to control the position of the secondary piston, depending on the position of the Primary piston.

Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors vorgesehen, und zwar mit den Schritten der Hin- und Herbewegung eines Primärkolbens innerhalb eines Verbrennungszylinders mit einem Kopfende; und der Hin- und Herbewegung eines Sekundärkolbens innerhalb eines zweiten Zylinders in Verbindung mit dem Verbrennungszylinder benachbart zum Kopfende, wobei die Schritte der Hin- und Herbewegung so ausgeführt werden, dass der Sekundärkolben eine Position innerhalb des Sekundärzylinders hat, die von einer Position des Primärkolbens in dem Verbrennungszylinder abhängt. According to a further aspect of the invention, a method for Operation of an internal combustion engine provided, with the steps of A primary piston reciprocates within one Combustion cylinder with a head end; and the float one Secondary piston within a second cylinder in connection with the Combustion cylinder adjacent to the head end, the steps of the rear and movement are carried out so that the secondary piston a Has position within the secondary cylinder from a position of the Primary piston in the combustion cylinder depends.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Fig. 1 ist eine teilweise bruchstückhafte Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Verbrennungsmotors der vorliegenden Erfindung in einer Arbeitsmaschine; Fig. 1 is a partially fragmentary sectional view of an embodiment of an internal combustion engine of the present invention in a work machine;

Fig. 2 ist eine Schnittansicht aufgenommen entlang der Linie 2-2 in Fig. 1; Fig. 2 is a sectional view taken along line 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer nockenbetätigungsvorrichtung, die mit dem Sekundärkolben gekoppelt ist; und Fig. 3 is a schematic representation of a cam actuating device, which is coupled to the secondary piston; and

Fig. 4 ist eine grafische Darstellung von Volumenprofilen, die mit der Bewegung der Primär- und Sekundärkolben assoziiert sind. Fig. 4 is a graphical representation of volume profiles which are associated with the movement of the primary and secondary pistons.

Detailed description

Mit Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 und 2 ist dort ein Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 10 der vorliegenden Erfindung gezeigt, der in eine Arbeitsmaschine vorgesehen ist, wie beispielsweise einem Straßenfahrzeug, einem Geländefahrzeug, einem Traktor, einen Bagger oder ähnlichem. Die Arbeitsmaschine weist einen Rahmen 12 auf, der den Verbrennungsmotor 10 trägt, wie schematisch von der gestrichelten Linie 14 gezeigt. Der Verbrennungsmotor 10 ist als kompressionsgezündeter Motor in dem gezeigten Ausführungsbeispiel angenommen und weist im allgemeinen einen Zylinderkopf 16 auf, einen Primärkolben 18, eine Ventilabdeckung 20, einen Sekundärkolben 22 und eine Betätigungsvorrichtung 24. With reference to the drawings and particularly to FIGS. 1 and 2, an embodiment of an internal combustion engine 10 of the present invention, there is shown, which is provided in a working machine such as a road vehicle, an off-road vehicle, a tractor, a backhoe or the like. The work machine has a frame 12 that supports the internal combustion engine 10 , as shown schematically by the dashed line 14 . The internal combustion engine 10 is assumed to be a compression ignition engine in the exemplary embodiment shown and generally has a cylinder head 16 , a primary piston 18 , a valve cover 20 , a secondary piston 22 and an actuating device 24 .

Der Zylinderkopf 16 definiert einen oder mehrere Verbrennungszylinder 26 und definiert typischerweise eine Vielzahl von Verbrennungszylindern, von denen nur einer für die vereinfachten Zwecke der Zeichnungen gezeigt ist. Der Verbrennungszylinder 26 weist ein Ende 28 auf, mit dem die Ventilabdeckung 20 gekoppelt ist. Der Zylinderkopf 16 ist typischerweise indirekt mit dem Rahmen 12 über Motorbefestigungen oder ähnliches verbunden, wie von der gestrichelten Linie 14 gezeigt. The cylinder head 16 defines one or more combustion cylinders 26 and typically defines a plurality of combustion cylinders, only one of which is shown for the simplified purposes of the drawings. The combustion cylinder 26 has an end 28 to which the valve cover 20 is coupled. The cylinder head 16 is typically indirectly connected to the frame 12 via engine mountings or the like, as shown by the dashed line 14 .

Der Primärkolben 18 ist hin und her beweglich innerhalb des Verbrennungszylinders 26 angeordnet und ist bewegbar zwischen einer oberen Totpunktposition benachbart zur Ventilabdeckung 20 (wie in Fig. 1 gezeigt) und einer unteren Totpunktposition am gegenüberliegenden Ende des Verbrennungszylinders 26. Der Primärkolben 18 weist eine Stange 30 auf, die damit an einer Seite gegenüberliegend zur Ventilabdeckung 20 gekoppelt ist. Im Falle eines Kurbelwellenmotors ist die Stange 30 schwenkbar mit dem Primärkolben 18 gekoppelt. Im Fall eines Freikolbenmotors ist die Stange 30 typischerweise starr mit dem Primärkolben 18 gekoppelt. The primary piston 18 is reciprocally disposed within the combustion cylinder 26 and is movable between an upper dead center position adjacent to the valve cover 20 (as shown in FIG. 1) and a lower dead center position at the opposite end of the combustion cylinder 26 . The primary piston 18 has a rod 30 , which is therefore coupled on one side opposite the valve cover 20 . In the case of a crankshaft engine, the rod 30 is pivotally coupled to the primary piston 18 . In the case of a free-piston engine, the rod 30 is typically rigidly coupled to the primary piston 18 .

Der Primärkolben 18 weist auch eine Krone 32 mit einer vordefinierten Kontur auf, die bei der Vermischung der Brennstoff- und Luftmischung hilft, die in dem Verbrennungszylinder 26 eingespritzt wird. Die spezielle Kontur der Krone 32 kann abhängig von der speziellen Anwendung variieren. Der Primärkolben 18 weist auch eine oder mehrere ringförmige Kolbenringnuten 34 innerhalb seines Aussenumfangs auf, die jeweils einen jeweiligen Kolbenring 36 tragen können. Die Kolbenringe 36 verhindern das Vorbeiblasen von Verbrennungsnebenprodukten während des Verbrennungszyklus, wie bekannt ist. Der Primärkolben 18 kann auch ohne Kolbenringnuten 34 und Kolbenring 36 konfiguriert sein, und zwar abhängig von der speziellen Anwendung. The primary piston 18 also has a crown 32 with a pre-defined contour that aids in mixing the fuel and air mixture injected into the combustion cylinder 26 . The specific contour of the crown 32 can vary depending on the specific application. The primary piston 18 also has one or more annular piston ring grooves 34 within its outer circumference, which can each carry a respective piston ring 36 . The piston rings 36 prevent combustion byproducts from blowing past during the combustion cycle, as is known. The primary piston 18 can also be configured without piston ring grooves 34 and piston ring 36 , depending on the specific application.

Die Ventilabdeckung 20 ist mit dem Zylinderkopf 16 am Ende 28 gekoppelt, wie oben beschrieben. Die Ventilabdeckung bzw. der Ventildeckel 20 bedeckt typischerweise eine Vielzahl von Verbrennungszylindern 26, es ist jedoch gezeigt, dass er nur einen einzigen Verbrennungszylinder 26 in Fig. 1 abdeckt, und zwar zu Vereinfachungszwecken. Die Ventilabdeckung 20 weist einen Sekundärzylinder 38 auf, der in Verbindung mit dem Verbrennungszylinder 26 ist. Die Ventilabdeckung 20 weist auch ein Paar von Einlassanschlüssen 40 und Auslassanschlüssen 42 auf, in denen hin und her beweglich ein entsprechendes Paar von Einlassventilen 44 und Auslassventilen 46 angeordnet ist. Die Einlassventile 44 und die Auslassventile 46 werden in bekannter Weise während des Betriebs des Verbrennungsmotors 10 betätigt, wenn sich der Primärkolben 18 zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition und umgekehrt hin und her bewegt. The valve cover 20 is coupled to the cylinder head 16 at the end 28 , as described above. The valve cover 20 typically covers a plurality of combustion cylinders 26 , but is shown to cover only a single combustion cylinder 26 in FIG. 1 for simplification purposes. The valve cover 20 has a secondary cylinder 38 that is in communication with the combustion cylinder 26 . The valve cover 20 also has a pair of inlet ports 40 and outlet ports 42 in which a corresponding pair of inlet valves 44 and outlet valves 46 are reciprocally arranged. The intake valves 44 and the exhaust valves 46 are actuated in a known manner during the operation of the internal combustion engine 10 when the primary piston 18 reciprocates between an upper dead center position and a lower dead center position and vice versa.

Der Sekundärzylinder 38 hat eine im allgemeinen zylindrische Form in dem gezeigten Ausführungsbeispiel und ist vorzugsweise im allgemeinen konzentrisch mit dem Verbrennungszylinder 26 und dem Primärkolben 18 positioniert. Es ist jedoch auch möglich, den Sekundärzylinder 38 relativ zur Längsachse des Primärkolbens 18 versetzt zu positionieren, und zwar abhängig von der speziellen Anwendung. Trotzdem ist der Sekundärzylinder 38 benachbart zum Ende 28 des Verbrennungszylinders 26 so positioniert, um das dynamische Verhalten des Strömungsmittels und die chemische Reaktivität der Mischung aus Brennstoff und Luft während des Verbrennungsprozesses zu beeinflussen, wenn der Primärkolben 18 nahe der oberen Totpunktposition ist, wie in Fig. 1 gezeigt. The secondary cylinder 38 has a generally cylindrical shape in the embodiment shown and is preferably positioned generally concentrically with the combustion cylinder 26 and the primary piston 18 . However, it is also possible to position the secondary cylinder 38 offset relative to the longitudinal axis of the primary piston 18 , depending on the specific application. Nevertheless, the secondary cylinder 38 is positioned adjacent the end 28 of the combustion cylinder 26 so as to affect the dynamic behavior of the fluid and the chemical reactivity of the fuel and air mixture during the combustion process when the primary piston 18 is near top dead center, as shown in FIG . 1.

Der Sekundärkolben 22 ist hin und her beweglich innerhalb des Sekundärzylinders 38 angeordnet und ist bewegbar zwischen einer oberen Totpunktposition benachbart zum Ende 28 des Verbrennungszylinders 26 (wie in Fig. 1 gezeigt) und einer unteren Totpunktposition am entgegengesetzten Ende des Sekundärzylinders 38. Der Sekundärkolben 22 weist eine Krone bzw. einem Mantel 48 mit einer vordefinierten Kontur auf, und zwar abhängig von der speziellen Anwendung. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Krone 48 im allgemeinen flach, kann jedoch eine gekrümmte Oberfläche oder eine zusammengesetzte Krümmung haben, und zwar abhängig von der speziellen Anwendung. Der Sekundärkolben 22 weist ein Paar von Kolbenringnuten 50 auf, die jeweils ein Paar von Kolbenringen 52 tragen. Die Kolbenringe 52 sind so konfiguriert, dass sie ein Vorbeiblasen von Verbrennungsprodukten während der Verbrennung der Mischung aus Brennstoff und Luft innerhalb des Verbrennungszylinders 26 verhindern. Eine Stange 54 ist mit dem Sekundärkolben 22 gekoppelt und ist direkt oder indirekt mit einer Betätigungsvorrichtung 24 gekoppelt, wie von der Linie 56 gezeigt. Der Sekundärkolben 22 wird innerhalb des Sekundärzylinders 38 hin und her bewegt, um den Verbrennungszeitpunkt der Brennstoff- und Luftmischung innerhalb des Verbrennungszylinders 26 zu beeinflussen, wenn sich der Primärkolben 18 zwischen einem Kompressionshub und einem Rückhub innerhalb des Verbrennungszylinders 26 bewegt. The secondary piston 22 is reciprocally disposed within the secondary cylinder 38 and is movable between an upper dead center position adjacent to the end 28 of the combustion cylinder 26 (as shown in FIG. 1) and a lower dead center position at the opposite end of the secondary cylinder 38 . The secondary piston 22 has a crown or jacket 48 with a predefined contour, depending on the specific application. In the embodiment shown, the crown 48 is generally flat, but may have a curved surface or compound curvature depending on the particular application. The secondary piston 22 has a pair of piston ring grooves 50 , each of which carries a pair of piston rings 52 . The piston rings 52 are configured to prevent combustion products from blowing past during combustion of the mixture of fuel and air within the combustion cylinder 26 . A rod 54 is coupled to the secondary piston 22 and is directly or indirectly coupled to an actuator 24 , as shown by line 56 . The secondary piston 22 is reciprocated within the secondary cylinder 38 to affect the combustion timing of the fuel and air mixture within the combustion cylinder 26 when the primary piston 18 is moving between a compression stroke and a return stroke within the combustion cylinder 26 .

Die Betätigungsvorrichtung 24 steuert die hin und her laufende Position des Sekundärkolbens 22 abhängig von einer Position des Primärkolbens 18. Die Betätigungsvorrichtung 24 kann als Nockenbetätigungsvorrichtung, als hydraulische Betätigungsvorrichtung oder als elektrische Bestätigungsvorrichtung konfiguriert sein, und zwar abhängig von der speziellen Anwendung. Wenn sie hier als Nockenbetätigungsvorrichtung (wie im allgemeinen in Fig. 3 gezeigt) konfiguriert ist, weist die Betätigungsvorrichtung 24 eine Nocke 24A mit einem flachen Nocken Profil 24B auf, welches bewirkt, dass der Sekundärkolben 22 an der oberen Totpunktposition bleibt, um dadurch an der oberen Totpunktposition für eine vorbestimmte Zeitperiode zu "hängen". Die Nocke 24A wird drehbar um eine Welle 58 angetrieben, vorzugsweise durch eine Verbindung mit einer (nicht gezeigten) Nockenwelle, die mit dem Primärkolben 18 assoziiert ist, um die Nocke 24A abhängig von der Bewegung des Primärkolben des 18 zu drehen. The actuator 24 controls the reciprocating position of the secondary piston 22 depending on a position of the primary piston 18 . Actuator 24 may be configured as a cam actuator, hydraulic actuator, or electrical actuator, depending on the particular application. Here, when configured as a cam actuator (as generally shown in FIG. 3), actuator 24 has cam 24 A with a flat cam profile 24 B, which causes secondary piston 22 to remain at top dead center position, thereby to "hang" at top dead center position for a predetermined period of time. The cam 24 A is rotatably driven about a shaft 58, preferably to rotate dependent through a connection to a camshaft (not shown) associated with the primary piston 18 to the cam 24A of the movement of the primary piston of the eighteenth

Wie oben gezeigt, kann die Betätigungsvorrichtung 24 auch als hydraulische Betätigungsvorrichtung konfiguriert sein. Wenn sie als hydraulische Betätigungsvorrichtung konfiguriert ist, wirkt die Welle 54 somit als Stößelwelle zur Hin- und Herbewegung des Sekundärkolbens 22 zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition. Wenn sie als hydraulische Betätigungsvorrichtung konfiguriert ist, wird klar sein, dass der Sekundärkolben 20 auf oder über irgendeine erwünschte Stelle innerhalb des Sekundärzylinders 38 bewegt werden kann. Somit kann die obere Totpunktposition und die untere Totpunktposition des Sekundärkolbens 22 variieren. Durch Variieren der oberen Totpunktposition des Sekundärkolbens 22 kann das effektive Verdichtungsverhältnis des Primärkolbens 18 und der Verbrennungskammer 26 genauso variieren. As shown above, actuator 24 may also be configured as a hydraulic actuator. Thus, when configured as a hydraulic actuator, the shaft 54 acts as a ram shaft for reciprocating the secondary piston 22 between an upper dead center position and a lower dead center position. If configured as a hydraulic actuator, it will be appreciated that the secondary piston 20 can be moved to or over any desired location within the secondary cylinder 38 . Thus, the top dead center position and the bottom dead center position of the secondary piston 22 can vary. By varying the top dead center position of the secondary piston 22 , the effective compression ratio of the primary piston 18 and the combustion chamber 26 can vary as well.

In dem in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel haben der Sekundärkolben 22 und der Sekundärzylinder 38 jeweils eine im allgemeinen zylindrische Form (d. h. eine im allgemeinen kreisförmige Querschnittsform). Abhängig von der speziellen Anwendung jedoch kann es auch möglich sein, den Sekundärkolben 22 und den Sekundärzylinder 38 mit einer anderen Querschnittsform zu konfigurieren, während man immer noch eine effektive Hin- und Herbewegung des Sekundärkolbens in den Sekundärzylinder gestattet. In the embodiment shown in FIGS. 1-3, the secondary piston 22 and the secondary cylinder 38 each have a generally cylindrical shape (ie, a generally circular cross-sectional shape). However, depending on the particular application, it may also be possible to configure the secondary piston 22 and the secondary cylinder 38 with a different cross-sectional shape while still allowing the secondary piston to effectively reciprocate into the secondary cylinder.

Industrial applicability

Während des Gebrauches wird der Primärkolben 18 innerhalb der Brennkammer 26 zwischen einer unteren Totpunktposition und einer oberen Totpunktposition hin- und herbewegt, wie in Fig. 1 gezeigt, und auch umgekehrt. Wenn sich der Primärkolben 18 von der unteren Totpunktposition zur oberen Totpunktposition bewegt, werden die Einlassventile 44 betätigt, um Verbrennungsluft und/oder eine Mischung aus Luft und Brennstoff in den Verbrennungszylinder 26 zu ziehen. Eine getrennte (nicht gezeigte) Brennstoffeinspritzvorrichtung kann auch vorgesehen werden. Wenn der Primärkolben 18 auf oder nahe der oberen Totpunktposition ist, und vorzugsweise kurz vor der oberen Totpunktposition ist, wird der Sekundärkolben 22 genauso betätigt und zur oberen Totpunktposition benachbart zum Kopfende 28 des Verbrennungszylinders 26 bewegt. Dies bewirkt in wirkungsvoller Weise eine schnelle Verringerung der Volumengröße der Brennkammer innerhalb des Verbrennungszylinders 26 zwischen dem Primärkolben 18 und der Ventilabdeckung 20. Im Falle der Kompressionszündung wird ausreichend Energie auf die Brennstoff- und Luftmischung innerhalb des Verbrennungszylinders 26 aufgeprägt, um zu bewirken, dass die Brennstoff- und Luftmischung verbrennt. Der Sekundärkolben 22 wird vorzugsweise an der oberen Totpunktposition für eine vorbestimmte Zeitperiode gehalten, um das Volumen der Brennkammer innerhalb des Verbrennungszylinders 26 auf einem Minimum zu halten. Wenn die Betätigungsvorrichtung 24 als Nockenbetätigungsvorrichtung aufgebaut ist, wird dies durch ein flaches Nockenprofil 24B der Nocke 24A erreicht. Wenn sie als hydraulische Betätigungsvorrichtung konfiguriert ist, wird der Sekundärkolben 22 einfach auf der oberen Totpunktposition gehalten, und zwar durch Aufbringen eines ausreichenden Hydraulikdruckes auf die Stange 54. In use, the primary piston 18 is reciprocated within the combustion chamber 26 between a bottom dead center position and a top dead center position, as shown in FIG. 1, and vice versa. When the primary piston 18 moves from the bottom dead center position to the top dead center position, the intake valves 44 are actuated to draw combustion air and / or a mixture of air and fuel into the combustion cylinder 26 . A separate fuel injector (not shown) can also be provided. When the primary piston 18 is at or near the top dead center position, and preferably is just before the top dead center position, the secondary piston 22 is actuated in the same manner and moved to the top dead center position adjacent to the head end 28 of the combustion cylinder 26 . This effectively causes a rapid reduction in the volume size of the combustion chamber within the combustion cylinder 26 between the primary piston 18 and the valve cover 20 . In the case of compression ignition, sufficient energy is applied to the fuel and air mixture within the combustion cylinder 26 to cause the fuel and air mixture to burn. The secondary piston 22 is preferably held at top dead center position for a predetermined period of time to keep the volume of the combustion chamber within the combustion cylinder 26 to a minimum. If the actuating device 24 is constructed as a cam actuating device, this is achieved by a flat cam profile 24 B of the cam 24 A. When configured as a hydraulic actuator, the secondary piston 22 is simply held at the top dead center position by applying sufficient hydraulic pressure to the rod 54 .

Nach der Verbrennung wird der Primärkolben 18 von der oberen Totpunktposition zu unteren Totpunktposition bewegt. Der Sekundärkolben 22 wird gleichzeitig zu seiner unteren Totpunktposition bewegt, um in wirkungsvoller Weise die Volumenfläche bzw. das Volumengebiet der Brennkammer innerhalb des Verbrennungszylinders 26 zu steigern. Im Falle einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung 24 kann die untere Totpunktposition des Sekundärkolbens 22 auch variiert werden, um wiederum das Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors 10 zu variieren. Das Verfahren wiederholt sich für jeden Zyklus des Primärkolbens 18 zwischen der oberen Totpunktposition und der unteren Totpunktposition und umgekehrt. Der Sekundärkolben kann auf die untere Totpunktposition bewegt werden und dann am Platz gehalten werden, um das Verdichtungsverhältnis zwischen den Zyklen zu verändern. After combustion, the primary piston 18 is moved from the top dead center position to the bottom dead center position. The secondary piston 22 is simultaneously moved to its bottom dead center position in order to effectively increase the volume area or the volume area of the combustion chamber within the combustion cylinder 26 . In the case of a hydraulic actuation device 24 , the bottom dead center position of the secondary piston 22 can also be varied in order in turn to vary the compression ratio of the internal combustion engine 10 . The process repeats for each cycle of the primary piston 18 between the top dead center position and the bottom dead center position and vice versa. The secondary piston can be moved to the bottom dead center position and then held in place to change the compression ratio between the cycles.

Wenn der Primärkolben 18 sich zur unteren Totpunktposition bewegt, werden die Auslassventile 46 betätigt, um zu gestatten, das Abgas aus der Brennkammer innerhalb des Verbrennungszylinders 26 austritt. When the primary piston 18 moves to the bottom dead center position, the exhaust valves 46 are actuated to allow the exhaust gas to exit the combustion chamber within the combustion cylinder 26 .

Mit Bezug auf Fig. 4 ist eine grafische Darstellung der Volumenprofile des Verbrennungszylinders 26, des Sekundärzylinders 38 und eines Überlagerungs- bzw. Superpositionsvolumens gezeigt, das von dem Sekundärkolben verursacht wird. Wie es offensichtlich ist, tritt eine schnelle Veränderung des Volumens der Brennkammer innerhalb des Verbrennungszylinders 26 benachbart zur Krone 32 des Primärkolbens 18 auf, wenn der Sekundärkolben 22 betätigt wird und zur oberen Totpunktposition hin bewegt wird. Durch Variieren der Zeitsteuerung des Sekundärkolbens 22 ist es möglich, genauso den Zeitpunkt zu variieren, während dem die Verbrennungssequenz innerhalb des Verbrennungszylinders 26 auftritt. Vorzugsweise wird der Sekundärkolben 22 so betätigt, dass die Verbrennung der Mischung aus Brennstoff und Luft geringfügig nach der oberen Totpunktposition des Primärkolbens 18 auftritt, wie durch die geringfügige Verschiebung der kombinierten Spur genau nach dem Kurbelwellenwinkel von 0° (d. h. genau nach der oberen Totpunktposition des Primärkolbens 18 angezeigt), wie in Fig. 4 gezeigt. Somit ist es möglich, indirekt die Verbrennungssequenz der Mischung aus Brennstoff und Luft innerhalb des Verbrennungszylinders 26 unter Verwendung des Sekundärkolbens 22 zu steuern. With reference to FIG. 4 is a graphical representation of the volume sections of the combustion cylinder 26 of the secondary cylinder 38 and an overlay or superposition volume is shown which is caused by the secondary piston. As is apparent, a rapid change in the volume of the combustion chamber within the combustion cylinder 26 occurs adjacent the crown 32 of the primary piston 18 when the secondary piston 22 is actuated and moved to the top dead center position. By varying the timing of the secondary piston 22 , it is also possible to vary the time at which the combustion sequence occurs within the combustion cylinder 26 . Preferably, the secondary piston 22 is actuated so that the combustion of the mixture of fuel and air occurs slightly after the top dead center position of the primary piston 18 , as by the slight displacement of the combined track exactly after the crankshaft angle of 0 ° (ie exactly after the top dead center position of the Primary piston 18 displayed), as shown in Fig. 4. It is thus possible to indirectly control the combustion sequence of the mixture of fuel and air within the combustion cylinder 26 using the secondary piston 22 .

Die vorliegende Erfindung sieht einen Sekundärkolben vor, der hin und her beweglich innerhalb eines zweiten Zylinders auf oder nahe einer oberen Totpunktposition eines Primärkolbens in einem Verbrennungszylinders angeordnet ist. Die Hin- und Herbewegung des Sekundärkolbens wird so gesteuert, dass indirekt die Zündungssequenz der Mischung von Brennstoff und Luft innerhalb des Verbrennungszylinders 26 gesteuert wird. Es ist somit möglich, Einspritzereigenisse auf einem Zeitpunkt geringfügig nach der oberen Totpunktposition des Primärkolbens 18 zubewegen. Das Zylinderventil kann während des Zyklus oder zwischen den Zyklen verändert werden. Durch Steuerung der Position des Sekundärkolbens 22 kann darüber hinaus das Verdichtungsverhältnis gesteigert werden, und zwar nur dadurch begrenzt, was an der oberen Totpunktposition durch den Sekundärkolben 22 eingerichtet werden kann. Die Einlasstemperaturen werden geringfügig verringert, da der Sekundärkolben 22 die entflammbaren Zustände bzw. Verbrennungsbedingungen direkt nach der oberen Totpunktposition des Primärkolbens 18 begünstigt. Die Leistung, die eine lineare Veränderung des volumetrischen Wirkungsgrades ist, wird somit verbessert. Es ist auch möglich, eine magerere Mischung aus Brennstoff und Luft zu verwenden, die wiederum die Verbrennungstemperatur innerhalb des Verbrennungszylinders 26 verringert. Somit wird die NOx-Produktion auf äquivalente Verhältnisse in der Größenordnung von 0,4 verringert. Niedrigere Temperaturen haben auch ein hohes effektives spezifisches Wärmeverhältnis mit verbessertem thermischen Wirkungsgrad zur Folge. Die magerere vorgemischte Verbrennung bewirkt weiter eine geringere Rußbildung. Das Volumenprofil, das mit der Bewegung des Sekundärkolbens 22 assoziiert ist, verhindert, das Zustände die Schwelle von 1100°K überschreiten, die typisch für Methan-Brennstoff ist, und zwar vor dem oberen Todpunkt. Durch Übereinanderlage des Volumenprofils des Sekundärkolbens mit dem Volumenprofil des Primärkolbens, so dass der Sekundärkolben 22 auf der oberen Totpunktposition für eine vorbestimmte flache Haltezeit bleibt, bleibt die Mischung aus Brennstoff und Luft längere Zeit in der Steuerung der Zündung, was verringerte Fehlzündungen zur Folge hat. The present invention provides a secondary piston that is reciprocally disposed within a second cylinder at or near a top dead center position of a primary piston in a combustion cylinder. The reciprocation of the secondary piston is controlled to indirectly control the firing sequence of the mixture of fuel and air within the combustion cylinder 26 . It is thus possible to move injection events slightly at a point in time after the top dead center position of the primary piston 18 . The cylinder valve can be changed during the cycle or between cycles. By controlling the position of the secondary piston 22 , the compression ratio can also be increased, and only limited by what can be set up by the secondary piston 22 at the top dead center position. The inlet temperatures are slightly reduced because the secondary piston 22 favors the flammable conditions or combustion conditions directly after the top dead center position of the primary piston 18 . The performance, which is a linear change in volumetric efficiency, is thus improved. It is also possible to use a leaner mixture of fuel and air, which in turn reduces the combustion temperature within the combustion cylinder 26 . Thus, NOx production is reduced to equivalent ratios on the order of 0.4. Lower temperatures also result in a high effective specific heat ratio with improved thermal efficiency. The leaner premixed combustion also causes less soot formation. The volume profile associated with the movement of the secondary piston 22 prevents conditions from exceeding the 1100 ° K threshold that is typical of methane fuel before top dead center. By overlaying the volume profile of the secondary piston with the volume profile of the primary piston so that the secondary piston 22 remains at the top dead center position for a predetermined flat hold time, the mixture of fuel and air remains in control of the ignition for a longer time, which results in reduced misfires.

Andere Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden. Other aspects, objects, and advantages of this invention can be derived from one Study of the drawings, the disclosure and the appended claims be preserved.

Claims

1. internal combustion engine, comprising:
a combustion cylinder with one end;
a primary piston movably reciprocally disposed within the combustion cylinder;
a valve cover on the end of the combustion cylinder, the cylinder head having a secondary cylinder in communication with the combustion cylinder;
a secondary piston reciprocally disposed within the secondary cylinder; and
an actuator coupled to the secondary piston to control a position of the secondary piston depending on a position of the primary piston.

2. Internal combustion engine according to claim 1, wherein the Actuator either a cam actuator or a Solenoid actuator or a hydraulic Has actuating device.

3. Internal combustion engine according to claim 2, wherein the Actuator a cam actuator with a flat Has cam profile.

4. Internal combustion engine according to claim 1, wherein the secondary piston has a generally cylindrical shape.

5. Internal combustion engine according to claim 4, wherein the secondary piston at least one piston ring groove and at least one piston ring has, which is carried in the piston ring groove mentioned.

6. Internal combustion engine according to claim 1, wherein the cylinder head has at least one inlet valve and at least one outlet valve.

7. Working machine which has the following:
a frame; and
an internal combustion engine carried by the frame, the internal combustion engine comprising:
a combustion cylinder;
a primary piston movably reciprocally disposed within the combustion cylinder;
a cylinder head at one end of the combustion cylinder, the cylinder head having a secondary cylinder in communication with the primary cylinder;
a secondary piston reciprocally disposed within the secondary cylinder; and
an actuator coupled to the secondary piston to control a position of the secondary piston depending on a position of the primary piston.

8. Working machine according to claim 7, wherein the actuating device either a cam actuator or a hydraulic one Has actuating device.

9. Working machine according to claim 8, wherein the actuating device a cam actuator with a flat cam profile having.

10. A method for operating an internal combustion engine, comprising the following steps:
One end reciprocating primary piston within a combustion cylinder; and
Reciprocating a secondary piston within a secondary cylinder in communication with the combustion cylinder adjacent the end, the reciprocating step being performed so that the secondary piston has a position within the secondary cylinder that is from a position of the primary piston within the combustion cylinder is dependent.

11. The method of claim 10, wherein the step of reciprocating Movement of the primary piston the movement of the primary piston on a has top dead center position within the combustion cylinder, and the combustion of a mixture of fuel and air inside the combustion cylinder when the primary piston is on or is near the top dead center position.

12. The method of claim 11, wherein the step of reciprocating Movement of the secondary piston the movement of the secondary piston to an upper dead center position within the secondary cylinder includes when the primary piston is on or near the corresponding one top dead center position.

13. The method of claim 12, wherein the substep of combustion occurs when the primary piston is slightly after the corresponding top dead center position.

14. The method of claim 11, wherein the substep of combustion into the combustion of the fuel and air mixture on one Has temperature below 1700 ° K.

15. The method of claim 14, wherein the substep of combustion the combustion of the fuel and air mixture on one Temperature below 1100 ° K.

16. The method of claim 11, wherein the substep of combustion the combustion of the fuel and air mixture Compression ignition or compression ignition.

17. The method of claim 10, wherein the step of reciprocating Movement of the secondary piston with one Running the cam actuator, which is coupled to the secondary piston and has a flat cam profile with an upper dead center position of the secondary piston is associated.

18. The method of claim 10, wherein the step of reciprocating Movement of the secondary piston with a hydraulic Actuating device is carried out, which is coupled to the secondary piston, wherein the hydraulic actuator the primary piston and the combustion cylinder with a variable compression or Compression ratio provides.

19. The method of claim 18, including the substep of holding the Secondary piston at the top dead center position mentioned includes when the primary piston is on or near a corresponding one top dead center position.

20. The method of claim 10, comprising the step of Provide valve cover at the end, the valve cover the Includes secondary cylinder.