DE3905574A1 - Maschine mit einem zylinder und zwei in diesem verschieblichen kolben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Maschine, aufweisend einen Zylin­ der mit zwei gegeneinander gerichteten, zwischen sich einen Arbeitsraum belassenden Kolben, wobei Ein- und Auslaßöffnun­ gen in den Arbeitsraum münden.

Eine Maschine der in Rede stehenden Art ist als Doppelkol­ ben-Flugzeug-Dieselmotor nach dem Prinzip des Zweitaktmotors bekannt derart, daß der Zylinder zwei gegenläufig bewegbare Kolben aufnimmt. Bei Erreichen der maximal angenäherten Stellung der Kolben unter Verdichten der angesaugten Frisch­ luft wird im oberen Totpunkt Brennstoff eingespritzt, und die Expansion beginnt und endet etwa dort, wo die Kompressi­ on begonnen hatte. Nach Erreichen der entgegengesetzten Totpunktlage öffnet sich, wie im übrigen auch bei einem üblichen Zweitakt- oder Viertaktmotor, der Auslaß, der bei dem bekannten Motor als Auslaßschlitz ausgebildet ist. Die noch sehr heißen Abgase werden bei konstantem Volumen ins Freie entlassen. Dabei entspannen sich die Abgase knallartig und führen die Restwärme unausgenutzt mit sich. Grob gerech­ net macht der Betrag der durch den Auspuff nicht ausgenutz­ ten Druck- und Wärmeenergie ca. 1/3 der durch die Verbren­ nung des Brennstoffs zugeführten Wärme aus. Diese verringer­ te Wärmeausnutzung hat auch ihre Ursache darin, daß der Expansionshub dem Kompressionshub entspricht.

Eine verbesserte Ausnutzung geschieht vielfach durch nachge­ schaltete Abgasturbinen (Laderantrieb). Sodann ist es durch den "Miller-Prozeß" bekannt, das Einlaßventil erst kurz nach Beginn der Kompressionsphase zu schließen. Das bedeutet, daß der Zylinder eine geringere Luftfüllung erhält. Nach Kompres­ sion und Expansion ist dann der Enddruck kleiner verbunden mit geringeren thermischen Verlusten. Der Motor leistet zwar weniger und hat höhere mechanische Verluste, doch hat er einen um ca. 2,5% besseren Wirkungsgrad.

Dem Gegenstand der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschine der in Rede stehenden Art bei einfachem Aufbau von erhöhtem Wirkungsgrad anzugeben.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Maschine dadurch, daß die Kolben sich mit unterschiedlicher Frequenz in dem Zylinder bewegen, jeweils gekuppelt mit Kurbelwellen entsprechend unterschiedlicher Drehzahl.

Zufolge derartiger Ausgestaltung ist eine Maschine angegeben, die sich bei einfachem Aufbau durch einen erhöhten Wirkungs­ grad gegenüber bekannten Lösungen auszeichnet. Durch die Steuerung der Kolben mit unterschiedlicher Frequenz, hervor­ gerufen durch mit unterschiedlicher Drehzahl umlaufende Kurbelwellen, ist es möglich, den Expansionshub gegenüber dem Kompressionshub erheblich zu vergrößern. Diese Maßnahme erweist sich bei Verbrennungsmotoren als vorteilhaft verbun­ den mit einer verbesserten Energieausbeute. Der Energiege­ winn ist größer als der Reibungsverlust durch den zweiten Kurbelwellenantrieb. Ferner kann die Steuerung der Kolben auch so sein, daß der Kompressionshub größer wird als der Expansionshub. Ausnutzbar ist dieser Effekt z.B. bei Wärme­ pumpen, so daß dann auch deren Wirkungsgrad gegenüber bekann­ ten Lösungen heraufsetzbar ist.

Optimale Größenverhältnisse zwischen Expansionshub und Kom­ pressionshub erhält man dadurch, daß an den Kurbelwellen unterschiedlich große Kurbelkreisdurchmesser ausgebildet sind. Ein in dieser Hinsicht günstiges Verhältnis wird da­ durch erreicht, daß dem mit geringerer Frequenz bewegten Kolben ein Kurbelkreisdurchmesser etwa halber Größe des Kolbens größerer Frequenz zugeordnet ist.

Es bietet sich an, ein Frequenz- bzw. Drehzahlverhältnis von 1 : 2 zu wählen. Das bedeutet, daß der eine Kolben zwei Hübe ausführt, wenn der andere nur einen Hub zurückgelegt hat.

Alternativ ist es möglich, daß die Maschine ein Verbrennungs­ motor ist und mittels der unterschiedlichen Frequenz ein gegenüber dem Kompressionshub vergrößerter Expansionshub eingestellt ist. Verbunden mit dem vergrößerten Expansions­ hub ist eine verbesserte Ausnutzung des injizierten Brenn­ stoffs. Es ist möglich, einen Expansionshub zu wählen, der ca. 50% größer ist als der Kompressionshub. Man kann natür­ lich auch andere Werte anstreben, bspw. einen um 100 oder 200% vergrößerten Expansionshub. Darüber hinaus kann ein Abgasturbolader in der üblichen Weise vorgesehen werden. Einhergehend mit einer verbesserten Wärmeausnutzung kann ebenfalls der Brennstoffbedarf reduziert werden. Grundsätz­ lich ist noch festzuhalten, daß bei einem Motor, wie er in den beigefügten Fig. 1-4 dargestellt ist, die Länge des Expansionsraumes gegenüber der des Frischluft- oder Hubraum­ es um den Durchmesser des Kurbelkreises des mit geringerer Frequenz bewegten Kolbens größer sein kann.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es mög­ lich, daß die Maschine eine Arbeitsmaschine, insbesondere eine Wärmepumpe ist, und daß mittels der unterschiedlichen Frequenz ein gegenüber dem Expansionshub vergrößerter Kom­ pressionshub eingestellt ist. Für das Verdichten steht demge­ mäß ein vergrößerter Kompressionshub zur Verfügung, so daß ebenfalls hier eine Heraufsetzung der Leistung und des Wir­ kungsgrades der Wärmepumpe möglich ist.

Wenn aus schmierungstechnischen Gründen die Kolben mittels Kolbenringe abgedichtet sind, wird ein Kurzschließen des Kompressionsraumes trotz in der Zylinderwand vorgesehener Ein- oder Auslaßventile dadurch verhindert, daß die Kolben­ ringe derart versetzt zum Kolbenboden angeordnet sind, daß diese die Ein- oder Auslaßventile nicht überlaufen. Alterna­ tiv wären auf dem Kolbenboden entsprechend geformte Metall- oder Keramikaufsätze denkbar. Hierdurch könnte dann auch der Kompressionsraum günstig gestaltet werden.

Eine weitere Möglichkeit, die Verhältnisse zwischen Hubraum und Expansionsraum zu variieren besteht darin, daß die Kol­ ben sich phasenverschoben bewegen. Vorzugsweise eignet sich dabei eine Phasenverschiebung von 60° in der Ausgangslage an dem durchmessergrößeren Kurbelkreis der sich mit größerer Drehzahl bewegenden Kurbelwelle.

Die Phasenverschiebung bei der Kolbenbewegung läßt es zu, daß die Auslaßöffnung durch Auslaßschlitze gebildet ist. Durch diese Maßnahme entfällt ein gesondertes Auslaßventil, so daß weniger Teile zu steuern sind verbunden mit einem einfacheren Aufbau der Maschine.

Den unterschiedlichen Bewegungen der Kolben ist dadurch Rechnung getragen, daß die Ein- und Auslaßöffnungen in der Zylinderwand auf unterschiedlichen Querschnittsebenen ange­ ordnet sind.

Eine Verkettung von mehreren Zylindern zu einem Motor ist in vorteilhafter Weise dadurch möglich, daß vier Zylinder in Anordnung eines geschlossenen Linienzuges vorgesehen sind, wobei die Kurbelwellen in den jeweiligen Eckpunkten angeord­ net sind. Auf diese Weise läßt sich eine optimale Raumausnut­ zung vornehmen. Die gemeinsame Antriebswelle für alle vier Kurbelwellen könnte dann im Mittelpunkt dieses geschlossenen Linienzuges vorgesehen sein.

Es empfiehlt sich dabei, die vier Zylinder in der Grundform eines Quadrates anzuordnen, wobei jeweils sich diagonal gegenüberliegende Kurbelwellen über gleichgroße Kurbelkreis­ durchmesser die entsprechenden Kolben antreiben.

Eine erfindungsgemäße Weiterbildung ist dadurch gekennzeich­ net, daß die Phasenverschiebung der Bewegung der Kolben betrieblich zur Veränderung des Kompressionraumes verstell­ bar ist. Unter Kompressionsraum ist bei einem normalen Motor das Restvolumen bei der Kolbenstellung im oberen Totpunkt zu verstehen. Seine Größe ist unveränderlich. Bei der erfin­ dungsgemäßen, nach dem Gegenkolbenprinzip arbeitenden Maschi­ ne kann nicht von einem oberen Totpunkt gesprochen werden. Deshalb ist der Kompressionsraum jetzt definitionsgemäß der kleinste Raum zwischen den beiden Kolben, wenn diese bei ihren gegenläufigen Bewegungen den geringsten Abstand er­ reicht haben. Bei der in Rede stehenden Weiterbildung ist es möglich, bei einem Verbrennungsmotor das Kompressionsverhält­ nis während des Betriebes zu variieren unter Vergrößerung des Leistungsbereiches bei gutem Wirkungsgradverhalten. Unter dem Kompressionsverhältnis ist das Verhältnis von Hubvolumen zu Kompressionsraum zu verstehen. Da das Hubvolu­ men eine konstante Größe ist, der Kompressionsraum bei der hier beschriebenen Maschine aber in weiten Grenzen veränder­ bar ist, läßt sich stets das günstige Kompressionsverhältnis verwirklichen, und zwar durch die Phasenverschiebung der Bewegung der Kolben während des Betriebes. Stets ergibt diese Phasenverschiebung eine Kompressionsraumveränderung. Das Kompressionsverhältnis wird definitionsgemäß kleiner, wenn der Kompressionsraum größer wird. Dagegen wird das Kompressionsverhältnis größer, wenn der Kompressionsraum abnimmt. Der Motor wird auf diese Weise sehr flexibel und anpassungsfähig. Die Verstellung braucht je nach Größe des Verbrennungsmotors nur einige Millimeter bzw. Zentimeter zu betragen. Der Motor kann ferner praktisch an unterschiedli­ che Brennstoffarten, Oktanzahlen, Drehzahlen, Ladedrücke etc. angepaßt werden. Ein und derselbe Motor kann beispiels­ weise mit Benzin, Dieselöl, Gasöl und anderen Brennstoffen betrieben werden.

Es erweist sich dabei als vorteilhaft, daß die Drehbewegun­ gen der Kurbelwellen betrieblich phasenverschiebbar sind. Verbunden mit einer Phasenverschiebung der Kurbelwellen betrieblich zueinander tritt einhergehend die Phasenverschie­ bung der Bewegung der Kolben auf. Das Drehzahlverhältnis der Kurbelwellen zueinander wird hierdurch jedoch nicht verän­ dert. Je nach verlangter Größe des Kompressionsraumes er­ folgt dann die Verstellung der Kurbelwinkelphasen der beiden Kurbelwellen zueinander.

Die vorgenannte Phasenverstellung kann auf unterschiedliche Art und Weise verwirklicht werden. Eine Möglichkeit zeichnet sich dadurch aus, daß die Kurbelwellen über ein schrägver­ zahntes, verstellbares Zahnradgetriebe miteinander gekuppelt sind. Zwecks Veränderung der Kurbelwinkelphasen der beiden Wellen zueinander braucht innerhalb des schrägverzahnten Zahnradgetriebes nur ein entsprechendes Rad axial verschoben zu werden einhergehend damit, daß die Kurbelwinkelphasen der beiden Kurbelwellen sich zueinander ändern, und zwar in Abhängigkeit davon, in welcher Richtung die Verschiebung des entsprechenden Zahnrades erfolgt.

Diesbezüglich erweist es sich als günstig, daß ein auf einer Kurbelwelle ortsfest angeordnetes Zahnrad mit einem auf einer Achse verschiebbar angeordneten Zwischenrad kämmt. Durch ledigliches Verschieben des Zwischenrades erfolgt die Relativverstellung der Kurbelwellen zueinander. Der Winkel der Schrägverzahnung und der Verschiebeweg bestimmen dabei die Größe der Kurbelwinkelphasen der beiden Wellen zueinan­ der. Vorzugsweise greift das schrägverzahnte Zwischenrad nur an dem Zahnrad der einen Kurbelwelle an, während der Angriff an der anderen Kurbelwelle über eine normale Stirnverzahnung oder eine entgegengesetzte Schrägverzahnung erfolgt.

Eine andere Möglichkeit zur Verstellung der Kurbelwinkelpha­ sen der beiden Kurbelwellen ist darin zu sehen, daß auf den Kurbelwellen ortsfest angeordnete Zahnräder über ein zwi­ schengeschaltetes Differentialgetriebe miteinander gekuppelt sind. Eine an dem Differentialgetriebe angreifende Verstell­ kraft führt dann zu der Phasenverschiebung der Drehbewegun­ gen der Kurbelwellen zueinander.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist insbesondere dort einsetzbar, wo eine Verdichtung der Ladung durchgeführt wird. Sie zeichnet sich dadurch aus, daß dann die Phasenver­ schiebung in Abhängigkeit von dem Ladedruck selbsttätig erfolgt. Hierdurch läßt sich ein stets optimales Kompressi­ onsverhältnis sowohl bei niedriger als auch bei hoher Last verwirklichen. (Bei im Stand der Technik bekannten Verbren­ nungsmotoren läßt sich dies durch Abschalten des halben Motors bei niedriger Last erreichen, wobei die Luft dieser abgeschalteten Zylinder über Rohrleitungen und besondere Ventile in die Zylinder der anderen Hälfte des Motors gelei­ tet wird, um in diesen Zylindern ein für den Betrieb gerade noch ausreichendes Frischluftvolumen und Kompressionsverhält­ nis aufrechtzuerhalten). Die Phasenverschiebung ist derart, daß der Kompressionsraum größer wird, wenn ein hoher Lade­ druck ansteht bzw. eine hohe Leistung verlangt wird. Beim Anfahren eines beispielsweise mit dem erfindungsgemäßen Motor ausgestatteten Fahrzeuges wird man demgegenüber einen kleinen Kompressionsraum wählen, um auch in diesem Lastbe­ reich eine optimale Verdichtung und Zündung zu erhalten. Die entsprechende Verstellung der Größe des Kompressionsraumes geschieht dabei sehr schnell, und zwar selbsttätig unter Berücksichtigung des Ladedruckes.

Schließlich ist in dieser Hinsicht noch zu erwähnen, daß die Phasenverschiebung in Abhängigkeit von dem Lastzustand selbsttätig erfolgt. Diese Ausgestaltung wird insbesondere dann gewählt, wenn die Maschine bzw. der Verbrennungsmotor nicht durch Laderantrieb beatmet wird.

Anhand von Zeichnungen werden nachstehend mehrere Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch die als Verbrennungsmotor ausgebildete Ma­ schine gemäß der ersten Ausführungsform in der Stellung, aus welcher heraus das Ansaugen des Kraftstoffes beginnt,

Fig. 2 eine Folgedarstellung in der Phase, aus welcher heraus die Kompression erfolgt,

Fig. 3 eine weitere Folgedarstellung in der Verdichtungs­ phase während der Zündung, aus welcher Stellung heraus der Expansionshub einsetzt,

Fig. 4 die Folgedarstellung nach Durchführung der Expan­ sion, aus welcher Stellung heraus das Ausstoßen der Verbrennungsgase geschieht,

Fig. 5 das zugehörige Arbeitsdiagramm,

Fig. 6 das zugehörige Steuerdiagramm in Wellenform,

Fig. 7 eine abgewandelte Ausführungsform des Verbren­ nungsmotors, bei welchem sich die Kolben phasenver­ schoben bewegen,

Fig. 8 das zugehörige Steuerdiagramm in Wellenform,

Fig. 9 in schematischer Ausführung vier nach den Seiten­ kanten eines Quadrates angeordnete Zylinder mit in den jeweiligen Eckpunkten angeordneten Kurbelwel­ len,

Fig. 10 eine Ansicht der über ein schrägverzahntes, verstellbares Zahnradgetriebe miteinander gekuppel­ ten Kurbelwellen, deren Drehbewegungen betrieblich phasenverschiebbar sind,

Fig. 11 eine Seitenansicht der Fig. 10,

Fig. 12 eine der Fig. 10 entsprechende Darstellung, jedoch mit einem zwischengeschalteten Differential­ getriebe,

Fig. 13 die zugehörige Seitenansicht,

Fig. 14 ein der Fig. 6 entsprechendes Steuerdiagramm eines mit Laderantrieb arbeitenden Verbrennungsmo­ tors unter Veranschaulichung der Größenänderung des Kompressionsraumes und

Fig. 15 ein der Fig. 8 entsprechendes Steuerdiagramm in Wellenform eines Verbrennungsmotor, bei welchem ebenfalls der Kompressionsraum während des Betrie­ bes änderbar ist.

Gemäß der ersten Ausführungsform besitzt die als Verbren­ nungsmotor ausgestaltete Maschine einen Zylinder 1 mit zwei gegeneinander gerichteten, zwischen sich einen Arbeitsraum belassenden Kolben 2, 3. Mittig des Zylinders 1 sind zwei schräg oder radial ausgerichtete Ein- und Auslaßöffnungen 4, 5 vorgesehen, die jedoch in Folge eines geringen Versatzes in Zylinderlängsrichtung auf unterschiedlichen Querschnitts­ ebenen angeordnet sind. Dies sieht so aus, daß die Einlaßöff­ nung 4 in Richtung des Kolbens 3 versetzt ist. Die Einlaßöff­ nung 4 nimmt ein Einlaßventil 6 und die Auslaßöffnung 5 ein Auslaßventil 7 auf.

Zur Steuerung jedes Kolbens 2, 3 dient je eine Kurbelwelle 8 bzw. 9. Letztere greifen über je eine Pleuelstange 10 bzw. 11 an dem zugehörigen Kolben 2 bzw. 3 an. Aus der Zeichnung geht hervor, daß an den Kurbelwellen 8, 9 unterschiedlich große Kurbelkreisdurchmesser 12, 13 ausgebildet sind. Durch die Kurbelantriebe werden die Kolben 2, 3 mit unterschiedli­ cher Frequenz bewegt zufolge unterschiedlicher Drehzahl der Kurbelwellen 8, 9. Der Kurbelkreisdurchmesser 13 für den mit geringerer Frequenz bewegten Kolben 3 ist etwa halb so groß wie der Kurbelkreisdurchmesser 12 für den mit größerer Fre­ quenz angetriebenen Kolben 2. Es ist dabei ein Frequenz- bzw. Drehzahlverhältnis von 1 : 2 gewählt. Das bedeutet, daß bei zwei Umdrehungen der Kurbelwelle 8 die andere Kurbelwel­ le 9 nur einmal dreht und daß der Kolben 2 demgemäß zwei vollständige Hübe ausführt im Gegensatz zum Kolben 3, der sich nur einmal hin- und zurückbewegt.

Die nicht dargestellte Steuerung der Ventile 6, 7 kann dabei über eine von der Umdrehung der Kurbelwellen 8, 9 abgezweig­ te Ventilsteuerung erfolgen.

Es ergibt sich folgende Wirkungsweise:
Fig. 1 ist diejenige Stellung, in welcher das Ausstoßen der Verbrennungsgase geschehen ist. Das Auslaßventil 7 ist noch geöffnet, während das Einlaßventil 6 geschlossen ist. Bei weiterer Kurbelwellenumdrehung in Uhrzeigerrichtung schließt das Auslaßventil 7, während das Einlaßventil 6 öffnet. Aus dieser Stellung heraus beginnt das Ansaugen des Brennstof­ fes, bestehend aus einem Brennstoff-Luftgemisch. Das Ansau­ gen ist beendet, wenn sich die Kurbelwelle 8 um 180° und die Kurbelwelle 9 um 90° gedreht hat. Dann nehmen die Kolben 2, 3 die Stellung gemäß Fig. 2 ein. Ausgehend aus dieser Stel­ lung schließt auch das Einlaßventil 6, und der Kompressions­ hub setzt ein. Der dann zwischen den Kolbenböden befindliche Raum ist der Frischluftraum FR, dessen Länge mit der Ziffer x bezeichnet ist. Während der weiteren Drehung der Kurbelwel­ le 8 um 180° und der gegenüberliegenden Kurbelwelle 9 um 90° wird das Brennstoff-Luftgemisch verdichtet unter Erreichen der Stellung gemäß Fig. 3, in welcher der kleinstmögliche Kompressionraum KRmin vorliegt und die beiden Ventile 6, 7 geschlossen sind. Es erfolgt nun die Zündung, durch welche die Expansionsphase eingeleitet wird. Sie ist beendet nach einer weiteren 180°-Drehung der Kurbelwelle 8 und einer 90°-Drehung der Kurbelwelle 9, so daß dann die Stellung gemäß Fig. 4 vorliegt, in welcher die beiden Ventile 6, 7 noch ihre Schließstellung einnehmen. Der zwischen den Kolben­ böden befindliche Raum ist der Expansionsraum E, dessen Länge mit der Ziffer y versehen ist. Diese Länge y ist grö­ ßer als diejenige von x. Das bedeutet, daß demgemäß auch der Expansionshub größer ist als der Kompressionshub. Bezogen auf Fig. 2 und Fig. 4 bedeutet dies, daß x plus Kurbelkreis­ durchmesser 13 die Länge y ergeben. Ausgehend von der Stel­ lung gemäß Fig. 4 öffnet das Auslaßventil 7, die Kurbelwel­ len setzen ihre Drehung fort, so daß nach einer 180°-Drehung der Kurbelwelle 8 und einer 90°-Drehung der Kurbelwelle 9 wieder die Ausgangsstellung gemäß Fig. 1 auftritt, in wel­ cher die Verbrennungsgase ausgestoßen sind.

Gemäß dem Volumen-Druckdiagramm bzw. Arbeitsdiagramm in Fig. 5 beginnt das Ansaugen im Punkt 1 und endet im Punkt 2. Die Ansauglinie 1, 2 liegt dabei etwas unterhalb des atmosphäri­ schen Luftdruckes. Der Punkt 2 entspricht der Stellung, in welcher der Frischluftraum FR gebildet ist. Es erfolgt nun die Kompression entlang einer Adiabate, die im Punkt 3 unter Erreichen des Kompressionsraumes KRmin endet (vgl. hierzu auch die Fig. 3) Dort findet die Zündung oder das Einsprit­ zen statt. Die Verbrennung ist plötzlich. Die durch die Verbrennung des Gemisches freiwerdende Wärme ergibt einen Druckanstieg bei konstantem Volumen (Isochore). Die Druckli­ nie steigt kurvenförmig an und endet etwa im Punkt 4. Die Linie 4, 5, welche ebenfalls als Adiabate gestaltet ist, stellt die Expansionsphase dar. Da der Expansionsraum E größer ist als der Frischluftraum FR, ist ebenfalls der Expansionshub größer als der Kompressionshub verbunden mit einer verbesserten Ausnutzung der bei der Verbrennung entste­ henden Wärme. Die zusätzlich gewonnene Nutzarbeit ist mit N bezeichnet und schraffiert dargestellt. Die Linie 5, 6 liegt etwas oberhalb des atmosphärischen Druckes und zeigt auf, welcher Überdruck aufzuwenden ist, um die Abgase gegen die Ventil- und Abgasleitungswiderstände aus dem Zylinder 1 zu fördern.

In dem Steuerdiagramm gemäß Fig. 6 wird die Position der Kolben bzw. deren Böden veranschaulicht. Die Wellenlinie 14 ist dem mit größerer Frequenz bewegbaren Kolben 2 und die Wellenlinie 15 dem Kolben 3 zugeordnet, der mit geringerer Frequenz arbeitet. Wenn sich die Wellentäler der einzelnen Wellenlinie 14, 15 genau gegenüberliegen, entspricht dieses dem dann geschaffenen größeren Expansionsraum E. Liegen sich ein Wellenberg der Linie 15 und ein Wellental der Wellenli­ nie 14 gegenüber, so bedeutet dies, daß der Frischlauftraum FR vorliegt, der gegenüber dem Expansionsraum E kleiner gestaltet ist.

Gemäß Fig. 7 liegt eine abgewandelte Ausgestaltung der eben­ falls als Verbrennungsmotor gestalteten Maschine vor. Der Zylinder trägt die Bezugsziffer 16, in dem zwei Kolben 17, 18 bewegbar sind. Die Kolben 17, 18 ihrerseits werden über Pleuelstangen 19 bzw. 20 von Kurbelwellen 21, 22 angetrie­ ben. Der Kurbelkreisdurchmesser 21′ der Kurbelwelle 21 ist ebenfalls etwa doppelt so groß wie der Kurbelkreisdurchmes­ ser 22′ der Kurbelwelle 22. Ferner liegt ein Drehzahlverhält­ nis der Kurbelwelle 22 zur Kurbelwelle 21 von 1 : 2 vor, so daß ebenfalls die Kolben 17, 18 mit unterschiedlicher Fre­ quenz in dem Zylinder 16 bewegbar sind. Auch bei dieser zweiten Ausführungsform ist je eine Einlaßöffnung 23 und eine Auslaßöffnung 24 vorgesehen, die ihrerseits in unter­ schiedlichen Querschnittsebenen des Zylinders 16 in den Innenraum des Zylinders münden. Die Auslaßöffnung 24 liegt dabei der Kurbelwelle 22 näher als die Einlaßöffnung 23. Ferner erstreckt sich die Auslaßöffnung 24 in der der Kurbel­ welle 22 zugekehrten Hälfte des Zylinders 16. Im Gegensatz zur vorerläuterten Ausgestaltung bewegen sich die Kolben 17, 18 phasenverschoben. Die Phasenverschiebung ist dadurch erreicht, daß der Kolbenangriffspunkt 25 der Pleuelstange 19 einen Drehwinkel alpha von etwa 60° zur Mittellinie 26 des Zylinders 16 einschließt, in welcher phasenverschobenen Stellung die andere Pleuelstange 20 auf Höhe dieser Mittelli­ nie liegt.

Diese Phasenverschiebung erlaubt es, daß die Auslaßöffnung 24 durch Auslaßschlitze 27 gebildet ist. Ein zu steuerndes Auslaßventil wird daher nicht nötig. Es ist lediglich der Einlaßöffnung 23 ein Einlaßventil 28 zuzuordnen.

Auch bei dieser Version ergibt sich die Möglichkeit, den Expansionshub gegenüber dem Kompressionshub auf einfache Weise zu vergrößern. Der Auspuff erfolgt nun im Gegensatz zur ersten Ausführungform durch diese Auslaßschlitze 27 wie bei einem Zweitaktmotor. In Bezug auf den Kolben 18 kann man gegebenenfalls von einem Zweitaktmotor sprechen. Jedoch werden die Auspuffgase jetzt nicht nur durch Spülung, son­ dern mehrheitlich durch den rasch entgegenkommenden Kolben 17 ausgetrieben. Dieser sorgt auch bei der Rückbewegung mehrheitlich für das Ansaugen der Frischluft. Es ist noch hinzuzufügen, daß die Spülverluste also wesentlich geringer als bei einem üblichen Zweitaktmotor sind.

Aus dem Diagramm gemäß Fig. 8 geht hervor, daß bei der ge­ wählten Konstellation für Hub- und Phasenverschiebung der Expansionshub ca. 50% größer als der Kompressionshub ist. Andere Werte sind jedoch durch entsprechende Phasenverschie­ bung und/oder unterschiedliche Kurbelkreisdurchmesser 12, 13 bzw. 21′, 22′ möglich.

Es empfiehlt sich gemäß Fig. 9 vier Zylinder in Anordnung eines geschlossenen Linienzuges vorzusehen. Insbesondere eignet sich die Ausrichtung der Zylinder nach den Seitenlini­ en eines Quadrates, wobei die Kurbelwellen in den jeweiligen Eckpunkten anzuordnen sind. Dies in der Weise, daß sich Kurbelwellen und gleichgroße Kurbelkreisdurchmesser diagonal gegenüberliegen.

Eingangs wurde schon erläutert, daß die Phasenverschiebung der Bewegung der Kolben betrieblich zur Veränderung des Kompressionsraumes verstellbar ist. Dies geschieht gemäß Fig. 10-13 durch eine betrieblich durchgeführte Phasenver­ schiebung der Drehbewegungen der Kurbelwellen 8, 9.

Gemäß Fig. 10 und 11 sind die Kurbelwellen 8, 9 über ein schrägverzahntes, verstellbares Zahnradgetriebe 29 miteinan­ der gekuppelt. Letzteres besitzt ein auf der Kurbelwelle 8 ortsfest angeordnetes, geradverzahntes Zahnrad 30. Dieses kämmt mit einem eine Geradverzahnung aufweisenden Stirnrad 31, welches über einen abgesetzten Bund 32 einstückig mit einem Zwischenrad 33 ist. Im Gegensatz zu den Zahnrädern 30, 31 ist dieses mit einer Schrägverzahnung versehen. Die aus Zwischenrad 33, Bund 32 und Stirnrad 31 bestehende Einheit ist undrehbar auf einer zwischen den Kurbelwellen 8, 9 ange­ ordneten Achse 34 in der dargestellten Doppelpfeilrichtung a verschieblich angeordnet. Das Zwischenrad 33 seinerseits kämmt mit einem ebenfalls schrägverzahnten Zahnrad 35, wel­ ches fest auf der Kurbelwelle 9 sitzt. Das Zwischenrad 33 ist breiter als das Zahnrad 35. Ferner ist das Zahnrad 30 breiter als das Stirnrad 31, so daß trotz einer Verschiebung des Zwischenrades 33 stets der Zahneingriff aufrechterhalten bleibt.

Eine axiale Verschiebung des Zwischenrades 33 bewirkt eine Kurbelwinkelverstellung um das Maß b verbunden mit einer Veränderung der Größe des minimalen Kompressionsraumes KRmin. Fig. 14 veranschaulicht mit gestrichelten Linien, daß der minimale Kompressionsraum KR′min größer wird einherge­ hend mit der Verkleinerung des Kompressionsverhältnisses. Dies ist erforderlich, wenn ein hoher Ladedruck bzw. hohe Leistung bei einem mit Laderantrieb beatmeten Motor verlangt wird. Beim Anfahren oder bei geringem Ladedruck wird demge­ genüber ein kleiner Kompressionraum eingestellt werden, um auch in diesem Lastbereich eine optimale Verdichtung und Zündung zu erhalten. Der entsprechende, nicht veranschaulich­ te Verstellmechanismus wird vorzugsweise in Abhängigkeit vom Ladedruck und/oder vom Lastzustand automatisch betätigt. Der Verstellmechanismus kann hydraulisch, elektrisch, pneuma­ tisch oder mechanisch arbeiten.

Gemäß Fig. 12 und 13 dient zur Phasenverschiebung der Drehbe­ wegungen der Kurbelwellen 8, 9 ein Differentialgetriebe 36. Die Kurbelwellen 8, 9 sind mit fest auf ihnen angeordneten Zahnrädern 37, 47 bestückt. Mit dem Zahnrad 37 kämmt ein Zwischenrad 38, welches seinerseits ein Tellerrad 39 ausbil­ det. Das Zwischenrad 38 mit Tellerrad 39 sitzen drehbar auf einer Achse 40, welche zwischen den Kurbelwellen 8, 9 ange­ ordnet ist. Mit dem Tellerrad 39 kämmen drei Kegelräder 41, die in gleicher Winkelverteilung an einem drehbar auf der Achse 40 gelagerten Gehäuse 42 angeordnet sind. Das die Kegelräder 41 drehbar aufnehmende Gehäuse 42 ist mit einem in Richtung der Kurbelwelle 9 ausladenden Arm 43 versehen, an welchem ein Verstellgestänge 44 angreift. In Gegenüberla­ ge zum Tellerrad 39 erstreckt sich ein weiteres Tellerrad 45, das ebenfalls mit einem Zwischenrad 46 einstückig gestal­ tet und drehbar auf der Achse 40 gelagert ist. Letzteres kämmt mit dem fest auf der Kurbelwelle 9 angeordneten Zahn­ rad 47.

Zwecks einer Kurbelwinkelverstellung und daraus resultieren­ der Veränderung der Größe des Kompressionsraumes verschwenkt das Verstellgestänge 44 das Gehäuse 42 in der einen oder anderen Richtung, welche Bewegung zu einer Kurbelwinkelver­ stellung führt, und zwar in der einen oder anderen Richtung.

Das in Fig. 15 veranschaulichte Steuerdiagramm zeigt mit strichpunktierten Linien eine Phasenverschiebung um das Maß b. Hieraus resultiert eine Vergrößerung des kleinstmöglichen Kompressionsraumes KRmin auf KR′min. Ein dazugehörender Verbrennungsmotor arbeitet dann ohne Laderantrieb. Die ent­ sprechenden Bezugszeichen in dieser Fig. 15 sind aus Fig. 8 übernommen.

Die in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirkli­ chung der Erfindung in ihren verschiedensten Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims (21)

1. Maschine, aufweisend einen Zylinder mit zwei gegeneinan­ der gerichteten, zwischen sich einen Arbeitsraum belassenden Kolben, wobei Ein- und Auslaßöffnungen in den Arbeitsraum münden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (2, 3, 17, 18) sich mit unterschiedlicher Frequenz in dem Zylinder (1 bzw. 16) bewegen, jeweils gekuppelt mit Kurbelwellen (8, 9 bzw. 21, 22) entsprechend unterschiedlicher Drehzahl.

2. Maschine, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an den Kurbelwellen (8, 9, 21, 22) unterschied­ lich große Kurbelkreisdurchmesser (12, 13 bzw. 21′, 22′) ausgebildet sind.

3. Maschine, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem mit geringerer Frequenz bewegten Kolben (3, 18) ein Kurbel­ kreisdurchmesser (13 bzw. 22′) etwa halber Größe des Kolbens (2 bzw. 17) zugeordnet ist.

4. Maschine, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenz- bzw. Drehzahlverhältnis 1 : 2 ist.

5. Maschine, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine ein Verbrennungsmotor nach dem Otto- oder Diesel­ prinzip ist und mittels der unterschiedlichen Frequenz ein gegenüber dem Kompressionshub vergrößerter Expansionshub eingestellt ist.

6. Maschine, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine eine Arbeitsmaschine, insbesondere eine Wärmepumpe ist, und daß mittels der unterschiedlichen Frequenz ein gegenüber dem Expansionshub vergrößerter Kompressionshub eingestellt ist.

7. Maschine, insbesondere nach Anspruch 1, wobei die Kolben mittels Kolbenringe abgedichtet sind, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kolbenringe derart versetzt zum Kolbenboden angeordnet sind, daß diese ein in der Zylinderwand befind­ liches Ein- und Auslaßventil (6, 7, 28) nicht überlaufen.

8. Maschine, insbesondere nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kol­ ben (17, 18) sich phasenverschoben bewegen.

9. Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung in der Ausgangslage ca. 60° beträgt.

10. Maschine, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (24) durch Auslaßschlitze (27) gebildet ist.

11. Maschine, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auslaßöffnungen (4, 5 bzw. 23, 24) auf unterschied­ lichen Querschnittsebenen angeordnet sind.

12. Maschine, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vier Zylinder (1) in Anordnung eines geschlossenen Linienzuges vorgesehen sind, wobei die Kurbelwellen (8, 9) in den jewei­ ligen Eckpunkten angeordnet sind.

13. Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Zylinder (1) in der Grundform eines Quadrates ange­ ordnet sind.

14. Maschine, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung der Bewegung der Kolben betrieblich zur Veränderung des Kompressionsraumes (KRmin) verstellbar ist.

15. Maschine, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehbewegungen der Kurbelwellen (8, 9 bzw. 21, 22) betrieb­ lich phasenverschiebbar sind.

16. Maschine, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwellen (8, 9) über ein schrägverzahntes, verstellbares Zahnradgetriebe (29) miteinander gekuppelt sind.

17. Maschine, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf einer Kurbelwelle (9) ortsfest angeordnetes Zahnrad (35) mit einem auf einer Achse (34) verschiebbar angeordneten Zwischenrad (33) kämmt.

18. Maschine, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Kurbelwellen (8, 9) ortsfest angeordnete Zahnräder (37, 47) über ein zwischengeschaltetes Differentialgetriebe (36) miteinander gekuppelt sind.

19. Maschine, wobei eine Verdichtung der Ladung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung in Abhängigkeit von dem Ladedruck selbsttätig erfolgt.

20. Maschine, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung in Abhängigkeit von dem Lastzustand selbsttätig erfolgt.

21. Maschine, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine für verschiedene Brennstoffarten, z.B. Benzin, Dieselöl, Gasöl, Pflanzenöl etc. betrieblich einstellbar ist.