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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung bezieht sich auf Motoren mit innerer Verbrennung. Insbesondere bezieht sie sich auf Motoren mit innerer Verbrennung mit einem Gegenkolbenaufbau.
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HINTERGRUND
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WO 2008/149061 (Cox Powertrain) beschreibt einen 2-Zylinder-, 2-Takt-, Direkteinspritzungsmotor mit innerer Verbrennung. Die zwei Zylinder liegen einander horizontal gegenüber und in jedem Zylinder sind gegenüberliegende, sich hin- und herbewegende Kolben vorhanden, die eine Brennkammer zwischen sich bilden. Die Kolben treiben eine zentrale Kurbelwelle zwischen den zwei Zylindern an. Der innere Kolben (d. h. der Kolben näher bei der Kurbelwelle) in jedem Zylinder treibt die Kurbelwelle über ein Paar von parallelen Scotch-Yoke-Mechanismen an. Der äußere Kolben in jedem Zylinder treibt die Kurbelwelle über einen dritten Scotch-Yoke-Mechnismus, der zwischen den zwei Scotch-Yoke-Mechanismen des inneren Kolbens eingefügt ist, über eine Antriebsstange an, die durch das Zentrum des inneren Kolbens geht. Die Antriebsstange hat eine hohle, röhrenförmige Gestalt und Treibstoff wird durch einen im Inneren der Antriebsstange aufgenommenen Treibstoffeinspritzer in die Brennkammer eingespritzt. Die Wand der Antriebsstange hat eine Reihe von in Umfangsrichtung beabstandeten Öffnungen, durch die der Treibstoff seitlich nach außen in die Brennkammer gespritzt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Gegenkolbenmotoren mit innerer Verbrennung mit einem in jedem Zylinder angeordneten Treibstoffeinspritzer zum Einspritzen von Treibstoff direkt in eine zwischen den zwei gegenüberliegenden, sich hin- und herbewegenden Kolben in dem Zylinder gebildete Brennkammer. Die vorliegende Erfindung ist eine Weiterentwicklung des Aufbaus des in
WO2008/149061 beschriebenen Motors und will Ausführungsformen anbieten, die die Vorteile des früheren Motors beibehalten, nämlich einen sehr kompakten und effizienten Motor mit einem hohen Verhältnis an Leistungsabgabe zu Gewicht, wobei noch weitere Vorteile angeboten werden.
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Unter einem ersten Gesichtspunkt stellt die vorliegende Erfindung einen Motor mit innerer Verbrennung mit mindestens einem Zylinder, einem Paar gegenüberliegender, sich hin- und herbewegender Kolben in dem Zylinder, die eine Brennkammer zwischen sich bilden, und mindestens einem zumindest teilweise in dem Zylinder angeordneten Treibstoffeinspritzer, wobei der Treibstoffeinspritzer eine Düse hat, die in der Brennkammer positioniert ist und durch die der Treibstoff in die Brennkammer ausgestoßen wird, wobei die Düse unmittelbar in der Brennkammer freiliegt.
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Durch Freilegen der Düse direkt zu der Brennkammer (d. h. durch körperliches Anordnen der Düse in der Brennkammer) wird zum Zeitpunkt der Einspritzung das Erfordernis, den Treibstoff durch Öffnungen in einer Wand einzuspritzen, vermieden, im Gegensatz zu der oben erläuterten herkömmlichen Anordnung, bei der der Einspritzer in einer zentralen Antriebsstange aufgenommen ist. Dies führt zu einem einfacheren Aufbau, verbesserten Eigenschaften der Treibstoffeinspritzung, Luftbewegung und Verbrennung, und macht es möglich, herkömmlichere Einspritzer zu verwenden.
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Besonders in Fällen, in denen nur ein einzelner Einspritzer eingesetzt wird, ist der Einspritzer vorzugsweise an oder nahe bei der zentralen Achse des Zylinders/Kolbens angeordnet. Die Einspritzdüse wird typischerweise an einem Ende des Einspritzers sein (das Ende, das in den Zylinder vorsteht).
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Die Konzepte der Erfindung können bei Kompressionszündungsmotoren (compression ignition CI & HCCI) und auch bei Funkenzündungsmotoren (spark ignition SI) und funkenunterstützten Zündungsmotoren (spark assisted ignition) verwendet werden. Bei einer CI-Ausführungsform wird der Treibstoff normalerweise an oder nahe bei dem Punkt in dem Motorzyklus in die Brennkammer eingespritzt, wo die zwei Kolben sich am nächsten sind und das Brennkammervolumen am kleinsten ist. Die Düse des Einspritzers wird so angeordnet sein, dass sie an diesem Punkt in dem Zyklus in der Brennkammer gelegen ist. Für die HCCI- und SI-Varianten ist die Einspritzung wahrscheinlich viel früher in dem Zyklus und möglicherweise so früh wie das Öffnen der Ansauganschlussöffnung.
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Die Düse des Treibstoffeinspritzers ragt vorzugsweise von einer Endfläche eines Gehäuses des Einspritzers in der Richtung der Zylinderachse nach außen vor. Die Düse kann eine Reihe von Öffnungen um ihren Umfang haben, von denen der Treibstoff im allgemeinen radial in die Brennkammer ausgestoßen wird. Vorzugsweise ist in der Düse ein Ventil (beispielsweise ein Nadelventil) vorhanden, das zum Steuern einer unter Druck gesetzten Treibstoffversorgung zu den Öffnungen betreibbar ist. Die Treibstoffversorgung kann in einer herkömmlichen Weise gesteuert werden.
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In einigen Ausführungsformen ist der Treibstoffeinspritzer an einem Ende des Zylinders, typischerweise an einer festen, strukturellen Komponente befestigt und ragt entlang oder parallel zu der zentralen Achse des Zylinders von diesem Ende in den Zylinder, um die Einspritzdüse an einer festen Position anzuordnen, die über den ganzen Motorzyklus in der Brennkammer ist. In diesem Fall erstreckt sich der Einspritzer durch den Kolben, der am nächsten an dem Ende des Zylinders liegt, von dem der Einspritzer vorragt, und dieser Kolben ist so eingerichtet, dass er sich entlang einem Gehäuse des Einspritzers hin- und herbewegt.
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In einer alternativen Anordnung bewegt sich der Treibstoffeinspritzer mit einem der Kolben. Er kann an dem Kolben befestigt sein, so dass er sich mit ihm über den gesamten Kolbenhub bewegt oder er kann sich alternativ mit dem Kolben nur über einen Teil seines Hubs bewegen.
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Typischerweise treibt die Bewegung der Kolben eine an einem Ende des Zylinders angeordnete Kurbelwelle an, wobei der dem Kurbelwellenende des Zylinders nächstgelegene Kolben als der ”innere Kolben” bezeichnet wird und der von der Kurbelwelle entfernteste Kolben als der ”äußere Kolben” bezeichnet wird. Der oder jeder Treibstoffeinspritzer kann entweder dem äußeren Kolben oder dem inneren Kolben zugeordnet sein.
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Besonders in dem Fall, in dem der Einspritzer ortsfest ist und sich der zugeordnete (beispielsweise der äußere) Kolben entlang dem Einspritzergehäuse hin- und herbewegt, wird der Einspritzer vorzugsweise gekühlt. Die Kühlung kann beispielsweise durch eine Zuführung einer Kühlflüssigkeit (beispielsweise Motoröl, Motorkühlmittel, Rohwasserkühlung wie etwa Meerwasser oder Treibstoff) in das Innere des Einspritzergehäuses bereitgestellt werden.
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In dem Fall, in dem sich einer der Kolben an dem Einspritzergehäuse hin- und herbewegt, bietet die äußere Fläche des Einspritzergehäuses vorzugsweise eine Lauffläche, entlang der der Kolben gleiten kann. Eine Dichtungsanordnung, beispielsweise ein oder mehrere Dichtungsringe, ist zwischen dem Kolben und der Lauffläche des Einspritzergehäuses vorgesehen, um den Austritt von Verbrennungsgasen und den Eintritt von Motorenöl in die Brennkammer zu verhindern.
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Der Einspritzer kann durch eine geeignete Ankopplung an einem äußeren Teil der Motorenstruktur befestigt sein. In einigen Fällen kann es erwünscht sein, eine Ankopplung zu verwenden, die dem Einspritzer eine Selbstausrichtung parallel zu der Zentralachse des Zylinders ermöglicht, um Toleranzen und thermischen Formänderungen des Kolbens, dem er zugeordnet ist, Rechnung zu tragen. Beispielsweise kann eine Kreuzgelenkkupplung (Oldham-Kupplung) verwendet werden (dieser Verbindungstyp ermöglicht dem Einspritzer, sich in einer senkrecht zu seiner Achse verlaufenden Ebene zu bewegen, um die erwünschte Ausrichtung zu ermöglichen, während eine Bewegung entlang seiner Achse verhindert wird).
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In dem Fall, in dem die Kolben eine Kurbelwelle antreiben, kann eine beliebige geeignete Antriebsverbindung verwendet werden, um die gegenläufige Hin- und Herbewegung der Kolben in eine Drehbewegung der Kurbelwelle zu übersetzen. Jedoch werden bei bevorzugten Ausführungsformen Scotch-Yoke-Mechanismen verwendet. Wenn Scotch-Yoke-Mechanismen verwendet werden, ist es mindestens erforderlich, einen Scotch-Yoke-Kurbeltrieb zu haben, über den der innere Kolben (d. h. der Kolben am nächsten bei der Kurbelwelle) die Kurbelwelle antreibt und mindestens einen Scotch-Yoke-Kurbeltrieb zu haben, über den der äußere Kolben die Kurbelwelle antreibt. Um jedoch unerwünschte unausgeglichene Kräfte auf den äußeren Kolben zu vermeiden, während gleichzeitig das Bedürfnis für eine zentrale Antriebsstange durch den Zylinder vermieden wird, treibt der äußere Kolben die Kurbelwelle vorzugsweise über ein Paar von Scotch-Yoke-Kurbeltrieben an, einen auf jeder Seite des Zylinders, die mit dem äußeren Kolben auf entgegengesetzten Seiten des Zylinders durch entsprechende Verbindungsteile verbunden sind. Die Verbindungsteile können beispielsweise Stangen oder Hülsenabschnitte in dem Zylinder, an dem oder nahe bei dem Rand des Zylinders sein. Besonders bevorzugt sind die Verbindungsteile extern zu dem Zylinder. Sie können beispielsweise eine oder mehrere Antriebsstangen aufweisen.
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Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt stellt die Erfindung einen Motor mit innerer Verbrennung bereit, der mindestens einen Zylinder, ein Paar gegenüberliegender, sich hin- und herbewegender Kolben in dem Zylinder, die eine Brennkammer zwischen sich bilden, und mindestens einen Treibstoffeinspritzer aufweist, der an oder parallel zu der zentralen Achse des Zylinders angeordnet ist und zum Einspritzen von Treibstoff in die Brennkammer eingerichtet ist, wobei die Kolben eine Kurbelwelle, die an einem Ende des Zylinders angeordnet ist, über entsprechende Antriebsverbindungen antreiben, und wobei die Antriebsverbindung für den von der Kurbelwelle weitesten Kolben (der ”äußere” Kolben) extern zu dem Zylinder ist.
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Durch Anordnen der Verbindung für den äußeren Kolben außerhalb des Zylinders sind keine Antriebsstangen mehr erforderlich, die durch den inneren Zylinder führen. Die Abwesenheit einer Antriebsstange oder von Antriebsstangen, die durch die Brennkammer führen, ermöglicht einen unkomplizierteren, herkömmlicheren Brennkammeraufbau, eine einfachere Kühlung des inneren Kolbens, die Entfernung eines Blowby-Wegs zu dem Kurbelgehäuse und die Beseitigung von Wärmeverlusten an die Antriebsstange. Die Verwendung einer externen Verbindung bedeutet ferner, dass ein Einspritzer zentral bezüglich des Kolbens (oder nahe bei der Mitte des Kolbens) ohne Behinderung angeordnet werden kann.
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Wie bei den Ausführungsformen des obigen ersten Gesichtspunkts kann eine beliebige geeignete Antriebsverbindung verwendet werden, um die gegenläufige Hin- und Herbewegung der Kolben in eine Drehbewegung der Kurbelwelle zu übersetzen, aber Scotch-Yoke-Kurbeltriebe sind bevorzugt. Beispielsweise kann der äußere Kolben die Kurbelwelle durch ein Paar von Scotch-Yoke-Kurbeltrieben antreiben, einer an jeder Seite des Zylinders, die über die externe Antriebsverbindung mit dem äußeren Kolben verbunden sind. Die externe Antriebsverbindung kann Verbindungsteile an jeder Seite des Zylinders aufweisen, beispielsweise eine oder mehrere Antriebsstangen.
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Während ein Einzylinderaufbau möglich ist, weisen mögliche bevorzugte Motoren gemäß den Ausführungsformen des ersten und/oder des zweiten Gesichtspunkts der Erfindung mehrere Zylinder auf, beispielsweise zwei Zylinder, vier Zylinder, sechs Zylinder, acht Zylinder oder mehr.
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Wenn mehrere Zylinder verwendet werden, sind verschiedene Konfigurationen möglich, die verschiedene Vorteile im Hinblick auf ein Gleichgewicht der Kräfte, die Gesamtform und -größe des Motors usw. bieten. Beispielhafte Konfigurationen weisen auf (aber sind nicht beschränkt auf): koaxiale gegenüberliegende Paare von Zylindern (beispielsweise flache Zweier, ”flat two”, flache Vierer, ”flat four” usw.), ”Gerade”-Konfigurationen mit allen Zylindern Seite an Seite, ”U”-Konfigurationen mit zwei geraden Zylinderreihen Seite an Seite (beispielsweise rechteckige Vierer, ”square four”), ”V”-Konfigurationen und ”W”-Konfigurationen (d. h. zwei benachbarte Reihen von ”V”-konfigurierten Zylindern) und radiale Konfigurationen. In Abhängigkeit von dem Aufbau können die mehreren Zylinder eine einzige Kurbelwelle oder eine Mehrzahl von Kurbelwellen antreiben. Typischerweise werden ”flache”, ”gerade”, ”V”- und radiale Konfigurationen eine einzige Kurbelwelle haben, während ”U”- und ”W”-Konfigurationen zwei Kurbelwellen haben werden, eine für jede Zylinderreihe. In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist es möglich, zwei Motoreinheiten (jede mit einem oder mehreren Zylindern) mit gegendrehenden Kurbelwellen zu verwenden, die eine gemeinsame Ausgangswelle über ein Kegelradgetriebe antreiben. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass Drehmomentrückstoßeffekte ausgeglichen werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, von denen:
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1 ein Querschnitt durch eine „flache Vierer”-Motorenkonfiguration gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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2 ein Querschnitt des Motors aus 1 entlang der Linie z-z in 1 ist;
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3 ein Querschnitt des Motors aus 1 entlang der Zentralachse des untersten gegenüberliegenden Paars von Zylindern ist, wie es in 1 gezeigt ist;
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4 eine isometrische Ansicht des Motors aus 1 ist;
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5 eine vereinfachte Draufsicht auf Schlüsselbestandteile (in zusammengesetzter Form) des Motors aus 1 ist, einschließlich der Kurbelwelle, Scotch-Yoke-Kurbeltriebe, Kolben, Antriebsstangen und Treibstoffeinspritzer;
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6 eine vereinfachte isometrische Ansicht der in 5 gezeigten Schlüsselbestandteile ist; und
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7(a) bis 7(m) Momentaufnahmen des Motors aus 1 über eine vollständige Umdrehung der Kurbelwelle bei 0°, 30°, 60°, 90°, 120°, 150°, 180°, 210°, 240°, 272°, 300°, 330° bzw. 360° zeigen, wobei von dem Punkt im Zyklus mit geringstem Brennkammervolumen (im folgenden der Einfachheit halber als ”oberer Totpunkt” oder ”TDC” bezeichnet – dieser Ausdruck (TDC) wird verwendet, weil der Fachmann erkennen wird, dass es der entsprechende Punkt im Betriebszyklus für einen herkömmlicheren Motor ist) des unten links in der Figur gezeigten Zylinders ausgegangen wird.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Die hier zum Veranschaulichen der Erfindung verwendete Ausführungsform ist ein 2-Takt, Direkteinspritzungs-Vierzylindermotor. Der Motor ist mit zwei horizontal gegenüberliegenden Zylinderpaaren eingerichtet. Ein Zylinderpaar ist entlang dem anderen angeordnet, um eine ”Flache-Vierer”-Konfiguration zu erhalten. Wie wahrscheinlich am besten in 4 zu sehen ist, stellt dieser Aufbau den Motor mit einer Niedrigprofil-Gesamtummantelung bereit, der für einige Anwendungen, z. B. für die Verwendung als ein Außenbord-Bootsmotor vorteilhaft ist. Motoren gemäß Ausführungsformen der Erfindung können auch als Antriebs- oder Energieerzeugungseinheiten für andere Marineanwendungen sowie für Landfahrzeuge und Luftfahrzeuge verwendet werden.
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Wenn man zunächst die 1 bis 3 betrachtet, weist der Motor 10 im einzelnen vier um eine zentrale Kurbelwelle 14 angeordnete Zylinder 12 auf, die zum Drehen um die Achse z-z (siehe 1) gelagert ist. Die zwei Zylinder an den beiden Seiten der Kurbelwelle unten in 1 sind ein gegenüberliegendes Zylinderpaar und die zwei anderen Zylinder oben in 1 sind das andere gegenüberliegende Zylinderpaar.
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In jedem Zylinder sind zwei Kolben, ein innerer Kolben 16 und ein äußerer Kolben 18. Die zwei Kolben in jedem Zylinder liegen einander gegenüber und laufen in gegenläufigen Richtungen hin und her, in diesem Beispiel 180° außer Phase.
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Jeder Kolben hat einen Boden 20, 22, wobei die Böden der zwei Kolben einander zugewandt sind, und einen Schaft 24, 26, der von dem Boden abhängt. In diesem Beispiel ist der Boden 26 des äußeren Kolbens im Wesentlichen flach, wobei der Boden 24 des inneren Kolbens eine ringförmige Vertiefung mit einem im Wesentlichen tropfenförmigen Querschnitt aufweist. An dem oberen Totpunkt, wenn die Kolbenböden einander am nächsten sind (und sich annähernd berühren), legen die einander gegenüberliegenden Böden 24, 26 eine toroidale Brennkammer 28 fest, in die der Treibstoff eingespritzt wird.
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Wie weiter unten genauer beschrieben wird, sind die Kolbenböden, wenn die Kolben in ihrem Zyklus in einer Position sind, in der sie am weitesten voneinander entfernt sind, um ein maximales Einschlussvolumen in dem Zylinders festzulegen (”unterer Totpunkt”), wie für die oberen, linken und unteren, rechten Zylinder in 1 dargestellt ist, ausreichend weit zurückgezogen, um Ansauganschlüsse 30 und Auslassanschlüsse 32 in Richtung der inneren bzw. äußeren Enden des Zylinders freizulegen. Wenn die Kolben 16, 18 sich bei dem Kompressionshub des Zyklus aufeinander zu bewegen, bedecken und schließen die Kolbenschäfte die Anschlüsse, wobei der Schaft 24 des inneren Kolbens 16 den Ansauganschluss 30 schließt und der Schaft 26 des äußeren Kolbens 18 den Auslassanschluss 32 schließt. Wie am besten in den 1 und 2 erkennbar ist, haben die Auslassanschlüsse 32 eine größere axiale Ausdehnung (d. h. Abmessung in der Richtung der Längsachse des Zylinders) als die Ansauganschlüsse, so dass sich die Auslassanschlüsse früher öffnen und länger offen bleiben als die Ansauganschlüsse, um eine Spülung des Zylinders zu unterstützen.
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Jedem Zylinder 12 ist ein Treibstoffeinspritzer 34 zugeordnet. Der Treibstoffeinspritzer 34 hat ein zylindrisches Gehäuse 36 mit einer Einspritzdüse 38 an einem Ende. Treibstoff wird auf eine herkömmliche Weise durch das Einspritzergehäuse unter Druck der Düse zugeführt. Die Düse 38 steht von einer Endfläche des Einspritzergehäuses 36 vor und hat eine Reihe von um ihren Umfang gleichmäßig beabstandeten Öffnungen, durch die Treibstoff in einer im allgemeinen radialen Richtung eingespritzt wird. Die Düse wird durch ein Nadelventil (nicht gezeigt) geöffnet und geschlossen. Wenn das Nadelventil offen ist, wird Treibstoff unter Druck durch die Öffnungen eingespritzt. Das Öffnen und Schließen des Nadelventils kann auf eine herkömmliche Weise gesteuert werden. Bei Verwendung kann das Einspritzergehäuse durch eine Zuführung eines Kühlfluids gekühlt werden, das beispielsweise der Treibstoff selbst oder ein Motorkühlmittel sein kann (wenngleich dies in einigen Fällen nicht erforderlich sein kann).
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Der Treibstoffeinspritzer 34 ist entlang der zentralen Achse des Zylinders 12 installiert. Bei diesem Beispiel ist ein äußeres Ende des Einspritzers 34 an einem Bauteil 40 an dem äußeren Ende des Zylinders (d. h. dem der Kurbelwelle 14 entgegengesetzten Ende des Zylinders) befestigt. Der Einspritzer 34 erstreckt sich durch eine zentrale Öffnung 24 in dem äußeren Kolbenboden 22, so dass das innere Ende des Einspritzers, von dem die Düse 38 vorsteht, in dem Zylinder zentral angeordnet ist. Genauer gesagt, wie bei den Zylindern unten links und oben rechts in 1 und dem linken Zylinder in 2 gesehen werden kann, ist die Düse 38 des Treibstoffeinspritzers 34, wenn die Kolben 16, 18 an dem oberen Totpunkt sind, unmittelbar in der torusförmigen Brennkammer 28, und Treibstoff kann seitlich von der Düse 38 in die Brennkammer 28 gespritzt werden.
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Bei der hier beschriebenen zentralen Einspritzanordnung ist der Einspritzer 34 ortsfest befestigt und während des Betriebs des Motors 10 läuft der äußere Kolben 18 entlang der Außenseite des Einspritzergehäuses 36. Geeignete Dichtungen 44 sind um den Umfang der Öffnung 42 in dem äußeren Kolbenboden 22 bereitgestellt, um eine Dichtung zwischen dem Kolbenboden 22 und dem Einspritzergehäuse 36 aufrechtzuerhalten, wenn der Kolben 18 sich entlang dem Einspritzergehäuse 36 zurück- und vorbewegt, um ein Ausströmen von unter Druck stehenden Gasen aus dem Inneren des Zylinders zu vermeiden oder zumindest zu minimieren und um den Eintritt von Öl in die Brennkammer zu verhindern.
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Die Treibstoffeinspritzer 34 selbst können einen herkömmlichen Aufbau haben, außer dass die äußere Fläche des Einspritzergehäuses zum Ermöglichen eines Gleitkontakts mit den Kolben 18 eingerichtet ist. Typischerweise wird der Treibstoffnebel die Form einer Mehrzahl von radialen Strahlen einnehmen, die um die Düse des Einspritzers herum verteilt sind und durch eine einzige Ventileinrichtung gesteuert werden (beispielsweise eine Nadelventileinrichtung mit einer Nadel und einer Aufnahme, in die die Nadel eingreift, um das Ventil zu schließen). Der Treibstoffeinspritzer kann beispielsweise ein herkömmlicher Einspritzer sein, der in einer Hülse aufgenommen ist, die das äußere Gehäuse bereitstellt, entlang dem der Kolben gleitet. Bei dieser Anordnung steht die Düse des herkömmlichen Einspritzers von einem Ende der Hülse vor. Der Einspritzer kann von einem Kühlmittel im Inneren der Hülse umgeben sein, wenngleich dies in einigen Ausführungsformen nicht erforderlich sein kann. Alternativ kann ein spezifischer Einspritzer verwendet werden, mit einem Körper, der an seiner Außenseite ein Lauffläche und optional innen eine Kühlung bereitstellt, wenngleich in diesem Fall die inneren Bestandteile trotzdem herkömmlich sein können.
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Bei diesem Beispiel treiben die Kolben 16, 18 die Kurbelwelle 14 über vier Scotch-Yoke-Anordnungen 50, 52, 54, 56 an, die an entsprechenden Exzentern 58 an der Kurbelwelle 14 montiert sind. Die Verbindungen zwischen den Kolben 16, 18 und den Scotch-Yoke-Kurbeltrieben 50, 52, 54, 56, insbesondere diejenigen für die äußeren Kolben 18, sind am besten in den 5 und 6 erkennbar. Bei diesem Beispiel werden die Scotch-Yoke-Kurbeltriebe von mehreren Kolben gemeinsam genutzt, wie im Detail weiter unten beschrieben ist, um die Anzahl der Scotch-Yoke-Kurbeltriebe zu minimieren und somit eine erforderliche Länge der Kurbelwelle zu minimieren, so dass sich ein kompakteres Design ergibt.
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Die Richtungen/relativen Positionen (”oberer”, ”unterer”, ”linker”, ”rechter” usw.), die hierin unten und an andere Stelle verwendet werden, beziehen sich auf die relativen Positionen und Bestandteile, wie sie gezeichnet sind, und sollten nicht so verstanden werden, dass sie eine bestimmte Orientierung des Motors oder Positionen der Motorbestandteile im Raum angeben.
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Wenn man 5 betrachtet, können die vier Scotch-Yoke-Kurbeltriebe 50, 52, 54, 56 erkannt werden, die mit der sich vertikal durch die Mitte der Figur erstreckenden Kurbelwelle 14 verbunden sind.
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Ein erster Scotch-Yoke-Kurbeltrieb 50 (oben in 5) ist nahe an einem Ende der Kurbelwelle 14 angeschlossen. Antriebsstangen 60 verbinden diese Kurbelschlaufe 50 mit den äußeren Kolben 18a, 18b der zwei oberen Zylinder 12a, 12b (wie in 5 erkennbar ist). Wie am besten in 6 erkennbar ist, gibt es zwei Antriebsstangen 60 pro äußerem Kolben 18a, 18b, die an benachbarten Ecken (die obersten Ecken in 1, in Richtung des oberen Endes der Kurbelwelle) einer Verbindungsplatte 72a, 72b befestigt sind, die selbst an dem Kolben 18a, 18b befestigt ist. Die Verbindungsplatte 72a, 72b erstreckt sich über den äußeren Umfang des Zylinders 12 hinaus, so dass sich die Antriebsstangen 60 von den Ecken der Platte 72a, 72b entlang der Außenseite der Zylinder erstrecken (d. h. extern).
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Ein zweiter Scotch-Yoke-Kurbeltrieb 52 ist zwischen den oberen Zylindern 12a, 12b angeordnet und ist mit den inneren Kolben 16a, 16b dieser beiden Zylinder über entsprechende Antriebsstangen 62 verbunden (am deutlichsten in 1 gezeigt). Antriebsstangen 62 erstrecken sich von den Zentren der inneren Kolben 16a, 16b zu ihren Verbindungen mit dem Scotch-Yoke-Kurbeltrieb 52. Vorteilhafterweise ist der zweite Scotch-Yoke-Kurbeltrieb 52 auch mit dem unteren Paar der äußeren Kolben 18c, 18d über Antriebsstangen 64 verbunden. Ähnlich zu den oben erläuterten Antriebsstangen 60 gibt es zwei dieser Stangen 64 pro Kolben, die sich von benachbarten Ecken von entsprechenden Verbindungsplatten 72c, 72d erstrecken (in diesem Fall die zwei Ecken, die dem Mittelpunkt der Kurbelwelle am nächsten sind), die an den äußeren Enden der äußeren Kolben 18c, 18d befestigt sind.
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Ein dritter Scotch-Yoke-Kurbeltrieb 54 ist zwischen den beiden unteren Zylindern 12c, 12d angeordnet und mit den inneren Kolben 16c, 16d dieser zwei Zylinder durch entsprechende Antriebsstangen 66 verbunden (erneut am besten in 1 erkennbar). Antriebsstangen 66 erstrecken sich von den Zentren der inneren Kolben 16c, 16d zu ihren Verbindungen mit dem Scotch-Yoke-Kurbeltrieb 54. Ähnlich zu dem zweiten Scotch-Yoke-Kurbeltrieb 52 ist dieser dritte Scotch-Yoke-Kurbeltrieb zusätzlich mit dem oberen Paar von äußeren Kolben 18a, 18b über Antriebsstangen 68 verbunden. Es gibt zwei dieser Stangen 68 pro Kolben und sie erstrecken sich von den anderen zwei benachbarten Ecken der Verbindungsplatten 72a, 72b (entgegengesetzt zu den Ecken, von denen sich die Antriebsstangen 60 erstrecken, d. h. die zwei Ecken, die dem Mittelpunkt der Kurbelwelle am nächsten sind).
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Der vierte Scotch-Yoke-Kurbeltrieb 56 ist in 5 an dem unteren Ende der Kurbelwelle 14 gezeigt. Diese Kurbelschlaufe 56 ist mit dem unteren Paar der äußeren Kolben 18c, 18d durch ein weiteres Paar Antriebsstangen 70 für jeden Kolben 18c, 18d verbunden. Diese Stangen sind mit entsprechenden unteren Ecken (d. h. die denjenigen Ecken entgegengesetzten Ecken, mit denen die Antriebsstangen 64 verbunden sind) der an dem unteren Paar der äußeren Kolben 18c, 18d befestigten Verbindungsplatten 72c, 72d verbunden.
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Die Verbindungsplatten 72 sind so geformt, dass die mit ihren am nächsten an dem Mittelpunkt der Kurbelwelle liegenden Ecken verbundenen Antriebsstangen parallel und nebeneinander liegen, ohne dass sie einander während der Bewegung der Kolben behindern.
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Somit ist jeder der oberen, äußeren Kolben 18a, 18b über ein erstes Paar von Antriebsstangen 60 mit dem ersten Scotch-Yoke-Kurbeltrieb 50 und über ein zweites Paar von Antriebsstangen 68 mit dem dritten Scotch-Yoke-Kurbeltrieb 54 verbunden. Jeder der unteren, äußeren Kolben 18c, 18d ist über ein erstes Paar von Antriebsstangen 70 mit dem vierten Scotch-Yoke-Kurbeltrieb 56 und über ein zweites Paar von Antriebsstangen 64 mit dem zweiten Scotch-Yoke-Kurbeltrieb 52 verbunden. Die oberen, inneren Kolben 16a, 16b sind jeweils über zentrale Antriebsstangen 62 mit dem zweiten Scotch-Yoke-Kurbeltrieb 52 und die unteren, inneren Kolben 16c, 16d sind jeweils über zentrale Antriebsstangen 66 mit dem dritten Scotch-Yoke-Kurbeltrieb 54 verbunden.
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Anders gesagt wird der erste Scotch-Yoke-Kurbeltrieb 50 durch die oberen, äußeren Kolben 18a, 18b angetrieben, der zweite Scotch-Yoke-Kurbeltrieb 52 wird durch die oberen, inneren Kolben 16a, 16b und die unteren, äußeren Kolben 18c, 18d angetrieben, der dritte Scotch-Yoke-Kurbeltrieb 54 wird durch die unteren, inneren Kolben 16c, 16d und die oberen, äußeren Kolben 18a, 18b angetrieben und der vierte Scotch-Yoke-Kurbeltrieb 56 wird durch die unteren, äußeren Kolben 18c, 18d angetrieben.
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Wie oben erwähnt, verringert diese gemeinsame Nutzung von Scotch-Yoke-Kurbeltrieben durch innere und äußere Kolben die Anzahl an Scotch-Yoke-Kurbeltrieben, die andernfalls erforderlich wäre, wodurch die erforderliche Länge der Kurbelwelle verringert wird.
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Die Querverbindung von inneren Kolben in einem gegenüberliegenden Paar von Zylindern mit äußeren Kolben in dem anderen gegenüberliegenden Paar von Zylindern über die Scotch-Yoke-Kurbeltriebe trägt auch zur Stabilisierung der Kolben in den Zylindern bei, indem ungewollte Drehung der Kolben um senkrecht zu der Zentralachse des Zylinders verlaufende Achsen verhindert wird. Diese Anordnung dient auch zum Festlegen der Kurbelschlaufen-Gleiter, so dass andere Merkmale zu deren Festlegung (wie etwa Führungen oder zylindrische Laufflächen) nicht mehr erforderlich sind.
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BETRIEB DES MOTORS
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7 veranschaulicht den Betrieb des Motors über eine vollständige Kurbellwellendrehung. Insbesondere veranschaulichen die 7(a) bis 7(m) die Kolbenpositionen in 30°-Schritten.
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7(a) bei 0° ADC zeigt den Motor bei einer Kurbelwellenposition von 0° (willkürlich definiert als oberer Totpunkt TDC an dem unteren, linken Zylinder 12c in 5). In dieser Position sind der untere, linke, äußere Kolben 18c und der untere, linke, innere Kolben 16c an dem Punkt, an dem sie einander am nächsten sind. Bei etwa diesem Winkel der Kurbelwellenrotation würde bei dem veranschaulichten Direkteinspritzungsmotor eine Treibstoffladung in den unteren, linken Zylinder eingespritzt werden und die Verbrennung würde beginnen. An diesem Punkt sind die Auslass- und Ansauganschlüsse 32, 30 des unteren, linken Zylinders von äußeren bzw. inneren Kolben vollständig verschlossen.
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In 7(b) bei 30° ADC bewegen sich die inneren und äußeren Kolben des unteren, linken Zylinders gerade auseinander zu Beginn des Arbeitstakts.
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In 7(c) bei 60° ADC setzt der untere, linke Zylinder seinen Arbeitstakt fort, wobei die zwei Kolben gleiche, aber entgegengesetzte Geschwindigkeiten haben.
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In 7(d) bei 90° ADC setzt der untere, linke Zylinder seinen Arbeitstakt fort.
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In 7(e) bei 120° ADC hat der äußere Kolben des unteren, linken Zylinders den Auslassanschluss 32 geöffnet, während die Ansauganschlüsse geschlossen bleiben. In diesem „Ausblas”-Zustand kann ein Teil der kinetischen Energie der expandierenden Gase aus der Brennkammer, wenn gewünscht, durch einen Turbolader („Puls”-Turboladen) extern rückgewonnen werden, beispielsweise zum Komprimieren des Nächsten.
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In 7(f) bei 150° ADC hat der innere Kolben des unteren, linken Zylinders die Ansauganschlüsse 30 geöffnet und der Zylinder wird gerade gleichstromgespült.
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In 7(g) bei 180° ADC bewirken die inneren und äußeren Kolben des unteren, linken Zylinders, dass sowohl Ansaug- als auch Auslassanschlüsse 30, 32 offen bleiben, und die Gleichstromspülung dauert an. Die Kolben sind an dem unteren Totpunkt.
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In 7(h) bei 210° ADC bleiben bei dem unteren, linken Zylinder beide Anschlussgruppen 30, 32 offen und die Gleichstromspülung dauert an.
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In 7(i) bei 240° ADC hat bei dem unteren, linken Zylinder der innere Kolben den Ansauganschluss 30 geschlossen, während der Auslassanschluss 32 teilweise offen bleibt. In anderen Ausführungsformen kann sich der Auslassanschluss öffnen, nachdem sich der Ansauganschluss geöffnet hat und/oder schließen, bevor der Ansauganschluss geschlossen ist. In einigen Ausführungsformen kann es auch erwünscht sein, dass das Anschlusstiming asymmetrisch ist, beispielsweise durch Verwendung eines Hülsenschiebers zum Steuern des Öffnens und Schließens der Anschlüsse.
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In 7(j) bei 270° ADC hat bei dem unteren, linken Zylinder der äußere Kolben den Auslassanschluss 32 geschlossen und die zwei Kolben bewegen sich aufeinander zu, wobei sie die Luft zwischen sich komprimieren.
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In 7(k) bei 300° ADC setzen bei dem unteren, linken Zylinder die Kolben den Verdichtungstakt fort.
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In 7(l) bei 330° ADC nähert sich der untere, linke Zylinder dem Ende des Verdichtungstakts und die „Quetsch”-Phase beginnt gerade. Dies ist der Zeitpunkt, an dem die äußeren, ringförmigen, gegenüberliegenden Flächen der inneren und äußeren Kolben beginnen, Luft von zwischen sich auszustoßen.
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In 7(m) bei 360° ADC ist die Position dieselbe wie in 3(a). Der untere, linke Zylinder hat die TDC-Position erreicht, wo die Kolben in der Position sind, in der sie einander am nächsten sind. Die „Quetsch”-Phase dauert an und bewirkt einen verstärkten „Rauchring”-Effekt, der sich mit dem bereits vorhandenen Zylinderachsenwirbel überlagert, der durch die teilweise tangentialen Ansauganschlüsse bewirkt ist. Diese zusammengesetzten Gasbewegungen werden am TDC am intensivsten sein, wenn die Brennkammer einem Torus am meisten ähnelt und ihr geringstes Volumen hat. Zu diesem Zeitpunkt gehen von dem zentralen Treibstoffeinspritzer mehrere radiale Treibstoffstrahlen aus, die fast die gesamte verfügbare Luft erreichen und eine sehr effiziente Verbrennung bewirken. Die Einspritzung braucht nicht exakt bei geringstem Volumen zu beginnen und bei einigen Ausführungsformen kann das Einspritztiming als eine Funktion der Geschwindigkeit und/oder der Last variieren.
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Die besonderen Winkel und Timings hängen von den Kurbelwellengeometrien und Anschlussgrößen und -positionen ab; die obige Beschreibung soll nur zur Veranschaulichung der Konzepte der Erfindung dienen.
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Der Fachmann wird erkennen, dass verschiedene Abwandlungen von der ausdrücklich beschriebenen Ausführungsform möglich sind, ohne von der Erfindung abzuweichen. Der Treibstoffeinspritzer kann von dem inneren Ende des Zylinders vorstehen, wobei der innere Kolben auf dem Einspritzer gleitet. In diesem Fall wird die Verbrennungsmulde bevorzugt in dem äußeren Kolben gebildet sein. Der Fachmann wird auch erkennen, dass Ausführungsformen der Erfindung 2-Takter oder 4-Takter sein können und Kompressionszündung oder Funkenzündung haben können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/149061 [0002, 0003]
