EP0200714A2

EP0200714A2 - Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: EP0200714A2
Application number: EP86890075A
Authority: EP
Inventors: Helmut G. Dr. Brücker
Original assignee: Dr Bruecker & Zeman Soft Combustion Systems Gesellschaft Buergerlichen Rechts
Current assignee: Dr Bruecker & Zeman Soft Combustion Systems Gesellschaft Buergerlichen Rechts
Priority date: 1985-04-02
Filing date: 1986-03-20
Publication date: 1986-11-05
Also published as: CN86102231A; EP0200714A3; ATA99085A; AT397838B

Abstract

Es wird eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine beschrieben mit mindestens zwei Hauptzylindern (HZ1, HZ2), die Einlaßventile (EV1, EV2) aufweisen und über Zwischenventile (ZV) mit einem gemeinsamen Nebenzylinder (NZ) verbunden sind. Der Nebenzylinder (NZ) hat ein Mehrfaches des Volumens eines Hauptzylinders (HZ1, HZ2); sein Volumen beträgt das etwa zwei- bis fünffache, insbesondere drei- bis vierfache des Volumens des Hauptzylinders. Der Nebenzylinder (NZ) weist mindestens ein für die Zylinder (HZ1, HZ2, NZ) gemeinsames Auslaßventil (AV) auf und arbeitet auf eine eigene Kurbelwelle (NK), deren Wikelgeschwindigkeit zwei Drittel der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle(n) (K1 bzw. K2) der Hauptzylinder (HZ1, HZ2) beträgt. Die Hauptzylinder (HZ1, HZ2) arbeiten - gegeneinander um drei Takte verschoben - im Sechstaktrhythmus. Die ersten drei Takte entsprechend den ersten drei Takten des üblichen Viertaktrhythmus (Aussaugen, Komprimieren, Expandieren), wobei der dritte Takt ein Vorexpansionstakt ist. Als vierter Takt folgt ein Nachexpansionstakt, welcher jeweils (über das jeweilige Zwischenventil ZV1 bzw. ZV2) in Verbindung mit dem Nebenzylinder (NZ) durchgeführt wird. Als fünfter Takt wird ein Ansaugtakt für Frischluft oder Frischluft-Kraftstoff-Gemisch durchgeführt, welche(s) im sechsten Takt des Hauptzylinders (HZ1 bzw. HZ2) zwecks nachfolgender Ladung des Nebenzylinders (NZ) vorkomprimiert wird. Der Nebenzylinder (NZ) arbeitet im Zweitaktrhythmus, wobei er in einem Takt abwechselnd der Nachexpansion der Abgase der beiden Hauptzylinder (HZ1, HZ2) und im darauf folgenden Takt der Verdrängung des Abgases über das Abgasventil (AV) dient. Vor der Beaufschlagung mit dem Abgas eines Hauptzylinders (HZ1, HZ2) während der Nachexpansion, wird der Nebenzylinder (NZ) mit vom anderen Hautzylinder (HZ2, HZ1) vorkomprimierter Frischluft oder vorkomprimiertem Frischluft-Kraftstoff-Gemisch geladen. Die Verbrennung in den Hauptzylindern (HZ1, HZ2) (während deren Vorexpansionstakt) kann unter Sauerstoffmangel, eine (Nach-) Verbrennung im Nebenzylinder (NZ) (während der Nachexpansion) kann unter Sauerstoffüberschuß durchgeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit mindestens zwei Hauptzylindern, die Einlaßventile aufweisen und über Zwischenventile mit einem gemeinsamen Nebenzylinder verbunden sind, welcher im Zweitaktrhythmus arbeitet und in einem Takt abwechselnd der Nachexpansion der Abgase der beiden Hauptzylinder und im darauffolgenden Takt der Verdrängung des Abgases über mindestens ein an ihm vorgesehenes Auslaßventil dient, sowie eine Mehrfaches des Volumens eines Hauptzylinders aufweist.
Bei konventionellen 4-Takt-Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen wird etwa je ein Drittel der im Kraftstoff enthaltenen Primärenergie an das Abgas und an das Kühlsystem abgegeben. Vom restlichen Drittel, das in mechanische Leistung umgewandelt wird, geht durch aerodynamische bzw. hydraulische Verluste im Motor so viel verloren, daß die Nutzleistung am Motorausgang nur mehr etwa ein Viertel der investierten Primärenergie beträgt.
Für Otto-Motoren ist überdies kennzeichnend, daß im Betriebszustand mit geringstem spezifischen Kraftstoffverbrauch der Anteil an Stickoxiden im Abgas hoch ist; im Betriebszustand höchster spezifischer Leistung steigt der Kraftstoffverbrauch infolge unvollständiger Verbrennung. Eine AbgasNachbehandlung zur Verringerung der Schadstoffemission erhöht ebenso den spezifischen Krafstoffverbrauch.
Beim optimal arbeitenden Diesel-Motor ist sowohl der Kraftstoffverbrauch als auch die Schadstoffemission geringer als beim Otto-Motor gleicher Leistung. Es werden aber auch bei dieser Verbrennungskraftmaschine mehr als 50 % der chemischen Primärenergie an das Abgas und an das Kühlsystem abgegeben.
Durch den Einsatz einer Abgasturbine kann ein Teil der Restendrgie des Abgases zum Aufladen des Motors genützt und zurückgewonnen werden. Wird die Abgasturbine an den Motorausgang gekoppelt, ist wegen ihrer hohen Drehzahl ein aufwendiges Untersetzungsgetriebe erforderlich, das bei Fahrzeugmotoren zusätzlich regelbar sein muß und zu mechanischen Verlusten führt.
Im weiteren ist bekannt, die Kühlmittelverluste beim "adiabaten" Motor durch Wärmeisolation zu verringern. Ein Großteil der dadurch gewonnenen Energie resultiert aber in einer Erhöhung der Restenergie des Abgases, die mit Hilfe von Abgasturbinen zur aufwendig genutzt werden kann.
Andere Lösungversuche (US-PS 4 289 097 und 4 3.67 000, DE-OS 32 40 563) sehen Sechstaktmotoren vor, die nur einen kleinen Teil der im Kühlsystem verlorenen Energie nutzen. Die im Abgas befindliche Energie geht verloren oder wird vergrößert, da das über einen 6-Takt-Zyklus summierte Kompressionsvolumen gleich oder größer dem Expansionsvolumen gleich oder größer dem Expansionsvolumen ist. Ebensowenig kann bei diesen Motoren die Schadstoff-Emission wesentlich verringert werden.
Schließlich sind Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen mit mindestens zwei Viertakt-Hauptzylindern und einem daran angebauten Zweitakt-Nebenzylinder zur Nutzung der nach dem Arbeitstakt der Hauptzylinder noch vorhandenen Expansionsenergie des Abgases bekannt. Der Druckabfall im Nebenzylinder ist hierbei jedoch so hoch, daß die Restexpansionsenergie nur schlecht genutzt werden kann. Außerdem ist im Motor eine vollständige Verbrennung ebenso wie bei konventionellen Motoren nicht möglich und ist die Schadstoff-Emission nicht verringert. Eine solche Maschine ist in der EP-OS 6 747 beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst einfache Verbrennungskraftmaschine ohne die erwähnten Nachteile bekannter Maschinen sowie mit erhöhtem Wirkungsgrad und minimierter Schadstoff-Emission zu schaffen. Diese Aufgabe wird bei einer Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art, die sowohl nach dem Prinzip des Otto-als auch nach dem Prinzip des Diesel-Motors arbeiten kann, gelöst durch folgende Merkmale:

-daß der Nebenzylinder auf eine eigene Kurbelwelle arbeitet, deren Winkelgeschwindigkeit zwei Drittel der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle-(n) der Hauptzylinder beträgt,
-daß der Nebenzylinder vor der Beaufschlagung mit dem Abgas eines Hauptzylinders mit vom anderen Hauptzylinder vorkomprimierter Frischluft oder vorkomprimierter Frischluft-Kraftstoff-Gemisch ladbar ist,
-und daß die beiden Hauptzylinder -gegeneinander um drei Takte verschoben -im Sechstaktrhythmus betreibbar sind, wobei auf den jeweils in Verbindung mit dem Nebenzylinder durchgeführten Nachexpansionstakt, welcher auf drei, den ersten drei Takten des üblichen Viertaktrhythmus entsprechende Takte folgt, als fünfter Takt ein Ansaugtakt für Frischluft oder Frischluft-Kraftstoff-Gemisch durchführbar ist, welche(s) im sechsten Takt des Hauptzylinders zwecks nachfolgender Ladung des Nebenzylinders vorkomprimierbar ist.

Die genannten Bauprinzipien der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ermöglichen, daß die Verbrennung in den Hauptzylindem - (während des Vorexpansionstaktes, welcher dem Arbeitstakt des üblichen Viertaktrhythmus nach dem Ansaug-und nach dem Kompressionstakt entspricht) unter Sauerstoffmangel durchführbar und in dem Nebenzylinder eine Verbrennung unter Sauerstoffmangel durchführbar und in dem Nebenzylinder eine Verbrennung unter Sauerstoffüberschuß - (während des Nachexpansionstaktes) durchführbar ist. Der Sauerstoffmangel bei der Verbrennung in den Hauptzylindem, welche auf hohem Temperaturniveau abläuft, führt zu einer Minimierung der Oxidation des Stickstoffes der Luft. Im Nebenzylinder herrscht wegen der Vorladung Sauerstoffüberschuß und es kann dort eine vollständige, mechanisch genutzte Nachverbrennung auf niedrigerem Temperatumiveau stattfinden. Wegen der niedrigeren Temperatur ist auch dort die Bildung von Stickoxiden minimiert. Die vollständige Verbrennung minimiert den Ausstoß an übrigen Schadstoffen
Das Laden des Nebenzylinders mit Frischluft erfolgt etwa bis zu jenem Druck, der im Hauptzylinder am Ende des Vorexpansionstaktes herrscht. Dadurch werden Druckverluste am Beginn des Nachexpansionstaktes vermieden.
Die im fünften und sechsten Takt der Hauptzylinder durchgeführte Zwischenspülung mit Luft verringert die Kühlverluste. Die Nachverbrennung und Nachexpansion im Nebenzylinder, dessen Volumen das zwei-bis fünffache des Volumens eines Hauptzylinders beträgt, verringert die Abgasverluste. Der Primärenergieverbrauch des erfindungsgemäßen Motors ist daher entscheidend verringert und der Wirkungsgrad der Umwandling von chemischer in mechanische Energie erhöht.
Die Bauprinzipien der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ermöglicht außerdem, daß kurz vor dem Ende des Nachexpansionstaktes alle Zylinder über die Zwischenventile zwecks Abgasrückführung aus dem am Ende des Nachexpansionstaktes befindlichen einen Hauptzylinder in den am Ende des ersten Ansaugtaktes befindlichen anderen Hauptzylinder verbindbar sind, wobei durch die Abgasrückführung das effektive Saugvolumen* des Hauptzylinders einstellbar ist. Damit ist eine Steuerung des Drehmoments bei minimierter Stickoxid-und Kohlenmonoxid-Emission möglich.
- Vorteilhaft sind beim erfindungsgemäßen Motor die Kurbelwellen der Hauptzylinder und des Nebenzylinders über ein im Verhältnis 2 zu 3 arbeitendes Getriebe verbunden.
Selbstverständlich ist es möglich, mehrere erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschinen-Einheiten mit mindestens je zwei Hauptzylindem und einem Nebenzylinder zu einer auf eine Welle arbeitenden Anordnung zusammenzufassen.
Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung schematisch samt Volumsdiagramm dargestellten Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine näher erläutert. Darin zeigt bzw. zeigen

Figur 1 ein Schema des Motors,
Figur 2 ein Volumsdiagramm für die drei Zylinder desselben und die
Figuren 3.1 bis 3.8 verschiedene Arbeitszustände des Motors in einer Darstellung ähnlich Figur 1.

In Figur 1 sind zwei Hauptzylinder HZ1 bzw. HZ2 mit je einem Einlaßventil EV1 bzw. EV2 ersichtlich. Die beiden Hauptzylinder HZ1 und HZ2 sind über an ihnen vorgesehene Zwischenventile ZV1 bzw. ZV2 mit einem gemeinsamen Nebenzylinder NZ verbunden. Der Nebenzylinder NZ weist ein -für das gesamte System von Zylindern HZ1, HZ2 und NZ gemeinsames -Auslaßventil AV auf. Sein Volumen beträgt das drei-bis vierfache des Volumens eines Hauptzylinders HZ1 bzw. HZ2.
Der Nebenzylinder NZ arbeitet auf eine eigene Kurbelwelle NK, welche über ein Getriebe G mit den Kurbelwellen K1 bzw. K2 der Hauptzylinder HZ1 bzw. HZ2 verbunden ist.
Die in Figur 1 eingezeichneten Kolben-und Ventilstellungen entsprechen denjenigen der Figur 3.1, d.h. des in Figur 2 mit 1 bezeichneten Zeitpunktes. Die Kolbenstellungen an den gegenüberliegenden Totpunkten sind gestrichelt eingezeichnet.
In Figur 2, welche das Volumsdiagramm der drei Zylinder HZ1, HZ2, NZ zeigt (oben: HZ1; Mitte NZ; unten: HZ2), ist das jeweils genützte Zylindervolumen V (t) in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt (bei konstanter Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwellen Kl, K2, NK).
Die einzelnen Bezeichnungen bedeuten:
Die in den Figuren 3.1 bis 3.8 dargestellten Arbeitszustände des Motors zeigen die Kolben-und Ventilstellungen der Hauptzylinder HZ1 und HZ2 sowie des Nebenzylinders NZ zu ausgwählten Zeitpunkten, wie sie in der Zeitachse t der Figur 2 mit 1 bis 8 bezeichnet sind.
Man sieht in Figur 2 folgende Taktfolge der beiden Hauptzylinder HZ1 und HZ2, die mit einer Taktdifferenz von drei arbeiten und abwechselnd auf den Hubraum des Nebenzylinders NZ wirken:

1. Takt (OT nach UT): Ansaugen von Frischluft bzw. Frischluft-Kraftstoff-Gemisch; Möglichkeit zur Rückführung von Abgas aus dem anderen Hauptzylinder und aus dem Nebezylinder in den am Ende des 1. Taktes befindlichen Hauptzylinder
2.Takt (UT nach OT): Komprimieren
3.Takt (OT nach UT): Vorexpandieren
4.Takt (UT nach OT): Nachexpandieren in den Nebenzylinder
5.Takt (OT nach UT): Ansaugen von Frischluft bzw. Frischluft-Kraftstoff-Gemisch
6.Takt (UT nach OT): Vorkomprimieren und Laden des Nebenzylinders.

Der Nebenzylinder NZ arbeitet gemäß Figur 2 mit folgender Taktfolge:

1.Takt (OT nach UT): a) Laden am OT aus dem einen Hauptzylinder
- b) Nachexpandieren und gegebenenfalls Nachverbrennen in Verbindung mit dem anderen Hauptzylinder
- c) Restexpandieren bis UT
2.Takt (UT nach OT): a) Verdrängen der Abgase durch das Abgasventil AV
- b) Laden am OT aus dem anderen Hauptzylinder
- 1.Takt (OT nach UT): wie 1. Takt oben,aber mit vertauschten Hauptzylindern
- 2.Takt (UT nach OT): wie 2. Takt oben, aber mit anderem Hauptzylinder.

Für die in den Figuren 3.1 bis 3.8 dargestellten Zeitpunkte gilt im einzelnen folgendes:

Figur 3.1. Der Hubkolben des Hauptzylinders HZ1 befindet sich an seinem oberen Totpunkt und saugt während seines ersten Taktes Frischluft oder ein Frischluft-Kraft stoff-Gemisch an. Der Hauptzylinder HZ2 ist über das geöffnete Zwischenventil ZV2 mit dem aufgeladenen Nebenzylinder NZ verbunden; der Nachexpansionstakt aus dem Hauptzylinder HZ2 in den Nebenzylinder NZ beginnt; Nachverbrennung kann einsetzen.
Figur 3.2 Der Hubkolben des Hauptzylinders HZ1 befindet sich nahe dem unteren Totpunkt, der Hubkolben des Hauptzylinders HZ2 nahe dem oberen Totpunkt. Alle Zylinder HZ1, HZ2, NZ sind zu diesem Zeitpunkt über die Zwischenventile ZV2, ZV1 verbunden, so daß in den Hauptzylinder HZ1 am Ende von dessen Ansaugtakt Abgas geleitet wird (Abgas-Rückführung), während sich dessen Hubkolben auf den unteren Totpunkt zubewegt. Die Abgas-Rückführung ist selbstverständlich auch entbehrlich, in welchem Fall ZV1 geschlossen ist.
Figur 3.3 Die Hubkolben der Hauptzylinder HZ1, HZ2 haben ihre jeweiligen Totpunkte erreicht. Die Zwischenventile ZV1, ZV2 werden geschlossen, das Einlaßventil EV2 wird geöffnet. Im Hauptzylinder HZ1 beginnt der Kompressionstakt, im Hauptzylinder HZ2 ein weiterer Ansaugtakt. Im Nebenzylinder NZ erfolgt auf dem Weg von dessen Hubkolben zum unteren Totpunkt Restexpansion.
Figur 3.4 Der Hubkolben des Nebenzylinders NZ hat seinen unteren Totpunkt erreicht, das Abgasventil AV ist geöffnet, die Verdrängung der Abgase beginnt. In den Hauptzylindern HZ1, HZ2 wird der Kompressions-bzw. Ansaugtakt fortgesetzt.
Figur 3.5 Die Hubkolben der Hauptzylinder HZ1, HZ2 haben ihren oberen bzw. unteren Totpunkt erreicht. Im Hauptzylinder HZ1 beginnt unter Verbrennung des Kraftstoffes der Vorexpansionstakt. Das Einlaßventil EV2 des Hauptzylinders HZ2 ist geschlossen worden, die Vorkompression setzt dort ein. Der Hubkolben des Nebenzylinders NZ befindet sich etwa an der Stelle seines halben Aufwärtshubes, die Verdrängung der Abgase wird fortgesetzt.
Figur 3.6. Die Hubkolben der Hauptzylinder HZ1, HZ2 haben etwa die Hälfte ilhrer jeweiligen Hube zurückgelegt. Der Hubkolben des Nebenzylinders NZ hat sich seinem oberen Totpunkt genähert, das Abgas ist größtenteils verdrängt. Das Abgasventil AV ist geschlossen worden, das Zwischenventil ZV2 des Hauptzylinders HZ2 geöffnet. Es folgt die Ladung des Nebenzylinders NZ aus dem Hauptzylinder HZ2. Die Vorexpansion im Hauptzylinder HZ1 wird fortgesetzt.
Figur 3.7. Die Hubkolben der Hauptzylinder HZ1, HZ2 haben ihren unteren bzw. oberen Totpunkt erreicht. Die Ladung des Nebenzylinders NZ ist abgeschlossen, sein Hubkolben befindet sich - noch nahe des oberen Totpunktes -am Weg zum unteren Totpunkt. Das Zwischenventil ZV1 ist geöffnet, das Zwischenventil ZV2 geschlossen worden, wogegen das Einlaßventil EV2 geöffnet worden ist. Der nächste Nachexpansionstakt beginnt; Nachverbrennung im Nebenzylinder NZ kann einsetzen. Die Situation entspricht Figur 3.1., aber mit vertauschten Hauptzylindem HZ1 und HZ2.
Figur 3.8. Die Situation entspricht Figur 3.2, aber mit vertauschten Hauptzylindem HZ1 und HZ2.

Claims

1. Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit mindestens zwei Hauptzylindem (HZ1, HZ2), die Einlaßventile (EV) aufweisen und über Zwischenventile (ZV) mit einem gemeinsamen Nebenzylinder (NZ) verbunden sind, welcher im Zweitaktrhythmus arbeitet und in einem Takt abwechselnd der Nachexpansion der Abgase der beiden Hauptzylinder - (HZ1, HZ2) und im darauf folgenden Takt der Verdrängung des Abgases über mindestens ein an ihm vorgesehenes Auslaßventil (AV) dient, sowie ein Mehrfaches des Volumens eines Hauptzylinders (HZ1, HZ2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenzylinder (NZ) auf eine eigene Kurbelwelle (NK) arbeitet, deren Winkelgeschwindigkeit zwei DritteI` der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle(n) (K1 bzw. K2) der Hauptzylinder (HZ1, HZ2) beträgt, daß der Nebenzylinder (NZ) vor der Beaufschlagung mit dem Abgas eines Hauptzylinders (HZ1, HZ2) mit vom anderen Hauptzylinder (HZ2, HZ1) vorkomprimierter Frischluft oder vorkomprimiertem Frischluft-Kraftstoff-Gemisch ladbar ist, und daß die beiden Hauptzylinder (HZ1, HZ2) -gegeneinander um drei Takte verschoben -im Sechstaktrhythmus betreibbar sind, wobei auf den jeweils in Verbindung mit dem Nebenzylinder (NZ) durchgeführten Nachexpansionstakt, welcher auf drei, den ersten drei Takten des üblichen Viertaktrhythmus entsprechende Takte folgt, als fünfter Takt ein Ansaugtakt für Frischluft oder Frischluft-Kraftstoff-Gemisch durchführbar ist, welche(s) im sechsten Takt des Hauptzylinders (HZ1, HZ2) zwecks nachfolgender Ladung des Nebenzylinders (NZ) vorkomprimierbar ist.

2.Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß kurz vor dem Ende des Nachexpansionstaktes alle Zylinder (HZ1, HZ2, NZ) über die Zwischenventile (ZV) zwecks Abgasrückführung aus dem am Ende des Nachexpansionstaktes befindlichen einen Hauptzylinders (HZ2 bzw. HZ1) und aus dem Nebenzylinder (NZ) in den am Ende des ersten Ansaugtaktes befindlichen anderen Hauptzylinder - (HZ1 bzw. HZ2) verbindbar sind, wobei durch die Abgasrückführung das effektive Saugvolumen des Hauptzylinders (HZ1 bzw. HZ2) einstellbar ist

3. Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung in den Hauptzylindem (HZ1, HZ2) (während deren Vorexpansionstakt) unter Sauerstoffmangel durchführbar und in dem Nebenzylinder (NZ) eine Verbrennung unter Sauerstoffüberschuß (während des Nachexpansionstaktes) durchführbar ist.

4. Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwellen der Hauptzyfinder - (HZ1, HZ2) und des Nebenzylinders (NZ) über ein im Verhältnis 2 zu 3 arbeitendes Getriebe (G) verbunden sind.