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Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine
gemäß dem Oberbegriff
des Hauptanspruchs sowie ein Verfahren zur Steuerung einer erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschine.
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Aus der
DE 100 04 103.5 A1 ist
eine gattungsgemäße Hubkolbenbrennkraftmaschine
bekannt, bei der im Zylinderkopf ein Auslassventil angeordnet ist
und die Beschickung der Arbeitskammer mit Frischladung ausschließlich von
der zwischen dem Kolben und der Trennwand ausgebildeten Frischladungskammer
her erfolgt. Die Maschine arbeitet nach dem Zweitakt-Prinzip.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
nach dem Viertakt-Prinzip arbeitende Brennkraftmaschine zu schaffen,
die bei verhältnismäßig kleinem
Hubraum ein hohes Drehmoment entwickelt und komfortabel läuft.
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Diese Aufgabe wird mit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine
gemäß dem Anspruch
1 gelöst.
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Die Frischladungskammer ist bei der
erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschine
als eine integrierte Aufladeeinrichtung nutzbar, indem jeweils zum
Ende eines Ansaughubs, in dem durch das Einlassventil hindurch frische
Ladung angesagt wurde, aus der Frischladungskammer komprimierte Frischladung
in die Arbeitskammer überströmt und zusätzlich als
Ladung zur Verfügung
steht. Die Nutzung dieser integrierten Aufladeeinrichtung ist an
die jeweiligen Betriebszustände
anpassbar, sodass Drehmomenterhöhungen
erzielbar sind und für
die Abgasnachbehandlung sowie eine integrierte Abgasrückführung nutzbare
Möglichkeiten
zur Verfügung stehen.
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Die Unteransprüche 2 bis 5 sind auf vorteilhafte
Ausführungsformen
und Weiterbil dungen der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschine gerichtet.
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Die Ansprüche 6 bis 9 kennzeichnen vorteilhafte
Durchführungsformen
von erfindungsgemäßen Verfahren
zur Steuerung der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschine.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer
Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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Es stellen dar:
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1 einen
Schnitt durch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine;
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2 einen
Schnitt durch die Brennkraftmaschine gemäß II – II in 1 und
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3 einen
Schnitt ähnlich
der 2 einer abgeänderten
Ausführungsform
eines Kurbeltriebs.
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Gemäß 1 arbeitet in einem Zylinder 2 einer
Brennkraftmaschine ein Kolben 4 unter Bildung einer Arbeitskammer 6 zwischen
dem Kolben 4 und dem Zylinder 2. Im Kopf 8 des
Zylinders sind in an sich bekannter Weise wenigstens ein Einlassventil 10 und
wenigstens ein Auslassventil 11 angeordnet, die die Strömung durch
einen Einlaßkanal 12 und
einen Auslasskanal 13 steuern.
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Der Kolben 4 ist mit einem
Schaft 14 ausgebildet, der sich zwischen zwei Kurbelwellen 16 und 18 hindurch
erstreckt und in einem Tragteil 20 endet, das vorteilhafterweise
in einem Zylinderansatz 22 eines insgesamt mit 24 bezeichneten
Motorgehäuses geführt ist,
wobei die Achse des Zylinderansatzes 22 mit der des Zylinders 2 zusammenfällt. Das
Tragteil 20 ist über
außerhalb
der Zylinderachse zueinander symmetrisch angeordnete Pleuel 26 und 28 mit
je einer der Kurbelwellen 16 und 18 verbunden.
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2,
die einen Schnitt in der Ebene II – II in 1 zeigt, stellt eine vorteilhafte Ausführungsform der
Kurbelwellen 16 und 18 dar. Jede der Kurbelwellen 16 und 18 besteht
aus einem Scheibenpaar mit je zwei Scheiben 30,32 und 34,36,
die über
je eine im Motorgehäuse
gelagerte Welle 38,40 fest miteinander verbunden
sind. Die Scheibenpaare sind über eine
an wenigstens je einer der Scheiben ausgebildete Außenverzahnung 42,44 in
gegenseitigem Dreheingriff, so dass sie mit gleicher Drehzahl, aber gegensinnig
drehen. Die Anordnung ist insgesamt symmetrisch zur Zylinderachse,
in der sich der Schaft 14 zwischen den Scheiben hindurch
erstreckt. Jede Scheibe weist einen Pleuelzapfen 46 auf,
an dem die in 2 nicht
dargestellten Pleuel 26 und 28 gelagert sind.
Somit ist das Tragtei120 und damit der Kolben 4 über vier
Pleuel mit dem Kurbeltrieb verbunden.
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3 zeigt
eine gegenüber 2 abgeänderte Ausführungsform eines Kurbeltriebs.
Die beiden Scheiben 30, 32 bzw. 34, 36 eines
Scheibenpaares sind dabei jeweils über einen exzentrisch angeordneten
Kurbelzapfen 461 bzw. 462 drehfest miteinander verbunden und
sind an dem Motorgehäuse mittels
konzentrisch an ihnen angeordneten Wellenstummeln 381 382 bzw. 401 402 gelagert.
Bei dem Kurbeltrieb gemäß 3 ist somit jede Kurbelwelle 16 bzw. 18 nur über ein
Pleuel, dass am Pleuelzapfen 461 bzw. 462 gelagert ist, mit dem Tragteil 20 verbunden.
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Die Pleuel 26 und 28 werden
bei der beschriebenen Konstruktion, bei der sie auf der vom Kolben
abgewandten Seite der Kurbelwellen 16 und 18 mit
dem Kolben 4 bzw. dessen Schaft 14 verbunden sind,
mit Ausnahme im Schubbetrieb des Motors oder beim Ansaughub nur
auf Zug beansprucht, so dass sie, da die erforderliche Druck- oder
Knickfestigkeit nicht sehr hoch ist, als einfache Zugstreben in Form
beispielsweise flacher Stanzteile mit abgewinkeltem Querschnitt
ausgebildet sein können.
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Das Tragteil 20 ist bei
der Ausführungsform gemäß 1 nicht als in sich geschlossene
Scheibe ausgebildet, die den gesamten Querschnitt des Zylinderansatzes 22 ausfüllt, sondern
derart, daß bei
einer Auf- und Abwärtsbewegung
des Tragteils 20 die im Kurbelraum befindliche Luft ohne
Strömungsverluste das
Tragteil 20 umströmen kann.
Die Führung
des Tragteils 20 im Zylinderansatz 22 ist nicht
zwingend, da das Tragteil 20 und damit der Schaft 14 durch
ihre gelenkige Verbindung mit den Scheiben linear (gem. 1 vertikal) geführt sind.
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Der Zylinder 2 ist zu dem
Kurbeltrieb hin durch eine Trennwand 48 abgeschlossen,
durch die sich der Schaft 14 abdichtend geführt hindurch
erstreckt. Zwischen dem Kolben 4 und der Trennwand 48 ist
eine Frischluftkammer 50 gebildet, deren Volumen im unteren
Totpunkt minimal ist.
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Im Bereich des unteren Totpunkt des
Kolbens 4 ist außen
um den Zylinder 2 herum ein Ringraum 52 gebildet,
der über,
bezogen auf den unteren Totpunkt des Kolbens 4, unterhalb
des Kolbens befindliche radiale Durchlaßöffnungen 54 und oberhalb
des Kolbens 4 befindlichen radiale Durchlaßöffnungen 56 mit
der Frischluftkammer 50 bzw. der Arbeitskammer 6 verbunden
ist. Eine Einlaßöffnung 58 in
den Ringraum 52, die an einen weiteren Einlaßkanal 60 angeschlossen
ist, ist mittels eines Zuströmventils 62 öffnen- und
schließbar.
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Die Funktion der beschriebenen Hubkolbenbrennkraftmaschine
ist folgende:
Für
das bzw. die Einlassventile 10 und das bzw. die Auslassventile 11 wird
eine herkömmliche
Steuerung, beispielsweise von einer oder mehreren, von dem Kurbeltrieb
her angetriebenen Nockenwellen mit oder ohne eine Einrichtung zur
Phasenverstellung oder ein eigener Antrieb, beispielsweise hydraulisch, elektromechanisch
usw., ohne direkte Kopplung mit dem Kurbeltrieb angenommen, die
bzw. der die Maschine im Viertakt-Verfahren arbeiten läßt.
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Es sei angenommen, der Kolben 4 befindet sich,
wie dargestellt, am Ende eines Ansaughubs bei noch offenen Einlassventil 10 und
geschlossenem Auslassventil 11. Während des Ansaughubs wurde
in der Frischladungskammer 50 befindliche frische Ladung
bzw. Luft bei geschlossenem Zuströmventil 62 komprimiert.
Wenn der Kolben 4 die oberen Durchlaßöffnungen 56 gegen
Ende des Ansaughubs überfährt, gibt
er die Verbindung des Ringraumes 52 mit der Arbeitskammer 6 und
damit einen Überströmpfad von
der Frischladungskammer 50 durch die unteren Durchströmöffnungen 54,
den Ringraum 52 und die oberen Durchströmöffnungen 56 in die
Arbeitskammer 6 frei, so dass die komprimierte Luft bzw.
Ladung aus der Frischladungskammer 50 in die Arbeitskammer 6 strömt und die
dort befindliche, durch das Einlassventil 10 hindurch angesaugte
Ladung vergrößert.
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Nach Beginn des folgenden Verdichtungshubs überfährt der
Kolben 4 die Verbindungsöffnungen 56, so dass
die Frischladungskammer 50 von der Arbeitskammer 6 getrennt
ist und bei geschlossenem Einlassventil 10 die in der Arbeitskammer 6 befindliche
große
Ladungsmenge verdichtet wird und dabei gleichzeitig in die Frischladungskammer 50 bei
nunmehr geöffnetem
Zuströmventil 62 frische
Ladung eingesaugt wird.
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Im Bereich des oberen Totpunktes
des Kolbens 4 wird die komprimierte Ladung in der Arbeitskammer 6,
beispielsweise von einer Zündkerze,
die in die Arbeitskammer einragt, gezündet, woraufhin der Arbeitstakt
beginnt. Wenn die Maschine als Ottomotor ausgebildet ist, können Einspritzventile
beispielsweise im Einlaßkanal 12 vor
dem Einlassventil 10 und gegebenenfalls zusätzlich im
Ringraum 52 stromabwärts
des Zuströmventils 62 angeordnet sein.
Wenn die Maschine als Ottomotor mit Direkteinspritzung ausgebildet
ist, ist wenigstens ein Kraftstoffeinspritzventil im Zylinderkopf
angeordnet und spritzt Kraftstoff direkt in die Arbeitskammer 6 ein. Das
gleiche gilt, wenn die Maschine als direkteinspritzender Dieselmotor
ausgebildet ist, wobei dann die Zündkerze fehlt und durch eine
Glühkerze
ersetzt sein kann.
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Während
des Arbeitstaktes bewegt sich der Kolben 4 unter Arbeitsleistung
nach unten, wobei die in der Frischladungskammer 50 befindliche
Luft bei nunmehr wieder geschlossenem Zuströmventil 62 komprimiert
wird.
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Kurz vor Ende des Arbeitstaktes öffnet das Auslassventil 11,
so dass die verbrannte Ladung ausströmt. Sobald der Kolben 4 die
oberen Durchströmöffnungen 56 wieder um überfahren
hat, kann die komprimierte Frischluft aus der Frischladungskammer 50 in
die Arbeitskammer 6 entweichen und das Ausstoßen der
verbrannten Ladung unter gleichzeitiger Sauerstoffanreicherung unterstützen, wobei
die Sauerstoffanreicherung eine nachfolgende Abgasnachbehandlung
günstig
beeinflussen kann. Wenn der Kolben im Ausstoßtakt seinen oberen Totpunkt erreicht
hat, schließt
das Auslassventil 11 und das Einlassventil 10 öffnet, so
dass die beschriebenen Takte erneut ablaufen.
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Die beschriebene Funktion bezog sich
auf die unter Vollast laufende, das heißt mit höchstem Drehmoment und höchster Füllung betriebene Brennkraftmaschine.
Bei Teillastbetrieb ist keine zusätzliche Füllung der Arbeitskammer 6 am
Ende eines Ansaughubs von der Frischladungskammer 50 her
erforderlich, so dass bereits während
des Ausstoßtaktes
das Zuströmventil 62 vorzeitig
geschlossen werden kann, so dass weniger Frischluft in die Frischladungskammer 50 eingesaugt
wird, oder aber das Zuströmventil 62 auch
beim Ansaugtakt geöffnet bleibt,
so dass in der Frischladungskammer 50 befindliche Luft
durch die Einlaßöffnung 58 wieder
ausströmt.
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Auch am Ende des Arbeitstaktes kann
es nicht zwingend erforderlich oder sogar vorteilhaft sein, dass
aus der Frischluftkammer 50 keine Frischluft in die verbrannte
Ladung überströmt, da die
Ladung dadurch abgekühlt
wird, was unter bestimmten Betriebsbedingungen für ihre Nachbehandlung nachteilig
sein kann. In diesem Fall wird das Zuströmventil 62 derart
betätigt,
daß während des
Verdichtungsschubs keine oder nur wenig Frischluft in die Frischladungskammer 50 eingesaugt
wird oder aber das Zuströmventil 62 während des
Arbeitstaktes offen bleibt, so dass keine Frischluft verdichtet
wird, sondern die Frischluft zurück
in den Einlaßkanal 60 strömt.
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Es versteht sich, daß das Zuströmventil 62 für eine optimale
Anpassung des Betriebs der " integrierten " Aufladung mittels der
Frischladungskammer 50 vorteilhaft frei steuerbar ist,
indem es beispielsweise als Magnetventil ausgebildet ist, das von einem
entsprechenden Steuergerät
rasch geöffnet und
geschlossen werden kann.
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Durch zweckentsprechende Steuerung
des Zuströmventils 62 kann
der Motor derart betrieben werden, dass beim Überfahren der oberen Durchlaßöffnungen 56 durch
den Kolben 4 Abgas aus der Arbeitskammer 6 in
den Ringraum 52 bzw. die Frischladungskammer 50 gedrückt wird
und, bevor der Kolben 4 die Durchlaßöffnungen 56 bei seiner
Aufwärtsbewegung
wiederum überstreicht,
zumindest teilweise in die Arbeitskammer 6 zurückströmt, so dass
die Abgasmenge, die in der Arbeitskammer 6 verbleibt, durch
die Steuerung des Zuströmventils 62 beeinflußbar ist.
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Der beschriebene Motor hat zahlreiche
weitere Vorteile:
In Folge der Trennung des Kurbelraums von
der Arbeitskammer 6 durch die Trennwand 48 und
die an diese anschließende
Frischladungskammer 50 bleiben der Kurbelraum und die in
ihm angeordneten Bauteile weitgehend kalt. Dadurch ist es möglich, die Teile
des Kurbeltriebs aus nicht warmfesten Leichtbauwerkstoffen oder
auch aus Kunststoff, beispielsweise in Form einfacherer Spritzteile,
herzustellen, wodurch Gewicht und Kosten gespart werden können.
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Des weiteren ist es durch die niederen
Temperaturen im Kurbelraum möglich,
einfache, umweltverträgliche
Schmiermittel, beispielsweise wässrige Dispersionen,
zu verwenden oder durch entsprechende Werkstoffpaarungen schmiermittellos
zu arbeiten oder selbstschmierende Rollenlager oder andere Lager
zu verwenden.
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Infolge der niederen Temperaturen
kann eine Lichtmaschine und/oder ein Anlasser unmittelbar in den
Kurbeltrieb integriert werden, was Bauraum und Bauteile spart.
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Ein weiterer Vorteil des geschilderten
Motors, bei dem der Kolben linear geführt ist und nicht verkippen
kann, liegt darin, dass außerordentlich
einfache, im wesentlichen hemdlose Kolbenkonstruktionen möglich sind.
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Die beschriebene Brennkraftmaschine
kann in vielfältiger
Weise abgeändert
werden.
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Beispielsweise können die Durchlaßöffnungen 56 und 58 durch
die in der Innenwand des Zylinders ausgebildete Nuten ersetzt sein,
die vom Kolben 4 in dessen unterem Totpunkt überfahren
werden und die Frischladungskammer dann mit der Arbeitskammer 6 verbinden.
In diesem Fall kann der Ringraum entfallen und die Frischladungskammer 50 kann durch
die Trennwand 48 hindurch mit dem Einlaßkanal 60 verbunden
sein.
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Die Verbindung zwischen den Pleueln
und dem Schaft 14 bzw. dem Tragteil 20 muss nicht
zwingend auf der vom Kolben abgewandten Seite der Kurbelwellen 16 und 18 erfolgen,
wobei dann allerdings der Vorteil der Nur-Zug-Beanspruchung der Pleuel
entfällt.
Des weiteren ist es nicht zwingend, dass der Kurbeltrieb als Doppelkurbeltrieb
ausgebildet sein kann; es kann auch lediglich eine Kurbelwelle vorgesehen
sein, die mit einem linear durch die Trennwand 48 hindurch
geführten
Kraft des Kolbens 4 in geeigneter Weise zusammenwirkt.
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Das beschriebene Ausführungsbeispiel
ist ein Einzylinder-Motor, der aufgrund des Doppelkurbelbetriebes
mit guten Massen- und Momentenausgleich läuft. Es versteht sich, dass
die Erfindung auch auf Mehrzylindermotoren anwendbar ist, die beispielsweise über mit
mehreren Zylindern zusammenarbeitende Doppelkurbelbetriebe verfügen.
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Das Durchströmventil 62, das im
einfachsten Fall, bei fehlender Ansteuerbarkeit der Funktion der Frischladungskammer 50,
als einfaches Rückschlagventil
ausgebildet sein kann oder für
möglichst
flexiblen Betrieb eigenständig
steuerbar ist, kann in einer abgeänderten Ausführungsform
der Brennkraftmaschine auch als ein vom Kurbelbetrieb her angetriebenes
Ventil ausgebildet sein.
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In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Maschine
kann der Raum zwischen dem Tragtei120 und dem Zylinderansatz 22 bei
entsprechender Ausbildung des Tragteils 20 als weiterer Kompressionsraum
genutzt werden, der über
ein Einlassventil mit der Umgebung verbunden ist und über einen
Kanal, in dem ein Steuerventil arbeitet, mit der Arbeitskammer 6 verbunden
ist, so dass dieser Raum als zusätzlicher
Vorverdichtungsraum nutzbar ist, von dem aus die Arbeitskammer 6 mit
zusätzlicher
Ladung beschickbar ist. Es versteht sich, dass diese weitere Kammer
nur bei entsprechendem Leistungs- bzw. Drehmomentbedarf der Maschine
für die Aufladung
benutzt wird.
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In Weiterbildung der geschilderten
Maschine kann das in dem Zylinderansatz 22 arbeitende Tragteil 20 zur
Ausbildung einer Lichtmaschine als Lineargenerator verwendet werden.
Des weiteren kann das Tragteil 20 oder ein mit ihm verbundenes
Bauteil den Kolben einer Ölpumpe
bilden, über
die durch den Schaft 14 hindurch der Kolben 4 gekühlt wird,
und so weiter.
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- 1
- Stirnwand
- 2
- Zylinder
- 4
- Kolben
- 6
- Arbeitskammer
- 8
- Kopf
- 10
- Einlassventil
- 11
- Auslassventil
- 12
- Einlaßkammer
- 13
- Auslaßkammer
- 14
- Schaft
- 16
- Kurbelwelle
- 18
- Kurbelwelle
- 22
- Zylinderansatz
- 24
- Motorgehäuse
- 30
- Scheibe
- 32
- Scheibe
- 34
- Scheibe
- 36
- Scheibe
- 38
- Welle
- 40
- Welle
- 401
- Wellenstummel
- 402
- Wellenstummel
- 42
- Außenverzahnung
- 44
- Außenverzahnung
- 46
- Pleuelzapfen
- 461
- Pleuelzapfen
- 462
- Pleuelzapfen
- 48
- Trennwand
- 50
- Frischladungskammer
- 52
- Ringraum
- 54
- untere
Durchlaßöffnung
- 56
- obere
Durchlaßöffnung
- 58
- Einlaßöffnung
- 60
- Einlaßkanal
- 62
- Zuströmventil
- 64
- Buchse