DE60225451T2 - Geteilter viertaktverbrennungsmotor - Google Patents

Geteilter viertaktverbrennungsmotor Download PDF

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbrennungsmotoren. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Viertaktzyklus-Verbrennungsmotor, der ein Paar versetzte Kolben aufweist, wobei ein Kolben des Paars für den Ansaughub und den Kompressionshub und ein anderer Kolben des Paars für den Arbeitshub und den Auspuffhub verwendet wird und wobei jeder Viertaktzyklus in einer Umdrehung der Kurbelwelle abgeschlossen wird.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Verbrennungsmotoren sind alle Vorrichtungen, die zu der Gruppe zählen, bei der die Reaktionspartner der Verbrennung, z. B. das Oxidationsmittel und der Kraftstoff, und die Produkte der Verbrennung als die Arbeitsmedien des Motors dienen. Die grundlegenden Komponenten eines Verbrennungsmotors sind beim Stand der Technik gut bekannt und umfassen den Motorblock, den Zylinderkopf, Zylinder, Kolben, Ventile, Kurbelwelle und Nockenwelle. Die Zylinderköpfe, Zylinder und Kolbenböden bilden typischerweise Verbrennungskammern, in die Kraftstoff und ein Oxidationsmittel (z. B. Luft) eingeführt wird und wo die Verbrennung stattfindet. Ein derartiger Motor gewinnt seine Energie aus der Hitze, die bei der Verbrennung der nicht-reagierten Arbeitsmedien, z. B. der Mischung aus Oxidationsmittel und Kraftstoff, freigesetzt wird. Dieser Prozess tritt im Inneren des Motors auf und ist Bestandteil des thermodynamischen Zyklusprozesses der Vorrichtung. In allen Verbrennungsmotoren wird die Nutzarbeit aus den heißen, gasförmigen Produkten der Verbrennung gewonnen, die direkt auf sich bewegende Oberflächen des Motors einwirken, beispielsweise auf den Boden oder den Kopf des Kolbens. Im Allgemeinen wird die hin- und hergehende Bewegung der Kolben über Verbindungsstangen in die Rotationsbewegung einer Kurbelwelle umgewandelt.
  • Verbrennungsmotoren (IC-Motoren – Internal Combustion) können in die Kategorien Funkenzündung (Spark Ignition – SI) und Kompressionszündung (Compression Ignition – CI) eingeteilt werden. Bei SI-Motoren, d. h. typischen Benzinmotoren, wird ein Funke verwendet, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu zünden, während bei CI- Motoren, d. h. bei typischen Dieselmotoren, die Kompressionshitze das Luft-Kraftstoff-Gemisch zündet.
  • Der am meisten verbreitete Verbrennungsmotor ist der Viertaktmotor, ein Konzept, dessen grundlegende Konstruktion sich seit mehr als 100 Jahren nicht geändert hat. Dies liegt an seiner herausragenden Leistungsfähigkeit als Antriebsmaschine auf dem Gebiet des Bodentransports. Bei einem Viertaktmotor wird die Leistung aus dem Verbrennungsprozess in vier getrennten Kolbenbewegungen (Takten bzw. Hüben) eines einzelnen Kolbens gewonnen. Für die hier vorgesehenen Zwecke wird ein Takt bzw. Hub als eine vollständige Bewegung eines Kolbens von einer oberen Totpunktposition in eine untere Totpunktposition oder umgekehrt definiert. Demgemäß ist ein Viertaktmotor hier als ein Motor definiert, der vier vollständige Takte bzw. Hübe von einem oder mehreren Kolben für jeden Arbeitshub benötigt, d. h. für jeden Hub, der Leistung an eine Kurbelwelle liefert.
  • Unter Bezug auf 14 ist eine exemplarische Ausführungsform eines Viertaktmotors nach dem Stand der Technik mit 10 dargestellt. Zu Vergleichszwecken beschreiben die folgenden vier Abbildungen 14 das, was als "Standardmotor" 10 nach dem Stand der Technik bezeichnet wird. Wie im Anschluss detailliert erklärt wird, ist dieser Standardmotor 10 ein SI-Motor mit einem Kolben mit einem Durchmesser von 4 Zoll (101,6 mm) einem Hub von 4 Zoll (101,6 mm) und einem Kompressionsverhältnis von 8 zu 1. Das Kompressionsverhältnis ist hier als das Maximalvolumen einer vorgegebenen Masse eines Luft-Kraftstoff-Gemischs vor einem Kompressionshub, dividiert durch das Volumen dieser Masse des Luft-Kraftstoff-Gemischs am Zündpunkt, definiert. Für den Standardmotor entspricht das Kompressionsverhältnis im Wesentlichen dem Verhältnis des Volumens im Zylinder 14, wenn sich der Kolben 16 am unteren Totpunkt befindet, zum Volumen im Zylinder 14, wenn sich der Kolben 16 am oberen Totpunkt befindet.
  • Der Motor 10 umfasst einen Motorblock 12, durch den der Zylinder 14 verläuft. Der Zylinder 14 hat eine solche Größe, dass darin der hin- und hergehende Kolben 16 aufgenommen wird. An der Oberseite des Zylinders 14 ist der Zylinderkopf 18 befestigt, der ein Einlassventil 20 und ein Auslassventil 22 enthält. Der Zylinderkopf 18, der Zylinder 14 und der Boden (oder Kopf 24) des Kolbens 16 bilden eine Verbrennungskammer 26. Beim Ansaughub (1) wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch durch einen Ansaugdurchgang 28 und das Einlassventil 20 in die Verbrennungskammer 26 eingeführt, wobei die Mischung durch die Zündkerze 30 gezündet wird. Die Produkte der Verbrennung werden später durch das Auslassventil 22 und den Auslassdurchgang 32 beim Auspuffhub (4) ausgestoßen. Eine Verbindungsstange 34 ist an ihrem oberen distalen Ende 36 schwenkbar an dem Kolben 16 befestigt. Eine Kurbelwelle 38 enthält einen mechanischen Versatzabschnitt, der als die Kurbelwellenkröpfung 40 bezeichnet wird, der schwenkbar am unteren distalen Ende 42 der Verbindungsstange 34 befestigt ist. Die mechanische Verbindung der Verbindungsstange 34 mit dem Kolben 16 und der Kurbelwellenkröpfung 40 dient dazu, die hin- und hergehende Bewegung (angezeigt durch den Pfeil 44) des Kolbens 16 in die Rotationsbewegung (angezeigt durch den Pfeil 46) der Kurbelwelle 38 umzuwandeln. Die Kurbelwelle 38 ist mechanisch (nicht dargestellt) mit einer Einlassnockenwelle 48 und einer Auslassnockenwelle 50 verbunden, welche das Öffnen und Schließen des Einlassventils 20 bzw. des Auslassventils 22 präzise steuern.
  • Der Zylinder 14 weist eine Mittellinie (Kolben-Zylinder-Achse) 52 auf, die auch die Mittellinie der Hin- und Herbewegung des Kolbens 16 ist. Die Kurbelwelle 38 weist ein Rotationszentrum (Kurbelwellenachse) 54 auf. Für die Zwecke dieser Beschreibung handelt es sich bei der Rotationsrichtung 46 der Kurbelwelle 38 um die Richtung im Uhrzeigersinn aus der Blickrichtung des Betrachters auf die Ebene des Papiers. Die Mittellinie 52 des Zylinders 14 verläuft direkt durch das Rotationszentrum 54 der Kurbelwelle 38.
  • Unter Bezug auf 1 senkt sich der Kolben 16 zunächst im Ansaughub bei geöffnetem Einlassventil 20 ab (durch die Richtung des Pfeils 44 angezeigt). Eine vorgegebene Masse einer explosiven Mischung aus Kraftstoff (Benzindampf) und Luft wird durch das dabei entstehende partielle Vakuum in die Verbrennungskammer 26 eingezogen. Der Kolben senkt sich weiter ab, bis er seinen unteren Totpunkt (Bottom Dead Center – BDC) erreicht, also den Punkt, an dem sich der Kolben am weitesten vom Zylinderkopf 18 entfernt befindet.
  • Unter Bezug auf 2 wird die Mischung im Kompressionshub bei geschlossenen Einlass- 20 und Auslassventilen 22 komprimiert, wenn der Kolben 16 aufsteigt (durch die Richtung des Pfeils 44 angezeigt). Wenn beim Ende des Hubs eine Annäherung an den oberen Totpunkt (Top Dead Center – TDC) erfolgt, d. h. an den Punkt, an dem sich der Kolben 16 am nächsten zum Zylinderkopf 18 befindet, ist das Volumen der Mischung auf ein Achtel seines Anfangsvolumens komprimiert (aufgrund eines Kompressionsverhältnisses von 8 zu 1). Die Mischung wird dann durch einen elektrischen Funken von der Zündkerze 30 gezündet.
  • Unter Bezug auf 3 folgt der Arbeitshub, während die beiden Ventile 20 und 22 weiterhin geschlossen sind. Der Kolben 16 wird aufgrund der Ausdehnung des verbrannten Gases, das auf den Kopf 24 des Kolbens 16 drückt, nach unten in Richtung des unteren Totpunkts (BDC) getrieben (angezeigt durch den Pfeil 44). Da die Zündkerze 30 gezündet wird, wenn sich der Kolben 16 am oder nahe am TDC befindet, d. h. in seiner Zündposition, hat der durch das gezündete Gas auf den Kolben 16 ausgeübte Verbrennungsdruck (angezeigt durch den Pfeil 56) an diesem Punkt sein Maximum. Dieser Druck 56 wird über die Verbindungsstange 34 übertragen und resultiert in einer Tangentialkraft oder einem Drehmoment (angezeigt durch den Pfeil 58) auf die Kurbelwelle 38.
  • Wenn sich der Kolben 16 in seiner Zündposition befindet, gibt es einen signifikanten Freiabstand 60 zwischen der Oberseite des Zylinders 14 und dem Kopf 24 des Kolbens 16. Dieser Freiabstand beträgt typischerweise 0,5 bis 0,6 Zoll (12,7 bis 15,24 mm). Für den dargestellten Standardmotor 10 beträgt der Freiabstand im Wesentlichen 0,571 Zoll (14,50 mm). Wenn sich der Kolben 16 in seiner Zündposition befindet, sind die Bedingungen für die Zündung optimal, d. h. es liegen optimale Zündbedingungen vor. Zu Vergleichszwecken sind die Zündbedingungen des Motors 10 in dieser exemplarischen Ausführungsform: 1) ein Kolben mit einem Durchmesser von 4 Zoll (101,6 mm, 2) ein Totraum von 7,181 Kubikzoll (117,70 mm3), 3) ein Druck vor der Zündung von ungefähr 270 psia (pounds per square inch absolute (18,616 Bar)), 4) ein maximaler Verbrennungsdruck nach der Zündung von ungefähr 1200 psia (82,74 Bar) und 5) ein Betrieb bei 1400 Umdrehungen pro Minute.
  • Dieser Freiabstand 60 korrespondiert typischerweise mit dem Kompressionsverhältnis von 8 zu 1. Typischerweise arbeiten SI-Motoren optimal mit einem festen Kompressionsverhältnis in einem Bereich von etwa 6,0 bis 8,5, während die Kompressionsverhältnisse von CI-Motoren typischerweise im Bereich von etwas 10 bis 16 liegen. Die Zündposition des Kolbens 16 liegt allgemein am oder nahe am TDC und repräsentiert das optimale Volumen und den optimalen Druck zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs. Würde der Freiabstand 60 geringer ausgelegt, würde sich der Druck rapide erhöhen.
  • Unter Bezug auf 4 drückt der aufsteigende Kolben 16 während des Auspuffhubs die verbrauchten Verbrennungsprodukte durch das offene Auslassventil (oder Auspuffventil) 22. Der Zyklus wiederholt sich dann. Für diesen Viertaktmotor 10 nach dem Stand der Technik sind vier Hübe von jedem Kolben 16, d. h. Ansaug-, Kompressions-, Arbeits- und Auspuffhub, und zwei Umdrehungen der Kurbelwelle 38 erforderlich, um einen Zyklus abzuschließen, d. h. um einen Arbeitshub zu liefern.
  • Problematischerweise beträgt der thermodynamische Gesamtwirkungsgrad des standardmäßigen Viertaktmotors 10 nur ungefähr ein Drittel (1/3). Das heißt, dass 1/3 der Arbeit an die Kurbelwelle geliefert wird, 1/3 durch Abwärme verloren geht und 1/3 durch den Auspuff verloren geht.
  • Wie in 3 und 5 dargestellt ist, besteht einer der Primärgründe für diesen niedrigen Wirkungsgrad in der Tatsache, dass Spitzendrehmoment und Spitzenverbrennungsdruck von Natur aus phasenverschoben fixiert sind. 3 zeigt die Position des Kolbens 16 am Beginn eines Arbeitshubs, wenn sich der Kolben 16 in seiner Zündposition am oder nahe am TDC befindet. Wenn die Zündkerze 30 zündet, übt der gezündete Kraftstoff den maximalen Verbrennungsdruck 56 auf den Kolben 16 aus, der über die Verbindungsstange 34 auf die Kurbelwellenkröpfung 40 der Kurbelwelle 38 übertragen wird. Allerdings sind die Verbindungsstange 34 und die Kurbelwellenkröpfung 40 in dieser Position beide fast an der Mittellinie 52 des Zylinders 14 ausgerichtet. Deshalb ist das Drehmoment 58 fast senkrecht zur Kraftrichtung 56 und hat seinen minimalen Wert. Die Kurbelwelle 38 muss sich auf den Schwung verlassen, der durch ein befestigtes Schwungrad (nicht dargestellt) erzeugt wird, um über diese Position hinaus zu rotieren.
  • Unter Bezug auf 5 senkt sich der Kolben 16 ab, wenn sich das gezündete Gas in der Verbrennungskammer 26 ausdehnt, und der Verbrennungsdruck 56 sinkt. Wenn jedoch die Kurbelwellenkröpfung 40 über die Mittellinie 52 und den TDC hinaus rotiert, beginnt die resultierende Tangentialkraft bzw. das Drehmoment 58 zu wachsen. Das Drehmoment 58 erreicht einen Maximalwert, wenn die Kurbelwellenkröpfung 40 um ungefähr 30 Grad über die Mittellinie 52 hinaus rotiert. Die Rotation über diesen Punkt hinaus bewirkt einen derartig starken Abfall des Drucks 56, dass das Drehmoment 58 beginnt, wieder zu sinken, bis sowohl der Druck 56 als auch das Drehmoment 58 ein Minimum am BDC erreichen. Daher sind der Punkt des maximalen Drehmoments 58 und der Punkt des maximalen Verbrennungsdrucks 56 von Natur aus um etwa 30 Grad phasenverschoben fixiert.
  • Unter Bezug auf 6 kann dieses Konzept weiter erläutert werden. Hier ist mit 62 ein Kurvenverlauf der Tangentialkraft oder des Drehmoments im Verhältnis zu den Rotationsgraden vom TDC zum BDC für den Standardmotor 10 nach dem Stand der Technik dargestellt. Zusätzlich ist mit 64 ein Kurvenverlauf des Verbrennungsdrucks im Verhältnis zu den Rotationsgraden vom TDC zum BDC für den Motor 10 dargestellt. Die Berechnungen für die Kurvenverläufe 62 und 64 basierten auf dem Standardmotor 10 nach dem Stand der Technik mit einem Hub von vier Zoll (101,6 mm), einem Kolben mit einem Durchmesser von vier Zoll (101,6 mm) und einem maximalen Verbrennungsdruck bei der Zündung von etwa 1200 PSIA (82,74 Bar). Wie aus den Kurvenverläufen ersichtlich wird, tritt der Punkt des maximalen Verbrennungsdrucks 66 bei ungefähr 0 Grad vom TDC auf, und der Punkt des maximalen Drehmoments 68 tritt ungefähr 30 Grad später auf, wenn sich der Druck 64 bereits erheblich verringert hat. Beide Kurvenverläufe 62 und 64 nähern sich ihren Minimalwerten am BDC oder im Wesentlichen 180 Rotationsgrade nach dem TDC an.
  • Eine alternative Möglichkeit zur Erhöhung des thermodynamischen Wirkungsgrads eines Viertaktmotors besteht in der Erhöhung des Kompressionsverhältnisses des Motors. Allerdings haben Fahrzeughersteller festgestellt, dass SI-Motoren typischerweise optimal mit einem Kompressionsverhältnis in einem Bereich von etwa 6,0 bis 8,5 arbeiten, während CI-Motoren typischerweise optimal in einem Kompressionsverhältnisbereich von etwa 10 bis 16 arbeiten. Das liegt daran, dass bei einer Erhöhung der Kompressionsverhältnisse für SI- oder CI-Motoren über die Durchschnittsbereiche hinaus verschiedene andere Probleme auftreten, welche die gewonnenen Vorteile wieder zunichte machen. Beispielsweise muss der Motor schwerer und massiver gebaut werden, um die auftretenden größeren Drücke handhaben zu können. Außerdem beginnen Probleme vorzeitiger Zündung aufzutreten, was besonders bei SI-Motoren der Fall ist.
  • Viele ziemlich exotische frühe Motorkonstruktionen wurden patentiert. Allerdings war keine von diesen in der Lage, größere Wirkungsgrade oder andere deutliche Vorteile zu erzielen und damit den oben exemplarisch erläuterten Standardmotor 10 zu ersetzen. Einige dieser frühen Patente waren: Die US-Patente Nr. 848,029 ; 939,376 ; 1,111,841 ; 1,248,250 ; 1,301,141 ; 1,392,359 ; 1,856,048 ; 1,969,815 ; 2,091,410 ; 2,091,411 ; 2,091,412 ; 2,091,413 ; 2,269,948 ; 3,895,614 ; das britische Patent Nr. 299,602 ; das britische Patent Nr. 721,025 und das italienische Patent Nr. 505,576 .
  • Insbesondere das US-Patent Nr. 1,111,841 an Koenig offenbarte eine geteilte Kolben-/Zylinderkonstruktion nach dem Stand der Technik, bei der ein Ansaug- und Kompressionshub in einer Kombination aus Kompressionskolben 12 und -zylinder 11 bewerkstelligt wurden, und ein Arbeits- und ein Auspuffhub in einer Kombination aus Motorkolben 7 und -zylinder 8 bewerkstelligt wurden. Jeder Kolben 7 und 12 bewegt sich entlang einer Kolben-Zylinder-Achse hin und her, die sich mit der einzelnen Kurbelwelle 5 schnitt (siehe 3 ebenda). Eine thermische Kammer 24 verbindet die Köpfe der Kompressions- und Motorzylinder, wobei ein Ende zum Motorzylinder hin offen ist und das andere Ende eine ventilgesteuerte Ausströmöffnung 19 aufweist, die mit dem Kompressorzylinder kommuniziert. Ein wassergekühlter Wärmeaustauscher 15 ist an der Oberseite des Kompressorzylinders 11 angeordnet, um die Luft oder das Luft-Kraftstoff-Gemisch bei der Komprimierung zu kühlen. Eine Gruppe von im Abstand zueinander angeordneten thermischen Platten 25 ist im Inneren der thermischen Kammer 24 angeordnet, um das zuvor gekühlte komprimierte Gas bei dessen Passage wieder zu erhitzen.
  • Es wurde gedacht, dass der Motor an Wirkungsgrad gewinnen würde, indem die Komprimierung des Gases durch dessen Kühlung erleichtert wird. Anschließend wurde das Gas in der thermischen Kammer erneut erwärmt, um dessen Druck bis zu einem Punkt zu erhöhen, an dem eine effiziente Zündung erfolgen könnte. Beim Auspuffhub wurden die heißen Abgase durch die thermische Kammer zurückgeleitet und aus einer Auspufföffnung 26 ausgeleitet, um die thermische Kammer wieder zu erwärmen.
  • Leider erforderte die Gasübertragung bei allen Motoren mit einer geteilten Kolbenkonstruktion nach dem Stand der Technik immer Arbeit, was den Wirkungsgrad verringert. Außerdem führte die zusätzliche Ausdehnung der thermischen Kammer auf den Motorzylinder gemäß Koenig auch zu einer Senkung des Kompressionsverhältnisses. Der Standardmotor 10 benötigt keinen solchen Übertragungsprozess und die damit verbundene zusätzliche Arbeit. Darüber hinaus bot die Kühlung und erneute Erwärmung des Gases in beide Richtungen durch die thermische Kammer hindurch keinen ausreichend großen Vorteil, um die Verluste wettzumachen, die während des Gasübertragungsprozesses auftraten. Deshalb führte das Koenig-Patent zu einem Verlust an Wirkungsgrad und Kompressionsverhältnis im Verhältnis zum Standardmotor 10.
  • Für die hier vorgesehenen Zwecke ist eine Kurbelwellenachse als versetzt gegenüber der Kolben-Zylinder-Achse definiert, wenn sich die Kurbelwellenachse und die Kolben-Zylinder-Achse nicht schneiden. Der Abstand zwischen der verlängerten Kurbelwellenachse und der verlängerten Kolben-Zylinder-Achse, der entlang einer Linie gemessen wird, die senkrecht zur Kolben-Zylinder-Achse gezogen wird, ist als der Versatz definiert. Typischerweise sind versetzte Kolben durch gut bekannte Verbindungsstangen und Kurbelwelienkröpfungen mit der Kurbelwelle verbunden. Allerdings würde ein Fachmann auf dem Gebiet der Technik anerkennen, dass versetzte Kolben durch verschiedene andere mechanische Verbindungsmittel operativ mit einer Kurbelwelle verbunden sein können. Beispielsweise kann ein erster Kolben mit einer ersten Kurbelwelle verbunden sein, und ein zweiter Kolben kann mit einer zweiten Kurbelwelle verbunden sein, und die beiden Kurbelwellen können durch ein Getriebesystem operativ miteinander verbunden sein. Alternativ können schwenkbare Hebelarme oder andere mechanische Verbindungsmittel in Verbindung mit den oder anstatt der Verbindungsstangen und Kurbelwellenkröpfungen verwendet werden, um die versetzten Kolben operativ mit der Kurbelwelle zu verbinden.
  • Eine bestimmte Technologie im Zusammenhang mit Verbrennungsmotoren mit hin- und hergehenden Kolben, bei denen die Kurbelwellenachse gegenüber den Kolben-Zylinder-Achsen versetzt ist, d. h. diese nicht schneidet, ist in den US-Patenten Nr. 810,347 ; 2,957,455 ; 2,974,541 ; 4,628,876 ; 4,945,866 und 5,146,884 ; im japanischen Patentdokument 60-256,642 ; im sowjetischen Patentdokument 1551-880-A und in den Tagungsprotokollen der Japanese Society of Automotive Engineers (JSAE) von 1996, Ausgabe 966, Seiten 129–132 beschrieben. Gemäß den in diesen Veröffentlichungen enthaltenen Beschreibungen sind die verschiedenen Motor geometrien durch verschiedene Überlegungen motiviert, wozu Leistungs- und Drehmomentverbesserungen sowie Reibungs- und Schwingungsreduzierungen zählen. Außerdem kamen in Rennmotoren des frühen zwanzigsten Jahrhunderts so genannte Inline- oder Reihenmotoren zum Einsatz, bei denen die Kurbelwellenachse gegenüber den Kolbenachsen versetzt waren.
  • Allerdings ergaben sich sämtliche erzielte Verbesserungen aus der Erhöhung der Drehmomentwinkel ausschließlich im Arbeitshub. Leider, und wie das weiter unten noch detailliert erläutert wird, galt: je größer der Vorteil eines Versatzes für den Arbeitshub war, desto größer war auch der Nachteil, der damit für den Kompressionshub verbunden war. Deshalb wird der Grad des Versatzes schnell selbstbegrenzend, indem die Vorteile in Bezug auf Drehmoment, Leistung, Reibung und Schwingung für den Arbeitshub nicht die Nachteile in Bezug auf dieselben Funktionen für den Kompressionshub wettmachen können. Außerdem wurden keine Vorteile in Bezug auf Versätze zur Optimierung des Kompressionshubs gelehrt oder diskutiert.
  • Als Beispiel wurde kürzlich beim Stand der Technik ein Versuch zur Erhöhung des Wirkungsgrads bei einer Konstruktion vom Typ des Standardmotors 10 durch die Verwendung eines Versatzes im US-Patent Nr. 6,058,901 an Lee offenbart. Lee glaubt, dass sich ein verbesserter Wirkungsgrad ergibt, indem die Reibungskräfte der Kolbenringe an den Seitenwänden über die volle Dauer von zwei Umdrehungen eines Viertaktzyklus reduziert werden (siehe Lee, Spalte 4, Zeilen 10–16). Lee versucht dies zu erreichen, indem ein versetzter Zylinder bereitgestellt wird, wobei das Timing der Verbrennung in jedem Zylinder so gesteuert wird, dass das Auftreten eines maximalen Verbrennungsdrucks bewirkt wird, wenn eine imaginäre Ebene, welche sowohl eine jeweilige Verbindungsachse einer jeweiligen Verbindungsstange zum jeweiligen Kolben als auch eine jeweilige Verbindungsachse der Verbindungsstange zu einer jeweiligen Kröpfung der Kurbelwelle enthält, im Wesentlichen mit der jeweiligen Zylinderachse übereinstimmt, entlang der sich der Kolben hin- und herbewegt.
  • Allerdings ist der Versatz zwar während des Arbeitshubs ein Vorteil, er wird jedoch während des Kompressionshubs zu einem Nachteil. Das heißt, wenn sich der Kolben während des Kompressionshubs vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt bewegt, dann erzeugt die versetzte Kolben-Zylinder-Achse einen Winkel zwischen der Kurbelwellenkröpfung und der Verbindungsstange, welcher eine Reduzierung des Drehmoments bewirkt, das auf den Kolben einwirkt. Außerdem führen die Seitenkräfte, die sich aus den schlechten Drehmomentwinkeln beim Kompressionshub ergeben, tatsächlich zu einer verstärkten Abnutzung der Kolbenringe. Dementsprechend muss ein größerer Betrag an Leistung verbraucht werden, um das Gas zum Abschluss des Kompressionshubs zu komprimieren, wenn sich der Versatz erhöht. Deshalb ist der Betrag an Versatz erheblich durch seine eigenen Nachteile auf der Kompressionsseite begrenzt. Dementsprechend wurden beim bisherigen Stand der Technik keine großen Versätze, d. h. Versätze, bei denen die Kurbelwelle um mindestens 20 Grad über einen oberen Totpunkt der Kolben hinaus rotieren musste, bevor der Kolben eine Zündposition erreichen kann, nicht eingesetzt, offenbart oder gelehrt. Als ein Ergebnis dessen können die relativ großen Versätze, die zu einer substantiellen Ausrichtung des Spitzendrehmoments am Spitzenverbrennungsdruck erforderlich sind, mit der Erfindung von Lee nicht erzielt werden.
  • Motoren mit variablem Kompressionsverhältnis (Variable Compression Ratio – VCR) sind eine Klasse der CI-Motoren nach dem Stand der Technik, die konstruiert wurden, um das variierende Kompressionsverhältnis eines Motors auszunutzen, um dessen Wirkungsgrad zu erhöhen. Ein solches typisches Beispiel ist im US-Patent Nr. 4,955,328 an Sobotowski offenbart. Sobotowski beschreibt einen Motor, bei dem das Kompressionsverhältnis variiert wird, indem die Phasenbeziehung zwischen zwei Kolben verändert wird, die in Zylindern arbeiten, welche durch einen Übertragungsanschluss miteinander verbunden sind, der einen Gasfluss in beide Richtungen zulässt.
  • Allerdings bringt die Änderung der Phasenbeziehung zum Variieren der Kompressionsverhältnisse Konstruktionsanforderungen an den Motor mit sich, die dessen Komplexität enorm erhöhen und dessen Nutzbarkeit verringern. Beispielsweise muss sich jeder Kolben des Kolbenpaars über alle vier Hübe eines kompletten Viertaktzyklus hinweg hin- und herbewegen und muss durch ein Paar Kurbelwellen angetrieben werden, die pro Viertaktzyklus um zwei volle Umdrehungen rotieren. Außerdem werden die Verbindungsmittel zwischen dem Kurbelwellenpaar sehr komplex und schwer. Auch ist der Motor von der Konstruktion her aufgrund der auftretenden höheren Kompressionsverhältnisse auf CI-Motoren beschränkt.
  • In relativ jüngster Zeit wurden auch verschiedene andere spezialisierte Motoren nach dem Stand der Technik konstruiert, um den Motorwirkungsgrad zu erhöhen. Ein derartiger Motor ist im US-Patent Nr. 5,546,897 an Brackett mit dem Titel "Internal Combustion Engine with Stroke Specialized Cylinders" beschrieben. Bei Brackett ist der Motor in einen Arbeitsabschnitt und einen Kompressorabschnitt unterteilt. Der Kompressorabschnitt liefert verdichtete Luft an den Arbeitsabschnitt, welcher eine Kreuzschleifen- bzw. eine konjugierte Antriebsbewegungsübersetzungskonstruktion verwendet, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Der spezialisierte Motor kann als ein Boxermotor beschrieben werden, bei dem ein Paar sich gegenüberliegender Kolben sich innerhalb eines Zylinderblocks in entgegengesetzten Richtungen hin- und herbewegen.
  • Allerdings ist der Kompressor im Wesentlichen als ein Superverdichter konstruiert, der überverdichtetes Gas an den Arbeitsabschnitt liefert. Jeder Kolben in dem Arbeitsabschnitt muss sich über alle vier Hübe, also Ansaug-, Kompressions-, Arbeits- und Auspuffhub, hinweg hin- und herbewegen, da jede beteiligte Kurbelwelle pro Viertaktzyklus zwei vollständige Umdrehungen durchführen muss. Außerdem ist diese Konstruktion komplex, teuer und auf sehr spezialisiere CI-Motoren beschränkt.
  • Eine andere spezialisierte Konstruktion nach dem Stand der Technik ist im US-Patent Nr. 5,623,894 an Clarke mit dem Titel "Dual Compression and Dual Expansion Engine" beschrieben. Clarke offenbart im Wesentlichen einen spezialisierten Zweitaktmotor, bei dem gegenüberliegende Kolben in einem einzelnen Zylinder angeordnet sind, um einen Arbeitshub und einen Kompressionshub durchzuführen. Der einzelne Zylinder und die Köpfe der gegenüberliegenden Kolben definieren eine Verbrennungskammer, die sich in einem sich hin- und herbewegenden inneren Gehäuse befindet. Das Ansaugen und Abführen des Gases in die und aus der Verbrennungskammer wird durch spezielle konische Kolben und das sich hin- und herbewegende innere Gehäuse durchgeführt.
  • Allerdings ist der Motor ein hoch spezialisiertes Zweitaktsystem, bei dem die gegenüberliegenden Kolben jeweils einen Kompressionshub und einen Arbeitshub in demselben Zylinder durchführen. Außerdem ist diese Konstruktion sehr komplex und erfordert doppelte Kurbelwellen, vier Kolben und ein sich hin- und herbewegendes inneres Gehäuse, um den Zweitaktzyklus mit einer Umdrehung durchzuführen. Außerdem ist der Motor auf große CI-Motoranwendungen beschränkt.
  • WO 01/16470 offenbart einen Verbrennungsmotor mit Regenerator und Heißluftzündung. US 3,623,463 offenbart einen nach dem Viertakt-Prinzip arbeitenden Verbrennungsmotor.
  • Dementsprechend gibt es einen Bedarf für einen verbesserten Viertaktverbrennungsmotor, der einen besseren Wirkungsgrad erzielt, indem die Drehmoment- und Kraftkurven enger aneinander ausgerichtet werden, die während eines Arbeitshubs erzeugt werden, ohne dass dabei die Kompressionsverhältnisse wesentlich über die normalerweise akzeptierten Konstruktionsgrenzen erhöht werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Betreiben eines Motors bereit, umfassend:
    das Bereitstellen eines Motors, der umfasst: eine Kurbelwelle (108), die um eine Kurbelwellenachse (110) des Motors (100) rotiert; einen Arbeitskolben (114), der verschiebbar innerhalb eines ersten Zylinders (104) aufgenommen ist und operativ mit der Kurbelwelle (108) verbunden ist, so dass sich der Arbeitskolben während einer einzigen Umdrehung der Kurbelwelle um einen Arbeitshub und einen Auspuffhub eines Viertaktzyklus hin und her bewegt; einen Kompressionskolben (116), der verschiebbar innerhalb eines zweiten Zylinders (106) aufgenommen ist und operativ mit der Kurbelwelle (108) verbunden ist, so dass sich der Kompressionskolben während derselben Umdrehung der Kurbelwelle um einen Ansaughub und einen Kompressionshub desselben Viertaktzyklus hin und her bewegt;
    und das Bereitstellen eines Gasdurchgangs (144), der die ersten und zweiten Zylinder (104, 106) miteinander verbindet, wobei der Gasdurchgang ein Einlassventil (146) und ein Auslassventil (150) enthält, die zwischen sich eine Druckkammer (148) definieren, wobei das Einlassventil (146) und das Auslassventil (150) des Gasdurchgangs während des gesamten Viertaktzyklus im Wesentlichen mindestens einen vorgegebenen Zündbedingungsgasdruck in der Druckkammer aufrechterhalten; und
    das Rotieren der Kurbelwelle (108) um mindestens 20 Grad über eine Position hinaus, in der sich der Arbeitskolben (114) in seiner oberen Totpunktposition befindet, um die Zündposition des Arbeitskolbens (114) zu erreichen.
  • In einer Ausführungsform rotiert die Kurbelwelle (108) um 40 Grad über eine Position hinaus, in welcher sich der Arbeitskolben (114) in seiner oberen Totpunktposition befindet, um die Zündposition des Arbeitskolbens (114) zu erreichen. [Anmerkung des Übersetzers: In der Ursprungsfassung des englischen Originals sind irrtümlich Formulierungen aus Patentanspruch 2 in diesen Satz eingeflossen. Diese wurden durch den Übersetzer korrigiert.]
  • In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren des Weiteren das Zünden des Arbeitskolbens.
  • Die vorliegende Erfindung stellt des Weiteren einen Motor bereit, umfassend:
    eine Kurbelwelle (108), die um eine Kurbelwellenachse (110) des Motors (100) rotieren kann;
    einen Arbeitskolben (114), der verschiebbar innerhalb eines ersten Zylinders (104) aufgenommen ist und operativ mit der Kurbelwelle (108) verbunden ist, so dass sich der Arbeitskolben während einer einzigen Umdrehung der Kurbelwelle um einen Arbeitshub und einen Auspuffhub eines Viertaktzyklus hin und her bewegen kann;
    einen Kompressionskolben (116), der verschiebbar innerhalb eines zweiten Zylinders (106) aufgenommen ist und operativ mit der Kurbelwelle (108) verbunden ist, so dass sich der Kompressionskolben während derselben Umdrehung der Kurbelwelle um einen Ansaughub und einen Kompressionshub desselben Viertaktzyklus hin und her bewegen kann;
    dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasdurchgang (144) bereitgestellt ist, der die ersten und zweiten Zylinder (104, 106) miteinander verbindet, wobei der Gasdurchgang ein Einlassventil (146) und ein Auslassventil (150) enthält, die zwischen sich eine Druckkammer (148) definieren, wobei das Einlassventil (146) und das Auslassventil (150) des Gasdurchgangs so gesteuert werden können, dass sie während des gesamten Viertaktzyklus im Wesentlichen mindestens einen vorgegebenen Zündbedingungsgasdruck in der Druckkammer aufrechterhalten;
    wobei der Motor so konfiguriert ist, dass die Kurbelwelle (108) um mindestens 20 Grad über eine Position hinaus rotiert, in der sich der Arbeitskolben (114) in seiner oberen Totpunktposition befindet, um die Zündposition des Arbeitskolbens (114) zu erreichen.
  • In einer Ausführungsform geht der Arbeitskolben dem Kompressionskolben um einen Phasenverschiebungswinkel von im Wesentlichen größer als null voraus.
  • In einer Ausführungsform beträgt der Phasenverschiebungswinkel ungefähr zwischen 30 Grand und 60 Grad.
  • In einer Ausführungsform beträgt der Phasenverschiebungswinkel 40 Grad.
  • In einer Ausführungsform beträgt der Phasenverschiebungswinkel im Wesentlichen 50 Grad.
  • In einer Ausführungsform rotiert beim Betrieb die Kurbelwelle (108) um 40 Grad über die Position hinaus, in welcher sich der Arbeitskolben (114) in seiner oberen Totpunktposition befindet, um die Zündposition des Arbeitskolbens (114) zu erreichen.
  • In einer Ausführungsform bewegt sich der Arbeitskolben (114) innerhalb des ersten Zylinders (104) hin und her, und zwar entlang einer ersten Kolben-Zylinder-Achse (113), und die erste Kolben-Zylinder-Achse (113) weist gegenüber der Kurbelwellenachse (110) einen solchen Versatz auf, dass die erste Kolben-Zylinder-Achse (113) sich nicht mit der Kurbelwellenachse (110) schneidet.
  • In einer Ausführungsform bewegt sich der Kompressionskolben (116) innerhalb des zweiten Zylinders (106) hin und her, und zwar entlang einer zweiten Kolben-Zylinder-Achse (115), und die zweite Kolben-Zylinder-Achse (115) weist gegenüber der Kurbelwellenachse (110) einen solchen Versatz auf, dass die zweite Kolben-Zylinder-Achse (115) sich nicht mit der Kurbelwellenachse (110) schneidet und auf einer gegenüberliegenden Seite der Kurbelwellenachse relativ zur ersten Kolben-Zylinder-Achse (113) passiert.
  • In einer Ausführungsform weist die Kurbelwelle (108) eine erste Kröpfung und eine zweite Kröpfung (130, 132) auf;
    der Motor (100) umfasst eine erste Verbindungsstange (122), die schwenkbar sowohl mit dem Arbeitskolben (114) als auch mit der ersten Kröpfung (130) der Kurbelwelle (108) verbunden ist, und
    umfasst eine zweite Verbindungsstange (124), die schwenkbar sowohl mit dem Kompressionskolben (116) als auch mit der zweiten Kröpfung (132) der Kurbelwelle (108) verbunden ist.
  • In einer Ausführungsform weist jede der ersten und zweiten Verbindungsstangen (122, 124) eine winkelförmige Biegung in einem solchen Ausmaß auf, dass die Verbindungsstange beim Betrieb das untere Ende des zugehörigen ersten bzw. zweiten Zylinders (104, 106) freigibt.
  • In einer Ausführungsform weisen die Kröpfungen (130, 132) wesentlich unterschiedliche Längen auf.
  • In einer Ausführungsform weisen die Arbeits- und Kompressionskolben (114, 116) Durchmesser (202, 204) auf, die wesentlich unterschiedlich sind.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines repräsentativen Viertaktmotors nach dem Stand der Technik während des Ansaughubs;
  • 2 ist eine schematische Darstellung des Motors nach dem Stand der Technik aus 1 während des Kompressionshubs;
  • 3 ist eine schematische Darstellung des Motors nach dem Stand der Technik aus 1 während des Arbeitshubs;
  • 4 ist eine schematische Darstellung des Motors nach dem Stand der Technik aus 1 während des Auspuffhubs;
  • 5 ist eine schematische Darstellung des Motors nach dem Stand der Technik aus 1, wenn sich der Kolben in der Position des maximalen Drehmoments befindet;
  • 6 ist eine Diagrammdarstellung von Drehmoment und Verbrennungsdruck beim Motor nach dem Stand der Technik aus 1;
  • 7 ist eine schematische Darstellung eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung während der Ansaug- und Auspuffhübe;
  • 8 ist eine schematische Darstellung des Motors aus 7, wenn der erste Kolben am Beginn eines Arbeitshubs gerade den oberen Totpunkt (Top Dead Center – TDC) erreicht hat;
  • 9 ist eine schematische Darstellung des Motors aus 7, wenn der erste Kolben seine Zündposition erreicht hat;
  • 10 ist eine Diagrammdarstellung von Drehmoment und Verbrennungsdruck beim Motor aus 7; und
  • 11 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung, der ungleiche Kröpfungen und Kolbendurchmesser aufweist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Unter Bezug auf 7 ist eine exemplarische Ausführungsform eines Viertaktverbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein mit 100 dargestellt. Der Motor 100 umfasst einen Motorblock 102 mit einem ersten Zylinder 104 und einem durch diesen verlaufenden zweiten Zylinder 106. Eine Kurbelwelle 108 ist drehbar gelagert, um die Rotation um einen Kurbelwelienachse 110 (senkrecht zur Papierebene verlaufend) zu ermöglichen.
  • Der Motorblock 102 ist das Hauptkonstruktionselement des Motors 100 und verläuft von der Kurbelwelle 108 aus nach oben zur Verbindungsstelle mit dem Zylinderkopf 112. Der Motorblock 102 dient als struktureller Rahmen des Motors 100 und trägt typischerweise die Montagefläche, mit welcher der Motor im Fahrgestell (nicht dargestellt) befestigt ist. Der Motorblock 102 ist im Allgemeinen ein Gussstück mit entsprechend bearbeiteten Oberflächen und Gewindelöchern zur Befestigung des Zylinderkopfs 112 und anderer Einheiten des Motors 100.
  • Die Zylinder 104 und 106 sind Öffnungen, typischerweise mit einem allgemein kreisförmigen Querschnitt, die durch den oberen Abschnitt des Motorblocks 102 verlaufen. Zylinder sind hier als die Kammern definiert, in denen sich die Kolben eines Motors hin- und herbewegen, und müssen nicht unbedingt einen allgemein kreisförmigen Querschnitt aufweisen, z. B. können sie eine allgemein elliptische oder Halbmondform aufweisen.
  • Die Innenwände der Zylinder 104 und 106 sind aufgebohrt und poliert, um glatte, präzise Laufflächen zu bilden, die eine Größe aufweisen, um einen ersten Arbeitskolben 114 bzw. einen zweiten Kompressionskolben 116 aufzunehmen. Der Arbeitskolben 114 bewegt sich entlang einer ersten Kolben-Zylinder-Achse 113 hin und her, und der Kompressionskolben 116 bewegt sich entlang einer zweiten Kolben-Zylinder-Achse 115 hin und her. Die ersten und zweiten Zylinder 104 und 106 sind so in dem Motor 100 angeordnet, dass die ersten und zweiten Kolben-Zylinder-Achsen 113 und 115 auf gegenüberliegenden Seiten der Kurbelwellenachse 110 passieren, ohne die Kurbelwellenachse 110 zu schneiden.
  • Die Kolben 114 und 116 sind typischerweise becherförmige zylindrische Gussstücke aus Stahl oder einer Aluminiumlegierung. Die oberen geschlossenen Enden, d. h. die Böden der Arbeits- und Kompressionskolben 114 und 116, sind der erste Kopf 118 bzw. der zweite Kopf 120. Die Außenflächen der Kolben 114, 116 sind allgemein so bearbeitet, dass sie dicht in die Zylinderbohrung passen und weisen typischerweise Nute zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf, welche den Zwischenraum zwischen den Kolben und den Zylinderwänden abdichten.
  • Erste und zweite Verbindungsstangen 122 und 124 weisen jeweils eine Winkelbiegung 121 bzw. 123 auf. Die Verbindungsstangen 122 und 124 sind an ihren oberen distalen Enden 126 und 128 schwenkbar an den Arbeits- und Kompressionskolben 114 bzw. 116 befestigt. Die Kurbelwelle 108 weist ein Paar mechanisch versetzte Abschnitte auf, die als die ersten und zweiten Kröpfungen 130 und 132 bezeichnet werden, welche schwenkbar an den unteren gegenüberliegenden distalen Enden 134 und 136 der ersten und zweiten Verbindungsstangen 122 bzw. 124 befestigt sind. Die mechanischen Verbindungsmittel der Verbindungsstangen 122 und 124 mit den Kolben 114, 116 und den Kurbelwellenkröpfungen 130, 132 dienen dazu, die hin- und hergehende Bewegung der Kolben (angezeigt durch den Richtungspfeil 138 für den Arbeitskolben 114 und den Richtungspfeil 140 für den Kompressionskolben 116) in die Rotationsbewegung (angezeigt durch den Richtungspfeil 142) der Kurbelwelle 108 umzuwandeln. Die erste Kolben-Zylinder-Achse 113 ist so versetzt, dass sie in der imaginären Halbebene verläuft, durch welche die erste Kurbelwellenkröpfung 130 von ihrer oberen Totpunktposition zu ihrer unteren Totpunktposition rotiert. Die zweite Kolben-Zylinder-Achse 115 ist in der gegenüberliegenden imaginären Halbebene versetzt.
  • Obwohl diese Ausführungsform die ersten und zweiten Kolben 114 und 116 in direkter Verbindung mit der Kurbelwelle 108 durch die Verbindungsstangen 122 bzw. 124 zeigt, liegt es im Umfang dieser Erfindung, auch andere Mittel einzusetzen, um die Kolben 114 und 116 operativ mit der Kurbelwelle 108 zu verbinden. Zum Beispiel kann eine zweite Kurbelwelle verwendet werden, um die Kolben 114 und 116 mechanisch mit der ersten Kurbelwelle 108 zu verbinden.
  • Der Zylinderkopf 112 umfasst einen Gasdurchgang 144, der die ersten und zweiten Zylinder 104 und 106 miteinander verbindet. Der Gasdurchgang enthält ein Einlassrückschlagventil 146, das in einem distalen Ende des Gasdurchgangs 144 in der Nähe der Oberseite des zweiten Zylinders 106 angeordnet ist. Ein Auslasstellerventil 150 ist auch in einem gegenüberliegenden distalen Ende des Gasdurchgangs 144 in der Nähe der Oberseite des ersten Zylinders 104 angeordnet. Das Einlassrückschlagventil 146 und das Auslasstellerventil 150 definieren zwischen sich eine Druckkammer 148. Das Einlassventil 146 ermöglicht den Fluss von komprimiertem Gas in einer Richtung aus dem zweiten Zylinder 106 in die Druckkammer 148. Das Auslassventil 150 ermöglicht den Fluss von komprimiertem Gas in einer Richtung aus der Druckkammer 148 in den ersten Zylinder 104. Obwohl hier Rückschlag- und Tellerventile als die Einlass- und Auslassventile 146 bzw. 150 beschrieben sind, kann stattdessen jede für die Anwendung geeignete Ventilkonstruktion verwendet werden, z. B. kann das Einlassventil 146 ebenfalls ein Tellerventil sein.
  • Der Zylinderkopf 112 umfasst auch ein Ansaugventil 152 in Form eines Tellerventils, das über der Oberseite des zweiten Zylinders 106 angeordnet ist, sowie ein Auspuffventil 154 in Form eines Tellerventils, das über der Oberseite des ersten Zylinders 104 angeordnet ist. Die Tellerventile 150, 152 und 154 haben typischerweise eine Metallwelle 156, an deren einem Ende eine Scheibe 158 befestigt ist, um die Ventilöffnung zu blockieren. Das andere Ende der Weilen 156 der Tellerventile 150, 152 und 154 sind mechanisch mit den Nockenwellen 160, 162 bzw. 164 verbunden. Die Nockenwellen 160, 162 und 164 sind typischerweise ein Rundstab mit allgemein oval geformten Nocken, die sich im Inneren des Motorblocks 102 oder im Zylinderkopf 112 befinden.
  • Die Nockenwellen 160, 162 und 164 sind mechanisch mit der Kurbelwelle 108 verbunden, typischerweise durch ein Zahnrad, einen Riemen oder Kettenglieder (nicht dargestellt). Wenn die Kurbelwelle 108 die Nockenwellen 160, 162 und 164 zur Drehung zwingt, bewirken die Nocken auf den Nockenwellen 160, 162 und 164, dass sich die Ventile 150, 152 und 154 zu den präzisen Momenten innerhalb des Motorzyklus öffnen und schließen.
  • Der Kopf 120 des Kompressionszylinders 116, die Wände des zweiten Zylinders 106 und der Zylinderkopf 112 bilden eine Kompressionskammer 166 für den zweiten Zylinder 106. Der Kopf 118 des Arbeitszylinders 114, die Wände des ersten Zylinders 104 und der Zylinderkopf 112 bilden eine separate Verbrennungskammer 168 für den ersten Zylinder 104. Eine Zündkerze 170 ist in dem Zylinderkopf 112 über dem ersten Zylinder 104 angeordnet und wird durch eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) gesteuert, die für ein präzises Timing der Zündung des komprimierten Luft-Gas-Gemischs in der Verbrennungskammer 168 sorgt. Obwohl diese Ausführungsform einen Motor mit Funkenzündung (Spark Ignition bzw. SI-Motor) zeigt, würde ein Fachmann auf dem Gebiet der Technik anerkennen, dass auch Motoren mit Kompressionszündung (Compression Ignition bzw. CI-Motoren) innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen.
  • Während des Betriebs geht der Arbeitskolben 114 dem Kompressionskolben 116 um einen Phasenverschiebungswinkel 172 voraus, der durch die Rotationsgrade definiert ist, welche die Kurbelwelle 108 rotieren muss, nachdem der Arbeitskolben 114 seine obere Totpunktposition erreicht hat, damit der Kompressionskolben 116 seine jeweilige obere Totpunktposition erreicht. Vorzugsweise beträgt diese Phasenverschiebung zwischen 30 und 60 Grad. Für diese konkrete bevorzugte Ausführungsform ist die Phasenverschiebung im Wesentlichen auf 50 Grad festgelegt.
  • 7 zeigt den Arbeitskolben 114, wenn er seine untere BDC-Position (Bottom Dead Center – unterer Totpunkt) erreicht und gerade damit begonnen hat, in seinen Auspuffhub aufzusteigen (angezeigt durch den Pfeil 138). Der Kompressionskolben 116 folgt dem Arbeitskolben 114 um 50 Grad nach und senkt sich während seines Ansaughubs ab (Pfeil 140). Das Einlassventil 156 ist geöffnet, um zu ermöglichen, dass ein explosives Gemisch aus Kraftstoff und Luft in die Kompressionskammer 166 gezogen wird. Das Auspuffventil 154 ist auch geöffnet und ermöglicht dem Kolben 144, die verbrauchten Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungskammer 168 herauszudrücken.
  • Das Rückschlagventil 146 und das Tellerventil 150 des Gasdurchgangs 144 sind geschlossen, um die Übertragung entzündbaren Kraftstoffs und verbrauchter Verbrennungsprodukte zwischen den beiden Kammern 166 und 168 zu verhindern. Zusätzlich dichten das Einlassrückschlagventil 146 und das Auslasstellerventil 150 während des Auspuffhubs und während des Ansaughubs die Druckkammer 148 ab, um den Druck der darin aus den vorherigen Kompressions- und Arbeitshüben eingeschlossenen Gase im Wesentlichen aufrechtzuerhalten.
  • Unter Bezug auf 8 hat der Arbeitskolben 114 seine TDC-Position (Top Dead Center – oberer Totpunkt) erreicht und ist dabei, sich in seinen Arbeitshub abzusenken (angezeigt durch den Pfeil 138), während der Kompressionskolben 116 während seines Kompressionshubs aufsteigt (angezeigt durch den Pfeil 140). An dieser Stelle sind das Einlassrückschlagventil 146, das Auslassventil 150, das Ansaugventil 152 und das Auspuffventil 154 alle geschlossen.
  • Am TDC weist der Kolben 114 einen Freiabstand 178 zwischen dem Kopf 118 des Kolbens 114 und der Oberseite des Zylinders 104 auf. Dieser Freiabstand 178 ist im Vergleich zum Freiabstand 60 des Standardmotors 10 (am besten aus 3 ersichtlich) sehr klein. Das liegt daran, dass der Arbeitshub im Motor 100 einem Niedrigdruckauspuffhub folgt, während der Arbeitshub im Standardmotor 10 einem Hochdruckkompressionshub folgt. Deshalb gibt es im deutlichen Gegensatz zum Standardmotor 10 beim Motor 100 kaum einen Nachteil durch die Reduzierung des Freiabstands 178, weil es hier kein Hochdruckgas gibt, das zwischen dem Kopf 118 und der Oberseite des Zylinders eingeschlossen ist. Außerdem wird durch die Reduzierung des Freiabstands 178 eine gründlichere Ausspülung fast aller Auspuffprodukte erzielt.
  • Um den Punkt des maximalen Drehmoments im Wesentlichen am maximalen Verbrennungsdruck auszurichten, muss die Kurbelwelle 108 etwa 40 Grad über ihre obere Totpunktposition hinaus rotiert werden, wenn sich der Arbeitskolben 114 in seiner optimalen Zündposition befindet. Außerdem gelten ähnliche Überlegungen auch für den Kompressionskolben 116, um den Betrag des Drehmoments und die durch die Kurbelwelle 108 während eines Kompressionshubs verbrauchte Leistung zu reduzieren. Diese beiden Überlegungen erfordern, dass die Versätze an den Kolben-Zylinder-Achsen viel größer sein müssen als alle Versätze beim bisherigen Stand der Technik, d. h. es müssen Versätze sein, bei denen die Kurbelwelle um mindestens 20 Grad über der oberen Totpunktposition eines Kolbens hinaus rotieren muss, bevor der Kolben eine Zündposition erreichen kann. Diese Versätze sind in der Tat so groß, dass eine gerade Verbindungsstange, welche die Kolben 114 und 116 verbindet, während eines Hubs in Konflikt mit dem unteren distalen Ende der Zylinder 104 und 106 kommen würde.
  • Demgemäß muss die Biegung 121 in der Verbindungsstange 122 zwischen ihren distalen Enden angeordnet sein und ein solches Ausmaß haben, dass die Verbindungsstange 122 das untere distale Ende 174 des Zylinders 104 freigibt, während sich der Arbeitskolben 114 durch einen gesamten Hub hin- und herbewegt. Außerdem muss die Biegung 123 in der Verbindungsstange 124 zwischen ihren distalen Enden angeordnet sein und ein solches Ausmaß haben, dass die Verbindungsstange 124 das untere distale Ende 176 des Zylinders 106 freigibt, während sich der Kompressionskolben 116 durch einen gesamten Hub hin- und herbewegt.
  • Unter Bezug auf 9 ist die Kurbelwelle 108 um weitere 40 Grad (angezeigt durch den Pfeil 180) über die TDC-Position des Arbeitskolbens 114 hinaus rotiert, um seine Zündposition zu erreichen, und der Kompressionskolben 116 schließt gerade seinen Kompressionshub ab. Während dieser 40 Rotationsgrade erreicht das komprimierte Gas in dem zweiten Zylinder 116 einen Schwellwertdruck, der das Rückschlagventil 146 zur Öffnung zwingt, während der Nocken 162 so zeitgesteuert ist, dass auch das Auslassventil 150 geöffnet wird. Deshalb wird, wenn der Arbeitskolben 114 sich absenkt und der Kompressionskolben 116 aufsteigt, eine im Wesentlichen gleiche Masse an komprimiertem Gas aus der Kompressionskammer 166 des zweiten Zylinders 106 in die Verbrennungskammer 168 des ersten Zylinders 104 übertragen. Wenn der Arbeitskolben 114 seine Zündposition erreicht, schließen das Rückschlagventil 146 und das Auslassventil 150, um jegliche weitere Gasübertragung durch die Druckkammer 148 zu verhindern. Dementsprechend bleiben die Masse und der Druck des Gases innerhalb der Druckkammer 148 relativ konstant, bevor die Gasübertragung erfolgt und auch danach. Anders ausgedrückt: Der Gasdruck innerhalb der Druckkammer 148 wird für den gesamten Viertaktzyklus mindestens auf (genau auf oder über) einem vorbestimmten Zündbedingungsdruck gehalten, z. B. auf ungefähr 270 psia (18,61 Bar).
  • Bis zu dem Zeitpunkt, wo sich der Arbeitskolben 114 vom TDC in seine Zündposition abgesenkt hat, ist der Freiabstand 178 angewachsen und gleicht im Wesentlichen dem Freiabstand 60 des Standardmotors 10 (am besten aus 3 ersichtlich), z. B. 0,571 Zoll (14,50 mm). Außerdem sind die Zündbedingungen im Wesentlichen dieselben wie die Zündbedingungen des Standardmotors 10, die im Allgemeinen sind: 1) ein Kolben mit einem Durchmesser von 4 Zoll (101,6 mm), 2) ein Totraum von 7,181 Kubikzoll (117,70 mm3), 3) ein Druck vor der Zündung von ungefähr 270 psia (pounds per square inch absolute (18,616 Bar)) und 4) ein maximaler Verbrennungsdruck nach der Zündung von ungefähr 1200 psia (82,74 Bar). Darüber hinaus liegt der Winkel der ersten Kröpfung 130 der Kurbelwelle 108 in der Position ihres maximalen Drehmoments, z. B. ungefähr 40 Grad nach dem TDC. Deshalb erfolgt das Timing der Zündkerze 170 in einer Weise, dass sie so zündet, dass der maximale Verbrennungsdruck auftritt, wenn der Arbeitskolben 114 im Wesentlichen seine Position des maximalen Drehmoments erreicht.
  • Während der nächsten 10 Rotationsgrade 142 der Kurbelwelle 108 durchläuft der Kompressionskolben 116 seine TDC-Position und startet danach einen weiteren Ansaughub, um den Zyklus von vorne zu beginnen. Der Kompressionskolben 116 hat ebenfalls einen sehr kleinen Freiabstand 182 im Vergleich zum Standardmotor 10. Dies ist möglich, weil das Rückschlagventil 146 zum Öffnen gezwungen wird, wenn der Gasdruck in der Kompressionskammer 166 des zweiten Zylinders 106 den Druck in der Druckkammer 148 erreicht, um den Durchfluss des Gases zu ermöglichen. Deshalb ist nur sehr wenig Hochdruckgas am Boden des Arbeitskolbens 116 eingeschlossen, wenn dieser seine TDC-Position erreicht.
  • Das Kompressionsverhältnis des Motors 100 kann irgendwo innerhalb des möglichen Bereichs für SI- oder CI-Motoren liegen, für diese exemplarische Ausführungsform liegt es jedoch im Wesentlichen im Bereich von 6 bis 8,5. Wie oben definiert wurde, ist das Kompressionsverhältnis das Maximalvolumen einer vorgegebenen Masse eines Luft-Kraftstoff-Gemischs vor einem Kompressionshub, dividiert durch das Volumen dieser Masse des Luft-Kraftstoff-Gemischs am Zündpunkt. Für den Motor 100 entspricht das Kompressionsverhältnis im Wesentlichen dem Verhältnis des Verdrängungsvolumens im zweiten Zylinder 106, wenn sich der Kompressionskolben 116 vom BDC zum TDC bewegt, zum Volumen in dem ersten Zylinder 104, wenn sich der Arbeitskolben 114 in seiner Zündposition befindet.
  • In deutlichem Gegensatz zum Standardmotor 10, bei dem der Kompressionshub und der Arbeitshub immer nacheinander durch denselben Kolben ausgeführt werden, wird der Arbeitshub ausschließlich durch den Arbeitskolben 114 ausgeführt, und der Kompressionshub wird ausschließlich durch den Kompressionskolben 116 ausgeführt. Deshalb kann der Arbeitskolben 116 so versetzt sein, dass der maximale Verbrennungsdruck am maximalen Drehmoment ausgerichtet ist, das auf die Kurbelwelle 108 einwirkt, ohne dass es zu Nachteilen wegen der Nichtausrichtung beim Kompressionshub kommt. Und umgekehrt kann der Kompressionskolben 114 so versetzt sein, dass der maximale Kompressionsdruckdruck am maximalen Drehmoment ausgerichtet ist, das auf die Kurbelwelle 108 einwirkt, ohne dass es zu Nachteilen wegen der Nichtausrichtung beim Arbeitshub kommt.
  • Unter Bezug auf 10 kann dieses Konzept weiter erläutert werden. Hier ist mit 184 ein Kurvenverlauf der Tangentialkraft oder des Drehmoments im Verhältnis zu den Rotationsgraden vom TDC für den Arbeitskolben 114 für den Motor 100 dargestellt. Zusätzlich ist mit 186 ein Kurvenverlauf des Verbrennungsdrucks im Verhältnis zu den Rotationsgraden vom TDC für den Arbeitskolben 114 für den Motor 100 dargestellt. Die Berechnungen für die Kurvenverläufe 184 und 186 basierten auf dem Motor 100 mit Zündbedingungen, die im Wesentlichen denen eines Standardmotors glichen. Diese sind: 1) ein Kolben mit einem Durchmesser von 4 Zoll (101,6 mm), 2) ein Totraum von 7,181 Kubikzoll (117,70 mm3), 3) ein Druck vor der Zündung von ungefähr 270 psia (pounds per square inch absolute (18,616 Bar)), 4) ein maximaler Verbrennungsdruck nach der Zündung von ungefähr 1200 psia (82,74 Bar) und 5) eine im Wesentlichen gleiche Drehzahl der Kurbelwellen 108 und 38 in Umdrehungen pro Minute. Im deutlichen Gegensatz zu den Kurvenverläufen aus 6 für den Standardmotor 10 nach dem Stand der Technik ist hier der Punkt des maximalen Verbrennungsdrucks 188 im Wesentlichen am Punkt des maximalen Drehmoments 190 ausgerichtet. Diese Ausrichtung des Verbrennungsdrucks 186 am Drehmoment 184 führt zu einem deutlichen Anstieg des Wirkungsgrads.
  • Darüber hinaus kann auch der Versatz des Kompressionskolbens 116 optimiert werden, um das maximale Drehmoment, das von der Kurbelwelle 108 an den Kompressionskolben 116 abgegeben wird, im Wesentlichen am maximalen Kompressionsdruck des Gases auszurichten. Der Versatz des Kompressionskolbens 116 reduziert die Menge an Kraft, die aufgewendet wird, um einen Kompressionshub durchzuführen und erhöht weiter den Gesamtwirkungsgrad des Motors 100 im Vergleich zum Standardmotor 10. Mit den kombinierten Versätzen der Arbeits- und Kompressionskolben 114 und 116 kann der theoretische Gesamtwirkungsgrad des Motors 100 um ungefähr 20 bis 40 Prozent gegenüber dem Standardmotor erhöht werden.
  • Unter Bezug auf 11 ist eine alternative Ausführungsform eines geteilten Viertaktmotors mit ungleichen Kröpfungen und ungleichen Kolbendurchmessern allgemein mit 200 dargestellt. Weil die Kompressions- und Arbeitshübe durch separate Kolben 114, 116 ausgeführt werden, können verschiedene Verbesserungen vorgenommen werden, um den Wirkungsgrad jedes Hubs zu optimieren, ohne dass die Nachteile auftreten, die damit verbunden sind, wenn die Hübe durch einen einzelnen Kolben ausgeführt werden. Beispielsweise kann der Kompressionskolbendurchmesser 204 größer gewählt werden als der Arbeitskolbendurchmesser 202, um den Wirkungsgrad der Kompression weiter zu erhöhen. Außerdem kann der Radius 206 der erste Kröpfung 130 für den Arbeitskolben 114 größer gewählt werden als der Radius 208 der zweiten Kröpfung 132 für den Kompressionskolben 116, um das auf die Kurbelwelle 108 einwirkende Gesamtdrehmoment weiter zu erhöhen.
  • Während hier bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, können verschiedene Modifikationen und Ersetzungen vorgenommen werden, ohne dabei vom Gedanken und vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Demgemäß sollte es verständlich sein, dass die vorliegende Erfindung anhand von Erläuterungen beschrieben wurde, die nicht als Eingrenzung zu verstehen sind.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Motors, umfassend: das Bereitstellen eines Motors, der umfasst: eine Kurbelwelle (108), die um eine Kurbelwellenachse (110) des Motors (100) rotiert; einen Arbeitskolben (114), der verschiebbar innerhalb eines ersten Zylinders (104) aufgenommen ist und operativ mit der Kurbelwelle (108) verbunden ist, so dass sich der Arbeitskolben während einer einzigen Umdrehung der Kurbelwelle um einen Arbeitshub und einen Auspuffhub eines Viertaktzyklus hin und her bewegt; einen Kompressionskolben (116), der verschiebbar innerhalb eines zweiten Zylinders (106) aufgenommen ist und operativ mit der Kurbelwelle (108) verbunden ist, so dass sich der Kompressionskolben während derselben Umdrehung der Kurbelwelle um einen Ansaughub und einen Kompressionshub desselben Viertaktzyklus hin und her bewegt; und das Bereitstellen eines Gasdurchgangs (144), der die ersten und zweiten Zylinder (104, 106) miteinander verbindet, wobei der Gasdurchgang ein Einlassventil (146) und ein Auslassventil (150) enthält, die zwischen sich eine Druckkammer (148) definieren, wobei das Einlassventil (146) und das Auslassventil (150) des Gasdurchgangs während des gesamten Viertaktzyklus im Wesentlichen mindestens einen vorgegebenen Zündbedingungsgasdruck in der Druckkammer aufrechterhalten; und das Rotieren der Kurbelwelle (108) um mindestens 20 Grad über eine Position hinaus, in der sich der Arbeitskolben (114) in seiner oberen Totpunktposition befindet, um die Zündposition des Arbeitskolbens (114) zu erreichen.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Kurbelwelle (108) um 40 Grad über eine Position hinaus rotiert, in welcher sich der Arbeitskolben (114) in seiner oberen Totpunktposition befindet, um die Zündposition des Arbeitskolbens (114) zu erreichen.
  3. Verfahren gemäß jedem der vorherigen Ansprüche, des Weiteren umfassend das Zünden des Arbeitskolbens.
  4. Ein Motor, umfassend: eine Kurbelwelle (108), die um eine Kurbelwellenachse (110) des Motors (100) rotieren kann; einen Arbeitskolben (114), der verschiebbar innerhalb eines ersten Zylinders (104) aufgenommen ist und operativ mit der Kurbelwelle (108) verbunden ist, so dass sich der Arbeitskolben während einer einzigen Umdrehung der Kurbelwelle um einen Arbeitshub und einen Auspuffhub eines Viertaktzyklus hin und her bewegen kann; einen Kompressionskolben (116), der verschiebbar innerhalb eines zweiten Zylinders (106) aufgenommen ist und operativ mit der Kurbelwelle (108) verbunden ist, so dass sich der Kompressionskolben während derselben Umdrehung der Kurbelwelle um einen Ansaughub und einen Kompressionshub desselben Viertaktzyklus hin und her bewegen kann; dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasdurchgang (144) bereitgestellt ist, der die ersten und zweiten Zylinder (104, 106) miteinander verbindet, wobei der Gasdurchgang ein Einlassventil (146) und ein Auslassventil (150) enthält, die zwischen sich eine Druckkammer (148) definieren, wobei das Einlassventil (146) und das Auslassventil (150) des Gasdurchgangs so gesteuert werden können, dass sie während des gesamten Viertaktzyklus im Wesentlichen mindestens einen vorgegebenen Zündbedingungsgasdruck in der Druckkammer aufrechterhalten; wobei der Motor so konfiguriert ist, dass die Kurbelwelle (108) um mindestens 20 Grad über eine Position hinaus rotiert, in der sich der Arbeitskolben (114) in seiner oberen Totpunktposition befindet, um die Zündposition des Arbeitskolbens (114) zu erreichen.
  5. Motor gemäß Anspruch 4, wobei der Arbeitskolben dem Kompressionskolben um einen Phasenverschiebungswinkel von im Wesentlichen größer als null vorausgeht.
  6. Motor gemäß Anspruch 5, wobei der Phasenverschiebungswinkel ungefähr zwischen 30 Grand und 60 Grad beträgt.
  7. Motor gemäß Anspruch 5, wobei der Phasenverschiebungswinkel 40 Grad beträgt.
  8. Motor gemäß Anspruch 5, wobei der Phasenverschiebungswinkel im Wesentlichen 50 Grad beträgt.
  9. Motor gemäß Anspruch 4, wobei beim Betrieb die Kurbelwelle (108) um 40 Grad über die Position hinaus rotiert, in welcher sich der Arbeitskolben (114) in seiner oberen Totpunktposition befindet, um die Zündposition des Arbeitskolbens (114) zu erreichen.
  10. Motor gemäß jedem der Ansprüche 4 bis 9, wobei der Arbeitskolben (114) sich innerhalb des ersten Zylinders (104) hin und her bewegt, und zwar entlang einer ersten Kolben-Zylinder-Achse (113), und die erste Kolben-Zylinder-Achse (113) gegenüber der Kurbelwellenachse (110) einen solchen Versatz aufweist, dass die erste Kolben-Zylinder-Achse (113) sich nicht mit der Kurbelwellenachse (110) schneidet.
  11. Motor gemäß Anspruch 10, wobei: der Kompressionskolben (116) sich innerhalb des zweiten Zylinders (106) hin und her bewegt, und zwar entlang einer zweiten Kolben-Zylinder-Achse (115), und die zweite Kolben-Zylinder-Achse (115) gegenüber der Kurbelwellenachse (110) einen solchen Versatz aufweist, dass die zweite Kolben-Zylinder-Achse (115) sich nicht mit der Kurbelwellenachse (110) schneidet und auf einer gegenüberliegenden Seite der Kurbelwellenachse relativ zur ersten Kolben-Zylinder-Achse (113) passiert.
  12. Motor gemäß jedem der Ansprüche 4 bis 11, wobei die Kurbelwelle (108) eine erste Kröpfung und eine zweite Kröpfung (130, 132) aufweist; der Motor (100) eine erste Verbindungsstange (122) umfasst, die schwenkbar sowohl mit dem Arbeitskolben (114) als auch mit der ersten Kröpfung (130) der Kurbelwelle (108) verbunden ist, und eine zweite Verbindungsstange (124) umfasst, die schwenkbar sowohl mit dem Kompressionskolben (116) als auch mit der zweiten Kröpfung (132) der Kurbelwelle (108) verbunden ist.
  13. Motor gemäß Anspruch 12, wobei jede der ersten und zweiten Verbindungsstangen (122, 124) eine winkelförmige Biegung in einem solchen Ausmaß aufweist, dass die Verbindungsstange beim Betrieb das untere Ende des zugehörigen ersten bzw. zweiten Zylinders (104, 106) freigibt.
  14. Motor gemäß Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei die Kröpfungen (130, 132) wesentlich unterschiedliche Längen aufweisen.
  15. Motor gemäß jedem der Ansprüche 4 bis 14, wobei die Arbeits- und Kompressionskolben (114, 116) Durchmesser (202, 204) aufweisen, die wesentlich unterschiedlich sind.
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