EP3118410A1 - Hubkolbenmaschine - Google Patents

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Publication number
EP3118410A1
EP3118410A1 EP16001514.5A EP16001514A EP3118410A1 EP 3118410 A1 EP3118410 A1 EP 3118410A1 EP 16001514 A EP16001514 A EP 16001514A EP 3118410 A1 EP3118410 A1 EP 3118410A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
main
reciprocating
engine
dead center
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16001514.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kurt Koch
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Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP3118410A1 publication Critical patent/EP3118410A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/28—Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders
    • F02B75/30—Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders with one working piston sliding inside another
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B7/00—Machines or engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders
    • F01B7/20—Machines or engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders with two or more pistons reciprocating one within another, e.g. one piston forming cylinder of the other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B9/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups
    • F01B9/02—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with crankshaft

Definitions

  • the invention relates to a reciprocating engine.
  • a reciprocating engine is a fluid energy machine in which a piston reciprocates periodically in a cylinder (translational movement), the movement of the piston being transmitted to a crankshaft via a connecting rod.
  • the reciprocating engine may be formed as a work machine that receives energy in the form of mechanical work, or the reciprocating engine may be configured as an engine that converts an energy form such as thermal or electrical energy into mechanical energy or work.
  • the present invention has for its object to provide an improved reciprocating engine.
  • the reciprocating piston engine according to the invention has a main piston with a passage in which a slave piston is arranged to be displaceable. Between the movement of the main piston between its top dead center and bottom dead center and the movement of the slave piston between its top dead center and bottom dead center is a phase offset, which can lag the main piston of the slave piston.
  • the invention is based on the finding that an improvement in the combustion of fuel can be achieved with the reciprocating engine, when first precompressed by a movement of the slave piston in the direction of its top dead center, a fuel / combustion air mixture and then by a movement of the main piston in Direction to the top dead center toward the precompressed fuel / combustion air mixture can be further compressed.
  • the slave piston serves as a compressor piston and thus causes an increase in performance of the reciprocating engine, similar to compressor or turbo charged reciprocating engines.
  • the main piston has a main piston stroke
  • the sub-piston has a sub-piston stroke, wherein the sub-piston stroke is greater than the main piston stroke.
  • the phase offset is in a range of 30 ° to 40 °, in particular substantially in the range of 35 °.
  • the term "essentially” is understood to be within the usual production limits.
  • the precompression caused by the phase offset takes a period of time, e.g. 35 ° / 360 ° of the period of rotation of the crankshaft, that is slightly more than a sixth of the rotation period, which requires the main piston for the path from its bottom dead center to its top dead center and back again.
  • a small portion of the available energy is used for pre-compression, and most of the energy is available at the crankshaft of the reciprocating engine for picking.
  • the main piston is assigned a main combustion chamber and the secondary piston has an auxiliary combustion chamber.
  • a further increase in performance of the reciprocating engine can be achieved because after the end of pre-compression, further compression and subsequent ignition of the fuel / combustion air mixture can also be a combustion process in the main combustion chamber, which process releases additional forces to drive the reciprocating engine by the expansion of the gas , Furthermore, can be achieved by a double ignition equalization of the barrel of the reciprocating engine.
  • the reciprocating engine can also be designed and operated as a single-cylinder engine.
  • the fuel is used particularly efficiently, since the hot combustion gases do not expand at high speed. This makes it possible to provide particularly efficient slow-moving machines.
  • the secondary combustion chamber is at least partially formed by a depression in the cylinder block of the reciprocating engine, in which the sub-piston at least partially submerge can.
  • a reciprocating engine can be provided with a particularly simple structure, since, for example, ignition of a fuel / combustion air mixture can take place in the main combustion chamber, in which the secondary cylinder dives back out of the depression during a movement in the direction of its bottom dead center and so on Making connection between the main combustion chamber and the secondary combustion chamber, so that the hot combustion gas in the secondary combustion chamber can ignite the fuel / combustion air mixture in the main combustion chamber.
  • a main fuel injection device is associated with the main combustion chamber and a sub-fuel injection device is associated with the secondary combustion chamber.
  • different fuel / combustion air mixtures may be adjusted in the main combustion chamber and the secondary combustion chamber, e.g. to achieve a particularly clean and efficient combustion.
  • different injection timings are realized so as to achieve an even cleaner and more efficient combustion.
  • a further homogenization of the barrel of the reciprocating engine can be achieved.
  • the main fuel injection device for gasoline and the secondary fuel injection device for diesel injection are formed. So a combination operation of two fuel types is possible. Furthermore, the efficiency and thus the efficiency are increased because no high compression for the auto-ignition of a diesel combustion air mixture must be provided. Furthermore, the high combustion temperatures of the gasoline / combustion air mixture ensure near-perfect combustion of the other fuel mixture so that fuel can be saved and combustion is cleaner overall.
  • the passage is circular.
  • the passage in the main piston is particularly easy to manufacture.
  • the passage is arranged centrally in a cylinder end face of the main piston. This further simplifies the production of the passage.
  • a first connecting rod connecting the main piston force transmitting with a crankshaft of the reciprocating engine, wherein the first connecting rod is fixed to a crank pin of the crankshaft, on the crank pin an offset element is fixed with its first end, the offset element in tangential Direction extends and wherein the offset element is connected at its second end to a second connecting rod, which is connected to transmit power to the secondary piston.
  • Fig. 1 shows a reciprocating engine 2, which is formed in the present embodiment as a reciprocating engine, ie as an engine or engine.
  • the reciprocating engine 2 can also be designed as a working machine, for example pump or compressor.
  • the reciprocating engine 2 is an internal combustion engine which operates in the present embodiment according to the four-stroke principle. Alternatively, the reciprocating engine 2 can also operate on the two-stroke principle.
  • the reciprocating engine 2 has a cylinder block 16, in which a main piston 4 is displaceable on a first connecting rod 18 between its top dead center HOT and its bottom dead center HUT.
  • the first connecting rod 18 is fixed to a crankpin 22 of a crankshaft 20 of the reciprocating engine 2, so that an up and down movement of the main piston 4 can be transmitted to the crankshaft 20.
  • the main piston 4 has a passage 8, which is circular in the present embodiment and is arranged centrally in a cylinder end face of the main piston 4.
  • a sub-piston 6 is arranged to be displaceable between its top dead center NOT and its bottom dead center NUT.
  • the secondary piston 6 is connected to transmit power to a second connecting rod 26.
  • the second connecting rod 26, like the first connecting rod 18, is connected to transmit power to the crankshaft 20, but an offset member 24 is disposed between the second connecting rod 26 and the crankshaft 20.
  • the offset element 24 is rotatably connected at its first end to the crank pin 22 of the crankshaft 20 and connected at its second end to the second connecting rod 26 via a further crank pin 30 to transmit power.
  • the offset element 24 extends in the tangential direction T away from a circular path R1 of the crank pin 22.
  • phase offset ⁇ to move the secondary piston 6 between the top dead center NOT and bottom dead center NUT (see Fig. 1 . 3 and 5 ).
  • the phase offset ⁇ may be, for example, in a range of 30 ° to 40 °, based on the angular position of the crankshaft 20. In the present embodiment, the phase offset is 35 °.
  • the main piston 4 has a main piston stroke H1 and the secondary piston 6 has a secondary piston stroke H2, wherein the secondary piston stroke H2 is greater than the main piston stroke H1.
  • two combustion chambers are formed, namely a main combustion chamber 10, which is assigned to the main piston 4, and a secondary combustion chamber 12, which is assigned to the secondary piston 6.
  • the secondary combustion chamber 12 is formed by a recess 14 in the cylinder block 16 of the reciprocating piston engine 2 in the present embodiment. Shortly before reaching its top dead center NOT sub-piston 6 dives into the recess 14 and leaves after exceeding its top dead center NOT on the way to its bottom dead center NUT again the recess 14th
  • the main combustion chamber 10 is associated with a main fuel injection device (not shown) and the sub combustion chamber with a sub fuel injection device (not shown).
  • the main fuel injection device for gasoline and the sub-fuel injection device for diesel injection are formed.
  • the Fig. 2 shows that in the present embodiment, the first connecting rod 18 has two connecting rod elements 28a, 28b, in the extension direction E of Crankshaft 20 are spaced from each other. In the middle between the two connecting rod elements 28a, 28b, the second connecting rod 26 is arranged.
  • gases present in the main combustion chamber 10 and the auxiliary combustion chamber 12 such as e.g. Combustion air, only precompressed by an upward movement of the secondary piston 6 and then further compressed by the main piston 4.
  • a fuel / combustion air mixture e.g. ignited a gasoline / combustion air mixture, e.g. by means of a spark plug (not shown).
  • the gasoline / combustion air mixture may have been formed in the secondary combustion chamber 12 by a direct injection of gasoline by means of an injection nozzle (not shown).
  • another fuel / combustion air mixture e.g. a diesel / combustion air mixture formed, e.g. by a direct injection of diesel by means of an injection nozzle (not shown).
  • the slave piston 6 Upon reaching the first position, the slave piston 6 has left the recess 14 so far that a connection between the secondary combustion chamber 12 and the main combustion chamber 10 is formed. Thus, the further fuel / combustion air mixture in the main combustion chamber 10 is brought to the ignition.
  • both the main piston 4 and the subcrank 6 are displaced downwards in the direction of their respective bottom dead centers HUT, NUT.
  • the reciprocating engine Due to the double ignition a homogenization of the barrel of the reciprocating engine 2 is achieved, so that the reciprocating engine is formed in the present embodiment as a single-cylinder engine. Further, the reciprocating engine 2 is formed in the present embodiment as a slow-speed, i. the speeds are in a range between 60 and 250 revolutions per minute.
  • the fuel i. The gasoline-diesel / combustion air mixture, particularly efficiently implemented, since the hot combustion gases do not expand at high speed.

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Abstract

Die Erfindung umfasst eine Hubkolbenmaschine (2), mit einem Hauptkolben (4), wobei der Hauptkolben (4) einen Durchgang (8) aufweist, in dem ein Nebenkolben (6) verlagerbar angeordnet ist, wobei zwischen der Bewegung des Hauptkolbens (4) zwischen seinem oberen Totpunkt (HOT) und unteren Totpunkt (HUT) und der Bewegung des Nebenkolbens (6) zwischen dessen oberem Totpunkt (NOT) und unterem Totpunkt (NUT) ein Phasenversatz (”±) liegt, der den Hauptkolben (4) dem Nebenkolben (6) nacheilen lässt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine.
  • Eine Hubkolbenmaschine ist eine Fluidenergiemaschine, bei der sich ein Kolben in einem Zylinder periodisch hin- und herbewegt (Translationsbewegung), wobei die Bewegung des Kolbens über eine Pleuelstange auf eine Kurbelwelle übertragen wird.
  • Die Hubkolbenmaschine kann als Arbeitsmaschine ausgebildet sein, die Energie in Form von mechanischer Arbeit aufnimmt, oder die Hubkolbenmaschine kann als Kraftmaschine ausgebildet sein, die eine Energieform wie thermische oder elektrische Energie in mechanische Energie bzw. Arbeit umwandelt.
  • Die Ausdehnung eines Verbrennungsgases in dem Zylinder verrichtet Arbeit an dem Kolben, die durch die Pleuelstange auf die Kurbelwelle übertragen wird. So wird die oszillierende Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung umgesetzt. Hubkolbenmotoren funktionieren in der Regel nach dem Zweitakt- bzw. Viertaktverfahren.
  • Da Hubkolbenmaschinen nicht wie etwa Turbinen kontinuierlich laufen, sondern einen in verschiedene Takte aufgeteilten Prozess durchlaufen, kommt es an der Kurbelwelle zu einer Drehzahl- und Momentenpulsation, die um einen stationären Mittelwert schwankt.
  • Ferner ist der Wirkungsgrad derartiger Hubkolbenmaschinen, insbesondere von Hubkolbenmotoren, wenig befriedigend.
  • In Anbetracht des beschriebenen Problems liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Hubkolbenmaschine bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Hubkolbenmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Die erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine weist einen Hauptkolben mit einem Durchgang auf, in dem ein Nebenkolben verlagerbar angeordnet ist. Zwischen der Bewegung des Hauptkolbens zwischen seinem oberen Totpunkt und unteren Totpunkt und der Bewegung des Nebenkolbens zwischen dessen oberem Totpunkt und unterem Totpunkt liegt ein Phasenversatz, der den Hauptkolben dem Nebenkolben nacheilen lässt.
  • Die Erfindung geht auf die Erkenntnis zurück, dass eine Verbesserung der Verbrennung von Kraftstoff mit der Hubkolbenmaschine erreicht werden kann, wenn zuerst durch eine Bewegung des Nebenkolbens in Richtung zu seinem oberen Totpunkt ein Kraftstoff/Verbrennungsluft-Gemisch vorkomprimiert und anschließend durch eine Bewegung des Hauptkolbens in Richtung zu dessen oberem Totpunkt hin das vorkomprimierte Kraftstoff/Verbrennungsluft-Gemisch weiter komprimiert werden kann. Mit anderen Worten, der Nebenkolben dient als Kompressorkolben und bewirkt so eine Leistungssteigerung der Hubkolbenmaschine, ähnlich wie bei kompressor- oder turboaufgeladenen Hubkolbenmaschinen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Hauptkolben einen Hauptkolben-Hub auf, und der Nebenkolben weist einen Nebenkolben-Hub auf, wobei der Nebenkolben-Hub größer als der Hauptkolben-Hub ist. Dies hat den Vorteil, dass weniger Kraft für das Vorkomprimieren als für das Weiterkomprimieren aufgewendet werden muss. So wird einem Stehenbleiben der Hubkolbenmaschine im Zustand der Vorkomprimierung entgegengewirkt. Ferner kann so erreicht werden, dass der Nebenkolben aus dem Durchgang bei einer Bewegung in Richtung zum seinem oberen Totpunkt hervortreten kann und so eine besonders wirksame Komprimierung bewirkt.
  • Bei einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Phasenversatz in einem Bereich von 30° bis 40°, insbesondere im Wesentlichen im Bereich von 35°. Dabei wird unter dem Begriff "im Wesentlichen" innerhalb der üblichen Fertigungsgrenzen liegend verstanden. Somit nimmt mit anderen Worten die durch den Phasenversatz bewirkte Vorkomprimierung eine Zeitdauer von z.B. 35°/360° der Umdrehungsdauer der Kurbelwelle in Anspruch, also etwas mehr als ein Sechstel der Umdrehungsdauer, die der Hauptkolben für den Weg von seinem unteren Totpunkt zu seinem oberen Totpunkt und wieder zurück benötigt. So wird nur ein geringer Anteil der verfügbaren Energie zur Vorkomprimierung verwendet, und es steht der größte Teil der Energie an der Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine zum Abgriff bereit.
  • Bei einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dem Hauptkolben ein Hauptbrennraum und dem Nebenkolben ein Nebenbrennraum zugeordnet. So kann eine weitere Leistungssteigerung der Hubkolbenmaschine erreicht werden, da nach dem Ende der Vorkomprimierung, Weiterkomprimierung und anschließender Zündung des Kraftstoff/Verbrennungsluft-Gemisches ebenfalls ein Verbrennungsvorgang in dem Hauptbrennraum erfolgen kann, welcher Vorgang durch die Ausdehnung des Gases zusätzliche Kräfte zum Antrieb der Hubkolbenmaschine freisetzt. Ferner kann so durch eine doppelte Zündung eine Vergleichmäßigung des Laufs der Hubkolbenmaschine erreicht werden. So kann die Hubkolbenmaschine auch als Einzylindermotor ausgebildet sein und betrieben werden. Des Weiteren wird gerade bei Langsamläufern mit Drehzahlen im Bereich zwischen 60 und 250 Umdrehungen pro Minute der Kraftstoff besonders effizient ausgenutzt, da sich die heißen Verbrennungsgase nicht mit Hochgeschwindigkeit ausdehnen. So können besonders effiziente Langsamläufer bereitgestellt werden.
  • Bei einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Nebenbrennraum zumindest teilweise durch eine Vertiefung im Zylinderblock der Hubkolbenmaschine gebildet, in die der Nebenkolben zumindest teilweise eintauchen kann. So kann eine Hubkolbenmaschine mit einem besonders einfachen Aufbau bereitgestellt werden, da z.B. eine Zündung eines Kraftstoff/Verbrennungsluft-Gemisches in dem Hauptbrennraum erfolgen kann, in dem der Nebenzylinder bei einer Bewegung in Richtung auf dessen unterem Totpunkt hin aus der Vertiefung wieder abtaucht und so eine Verbindung zwischen dem Hauptbrennraum und dem Nebenbrennraum herstellt, so dass das heiße Verbrennungsgas in dem Nebenbrennraum das Kraftstoff/Verbrennungsluft-Gemisches in dem Hauptbrennraum entzünden kann.
  • Bei einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dem Hauptbrennraum eine Haupt-Kraftstoffeinspritzvorrichtung und dem Nebenbrennraum eine Neben-Kraftstoffeinspritzvorrichtung zugeordnet. So können in dem Hauptbrennraum und dem Nebenbrennraum unterschiedliche Kraftstoff/Verbrennungsluft-Gemische eingestellt werden, z.B. um eine besonders saubere und effiziente Verbrennung zu erreichen. Ferner können, z.B. im Fall von Kraftstoffdirekteinspritzungen, unterschiedliche Einspritzzeitpunkte realisiert werden, um so eine noch sauberere und effizientere Verbrennung zu erreichen. Ferner kann so eine weitere Vergleichmäßigung des Laufs der Hubkolbenmaschine erreicht werden.
  • Bei einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Haupt-Kraftstoffeinspritzvorrichtung zur Benzin- und die Neben-Kraftstoffeinspritzvorrichtung zur Dieseleinspritzung ausgebildet. So ist ein Kombinations-Betrieb von zwei Kraftstoffarten möglich. Ferner werden so der Wirkungsgrad und damit die Effizienz gesteigert, weil keine hohe Kompression für die Selbstzündung eines Diesel-Verbrennungsluftgemisches bereitgestellt werden muss. Des Weiteren gewährleisten die hohen Verbrennungstemperaturen des Benzin/Verbrennungsluft-Gemisches eine nahezu perfekte Verbrennung des anderen Kraftstoffgemisches, so dass Kraftstoff eingespart werden kann und die Verbrennung insgesamt sauberer ist.
  • Bei einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Durchgang kreisförmig ausgebildet. So ist der Durchgang in dem Hauptkolben besonders einfach zu fertigen.
  • Bei einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Durchgang mittig in einer Zylinderstirnfläche des Hauptkolbens angeordnet. So wird die Fertigung des Durchganges nochmals vereinfacht.
  • Bei einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verbindet eine erste Pleuelstange den Hauptkolben kräfteübertragend mit einer Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine, wobei die erste Pleuelstange an einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle befestigt ist, an dem Kurbelzapfen ein Versatzelement mit seinem ersten Ende befestigt ist, das Versatzelement sich in tangentialer Richtung erstreckt und wobei das Versatzelement mit seinem zweiten Ende mit einer zweiten Pleuelstange verbunden ist, die kräfteübertragend mit dem Nebenkolben verbunden ist. So kann mit einfachen Mitteln ein Phasenversatz erreicht werden, der den Hauptkolben dem Nebenkolben nacheilen lässt.
  • In der nun folgenden Beschreibung wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt:
    • Fig. 1
    eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine mit Hauptkolben und Nebenkolben in einer ersten Position in einer schematischen Schnittdarstellung,
    Fig. 2
    die in Fig. 1 dargestellte Hubkolbenmaschine in einer weiteren, schematischen Schnittdarstellung,
    Fig. 3
    die Hubkolbenmaschine gemäß Fig. 1 mit Hauptkolben und Nebenkolben in einer zweiten Position in einer schematischen Schnittdarstellung,
    Fig. 4
    die in Fig. 3 dargestellte Hubkolbenmaschine in einer weiteren, schematischen Schnittdarstellung, und
    Fig. 5
    die Hubkolbenmaschine gemäß Fig. 1 mit Hauptkolben und Nebenkolben in einer dritten Position in einer schematischen Schnittdarstellung.
  • Fig. 1 zeigt eine Hubkolbenmaschine 2, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Hubkolbenmotor, d.h. als Kraftmaschine bzw. Motor ausgebildet ist. Alternativ kann die Hubkolbenmaschine 2 auch als Arbeitsmaschine, z.B. Pumpe oder Verdichter ausgebildet sein.
  • Die Hubkolbenmaschine 2 ist eine Brennkraftmaschine, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel nach dem Viertaktprinzip arbeitet. Alternativ kann die Hubkolbenmaschine 2 auch nach dem Zweitaktprinzip arbeiten.
  • Übliche Komponenten der Hubkolbenmaschine 2, wie z.B. Einlass- und Auslassventile, Kraftstoffeinspritzvorrichtungen oder Ventilsteuerungen sind aus Gründen der Einfachheit nicht dargestellt.
  • Die Hubkolbenmaschine 2 weist einen Zylinderblock 16 auf, in dem ein Hauptkolben 4 an einer ersten Pleuelstange 18 zwischen seinem oberen Totpunkt HOT und seinem unteren Totpunkt HUT verlagerbar ist. Die erste Pleuelstange 18 ist an einem Kurbelzapfen 22 einer Kurbelwelle 20 der Hubkolbenmaschine 2 befestigt, so dass eine Auf- und Abbewegung des Hauptkolbens 4 auf die Kurbelwelle 20 übertragen werden kann.
  • Der Hauptkolben 4 weist einen Durchgang 8 auf, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel kreisförmig ausgebildet und mittig in einer Zylinderstirnfläche des Hauptkolbens 4 angeordnet ist.
  • In dem Durchgang 8 ist ein Nebenkolben 6 zwischen seinem oberen Totpunkt NOT und seinem unteren Totpunkt NUT verlagerbar angeordnet. Der Nebenkolben 6 ist mit einer zweiten Pleuelstange 26 kräfteübertragend verbunden. Die zweite Pleuelstange 26 ist wie die erste Pleuelstange 18 mit der Kurbelwelle 20 kräfteübertragend verbunden, jedoch ist zwischen der zweiten Pleuelstange 26 und der Kurbelwelle 20 ein Versatzelement 24 angeordnet. Das Versatzelement 24 ist mit seinem ersten Ende mit dem Kurbelzapfen 22 der Kurbelwelle 20 drehfest verbunden und mit seinem zweiten Ende mit der zweiten Pleuelstange 26 über einen weiteren Kurbelzapfen 30 kräfteübertragend verbunden. Dabei erstreckt sich das Versatzelement 24 in tangentialer Richtung T weg von einer Kreisbahn R1 des Kurbelzapfens 22. Ferner ist in Fig. 1 eine Kreisbahn R2 dargestellt, auf der sich der weitere Kurbelzapfen 30 des Versatzelements 24 bewegt. Zu erkennen ist, dass aufgrund des sich in tangentialer Richtung T erstreckenden Versatzelements 24 die Kreisbahn R2 einen größeren Radius als die Kreisbahn R1 hat, wobei beide Kreisbahnen R1, R2 die Kurbelwelle 20 als Mittelpunkt aufweisen und insofern konzentrisch zueinander angeordnet sind.
  • Somit weist durch das Versatzelement 24 die Bewegung des Hauptkolbens 4 zwischen seinem oberen Totpunkt HOT und unteren Totpunkt HUT einen Phasenversatz Δα zur Bewegung des Nebenkolbens 6 zwischen dessen oberem Totpunkt NOT und unterem Totpunkt NUT auf (siehe Fig. 1, 3 und 5). Der Phasenversatz Δα kann z.B. in einem Bereich von 30° bis 40° liegen, bezogen auf die Winkelstellung der Kurbelwelle 20. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Phasenversatz 35°.
  • Ferner weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Hauptkolben 4 einen Hauptkolben-Hub H1 und der Nebenkolben 6 einen Nebenkolben-Hub H2 auf, wobei der Nebenkolben-Hub H2 größer als der Hauptkolben-Hub H1 ist.
  • So werden zwei Brennräume gebildet, nämlich ein Hauptbrennraum 10, der dem Hauptkolben 4 zugeordnet ist, und ein Nebenbrennraum 12, der dem Nebenkolben 6 zugeordnet ist. Dabei wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Nebenbrennraum 12 durch eine Vertiefung 14 im Zylinderblock 16 der Hubkolbenmaschine 2 gebildet. Kurz vor Erreichen seines oberen Totpunktes NOT taucht der Nebenkolben 6 in die Vertiefung 14 ein und verlässt nach Überschreiten seines oberen Totpunktes NOT auf dem Weg zum seinem unteren Totpunkt NUT wieder die Vertiefung 14.
  • Des Weiteren ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel dem Hauptbrennraum 10 eine Haupt-Kraftstoffeinspritzvorrichtung (nicht dargestellt) und dem Nebenbrennraum eine Neben-Kraftstoffeinspritzvorrichtung (nicht dargestellt) zugeordnet. Dabei sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Haupt-Kraftstoffeinspritzvorrichtung zur Benzin- und die Neben-Kraftstoffeinspritzvorrichtung zur Dieseleinspritzung ausgebildet.
  • Die Fig. 2 zeigt, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel die erste Pleuelstange 18 zwei Pleuelstangenelemente 28a, 28b aufweist, die in Erstreckungsrichtung E der Kurbelwelle 20 beabstandet voneinander angeordnet sind. In der Mitte zwischen den beiden Pleuelstangenelementen 28a, 28b ist die zweite Pleuelstange 26 angeordnet.
  • Es wird nun unter zusätzlicher Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 5 der Betrieb der Hubkolbenmaschine 2 erläutert.
  • Die Fig. 1 und 2 zeigen die Hubkolbenmaschine 2 mit dem Hauptkolben 4 und Nebenkolben 6 in einer ersten Stellung, in der der Hauptkolben 4 sich an einer Winkelposition α0 = 0° an seinem oberen Totpunkt HOT befindet, während aufgrund des Phasenversatzes Δα der Nebenkolben 6 seinen oberen Totpunkt NOT bereits überschritten hat und sich auf seinem Weg zu seinem unteren Totpunkt NUT an einer Winkelposition α1 = 35° befindet.
  • Vor Erreichen der ersten Stellung wurden in dem Hauptbrennraum 10 und dem Nebenbrennraum 12 befindliche Gase, wie z.B. Verbrennungsluft, von einer Aufwärtsbewegung des Nebenkolbens 6 erst vorkomprimiert und dann durch den Hauptkolbens 4 weiter komprimiert.
  • Ferner wurde vor Erreichen der ersten Stellung in dem Nebenbrennraum 12 ein Kraftstoff/Verbrennungsluft-Gemisch, z.B. ein Benzin/Verbrennungsluft-Gemisch zur Zündung gebracht, z.B. mittels einer Zündkerze (nicht dargestellt). Das Benzin/Verbrennungsluft-Gemisch kann in dem Nebenbrennraum 12 durch eine Direkteinspritzung von Benzin mittels einer Einspritzdüse (nicht dargestellt) gebildet worden sein.
  • Ferner wurde vor Erreichen der ersten Stellung in dem Hauptbrennraum 10 ein weiteres Kraftstoff/Verbrennungsluft-Gemisch, z.B. ein Diesel/Verbrennungsluft-Gemisch, gebildet, z.B. durch eine Direkteinspritzung von Diesel mittels einer Einspritzdüse (nicht dargestellt).
  • Mit Erreichen der ersten Stellung hat der Nebenkolben 6 die Vertiefung 14 soweit verlassen, dass eine Verbindung zwischen dem Nebenbrennraum 12 und dem Hauptbrennraum 10 gebildet wird. So wird nun das weitere Kraftstoff/Verbrennungsluft-Gemisch in dem Hauptbrennraum 10 zur Entzündung gebracht.
  • Durch die Ausdehnung der Verbrennungsgase werden sowohl der Hauptkolben 4 als auch der Nebenkoben 6 abwärts in Richtung zu ihren jeweiligen unteren Totpunkten HUT, NUT hin verlagert. Die Fig. 3 und 4 zeigen den Hauptkolben 4 an einer Winkelposition von α2 = 30° und aufgrund des Phasenversatzes Δα den Nebenkolben 6 an einer Winkelposition von α3 = 65°, während die Fig. 5 den Hauptkolben 4 an einer Winkelposition von α4 = 60° und aufgrund des Phasenversatzes Δα den Nebenkolben 6 an einer Winkelposition von α5 = 95° zeigt.
  • Durch die doppelte Zündung wird eine Vergleichmäßigung des Laufs der Hubkolbenmaschine 2 erreicht, so dass die Hubkolbenmaschine im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Einzylindermotor ausgebildet ist. Ferner ist die Hubkolbenmaschine 2 im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Langsamläufer ausgebildet, d.h. die Drehzahlen liegen in einem im Bereich zwischen 60 und 250 Umdrehungen pro Minute. So kann der Kraftstoff, d.h. das Benzin-Diesel/Verbrennungsluft-Gemisch, besonders effizient umgesetzt werden, da sich die heißen Verbrennungsgase sich nicht mit Hochgeschwindigkeit ausdehnen.
  • Durch die Vorkomprimierung mit Hilfe des Hauptkolbens 4 ist keine hohe Kompression für die Selbstzündung eines Diesel/Verbrennungsluft-Gemisches erforderlich, so dass die Hubkolbenmaschine 2 einen besonders hohen Wirkungsgrad aufweist und damit besonders effizient ist. Dabei gewährleisten die hohen Verbrennungstemperaturen des Benzin/Verbrennungsluft-Gemisches eine perfekte Verbrennung des Kraftstoffgemisches, so dass Kraftstoff eingespart werden kann und die Verbrennung insgesamt sauberer ist.
  • Mit Erreichen der jeweiligen unteren Totpunkte HUT, NUT kehren sich die jeweiligen Bewegungsrichtungen des Hauptkolbens 4 und des Nebenkolbens 6 um, so dass sich ein für Viertaktmotoren typischer Entleerungsschritt anschließt, gefolgt von einem Füllschritt, bevor wieder die in den Fig. 1 und 2 dargestellte erste Stellung erreicht wird.
    • Bezugszeichenliste
    • 2
    Hubkolbenmaschine
    4
    Hauptkolben
    6
    Nebenkolben
    8
    Durchgang
    10
    Hauptbrennraum
    12
    Nebenbrennraum
    14
    Vertiefung
    16
    Zylinderblock
    18
    erste Pleuelstange
    20
    Kurbelwelle
    22
    Kurbelzapfen
    24
    Versatzelement
    26
    zweite Pleuelstange
    28a
    Pleuelstangenelement
    28b
    Pleuelstangenelement
    30
    Kurbelzapfen
    E
    Erstreckungsrichtung
    H1
    Hauptkolben-Hub
    H2
    Nebenkolben-Hub
    HOT
    oberer Totpunkt des Hauptkolbens
    HUT
    unterer Totpunkt des Hauptkolbens
    NOT
    oberer Totpunkt des Nebenkolbens
    NUT
    unterer Totpunkt des Nebenkolbens
    R1
    Kreisbahn
    R2
    Kreisbahn
    T
    tangentiale Richtung
    Δα
    Phasenversatz
    α0
    Winkelposition
    α1
    Winkelposition
    α2
    Winkelposition
    α3
    Winkelposition
    α4
    Winkelposition

Claims (10)

  1. Hubkolbenmaschine (2), mit einem Hauptkolben (4), wobei der Hauptkolben (4) einen Durchgang (8) aufweist, in dem ein Nebenkolben (6) verlagerbar angeordnet ist, wobei zwischen der Bewegung des Hauptkolbens (4) zwischen seinem oberen Totpunkt (HOT) und unteren Totpunkt (HUT) und der Bewegung des Nebenkolbens (6) zwischen dessen oberem Totpunkt (NOT) und unterem Totpunkt (NUT) ein Phasenversatz (Δα) liegt, der den Hauptkolben (4) dem Nebenkolben (6) nacheilen lässt.
  2. Hubkolbenmaschine (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkolben (4) einen Hauptkolben-Hub (H1) und der Nebenkolben (6) einen Nebenkolben-Hub (H2) aufweist, wobei der Nebenkolben-Hub (H2) größer als der Hauptkolben-Hub (H1) ist.
  3. Hubkolbenmaschine (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenversatz in einem Bereich von 30° bis 40°, insbesondere im Wesentlichen bei 35° liegt.
  4. Hubkolbenmaschine (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Hauptkolben (4) ein Hauptbrennraum (10) und dem Nebenkolben (6) ein Nebenbrennraum (12) zugeordnet ist.
  5. Hubkolbenmaschine (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenbrennraum (12) zumindest teilweise durch eine Vertiefung (14) im Zylinderblock (16) der Hubkolbenmaschine (2) gebildet ist, in die der Nebenkolben (6) zumindest teilweise eintauchen kann.
  6. Hubkolbenmaschine (2) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Hauptbrennraum (10) eine Haupt-Kraftstoffeinspritzvorrichtung und dem Nebenbrennraum eine Neben-Kraftstoffeinspritzvorrichtung zugeordnet ist.
  7. Hubkolbenmaschine (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupt-Kraftstoffeinspritzvorrichtung zur Benzin- und die Neben-Kraftstoffeinspritzvorrichtung zur Dieseleinspritzung ausgebildet sind.
  8. Hubkolbenmaschine (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang (8) kreisförmig ausgebildet ist.
  9. Hubkolbenmaschine (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang (8) mittig in einer Zylinderstirnfläche des Hauptkolbens (4) angeordnet ist.
  10. Hubkolbenmaschine (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Pleuelstange (18) den Hauptkolben (4) kräfteübertragend mit einer Kurbelwelle (20) der Hubkolbenmaschine (2) verbindet, wobei die erste Pleuelstange (18) an einem Kurbelzapfen (22) der Kurbelwelle (20) befestigt ist, an dem Kurbelzapfen (22) ein Versatzelement (24) mit seinem ersten Ende befestigt ist, das Versatzelement (24) sich in tangentialer Richtung (T) erstreckt und wobei das Versatzelement (24) mit seinem zweiten Ende mit einer zweiten Pleuelstange (26) verbunden ist, die kräfteübertragend mit dem Nebenkolben (6) verbunden ist.
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