EP4613988A2 - Verfahren einer verbrennungskraftmaschine mit zwei mal drei takten - Google Patents

Verfahren einer verbrennungskraftmaschine mit zwei mal drei takten

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EP4613988A2
EP4613988A2 EP25192384.3A EP25192384A EP4613988A2 EP 4613988 A2 EP4613988 A2 EP 4613988A2 EP 25192384 A EP25192384 A EP 25192384A EP 4613988 A2 EP4613988 A2 EP 4613988A2
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EP
European Patent Office
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dead center
piston
bottom dead
planetary gear
cylinder
Prior art date
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Dr Ing HCF Porsche AG
Technical University Of Cluj Napoca
Original Assignee
Dr Ing HCF Porsche AG
Technical University Of Cluj Napoca
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Publication date
Application filed by Dr Ing HCF Porsche AG, Technical University Of Cluj Napoca filed Critical Dr Ing HCF Porsche AG
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    • F02B2075/026—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle three

Definitions

  • the invention relates to a cylinder arrangement of an internal combustion engine (motor) and an internal combustion engine.
  • a gas mixture is first admitted into the combustion chamber, which is formed by a cylinder and a piston moving in translation within it, during the first stroke. It is compressed there by a piston movement from bottom dead center to top dead center. Bottom dead center is defined as the position of the piston at which the combustion chamber has its maximum volume. Accordingly, top dead center is defined as the position of the piston at which the combustion chamber has its minimum volume.
  • the inflowing gas mixture can already be a fuel-air mixture or simply fresh air.
  • fuel is injected into the combustion chamber, if not already contained in the intake gas mixture, and the gas mixture is ignited.
  • This application relates to The term gas mixture does not refer exclusively to an air-fuel mixture, but rather to a gas of any composition.
  • a combusted air-fuel mixture can be referred to as a gas mixture, as can air alone.
  • a gas mixture In gasoline engines, ignition is achieved by a spark plug. The ignition of the gas mixture causes it to burn, causing the pressure in the combustion chamber to rise sharply. In diesel engines, ignition occurs due to the high temperature in the area of maximum compression and the self-igniting fuel.
  • the advantage of the two-stroke engine is that power is delivered with every revolution of the crankshaft, thus enabling high performance.
  • the disadvantages are high wear, fuel consumption, and emissions, as well as comparatively low component durability due to the high thermal and mechanical stress.
  • the first stroke is characterized by the intake of a gas mixture (here, either fresh air with subsequent injection of fuel or an air-fuel mixture) through an intake valve. This occurs during the piston's movement from top dead center to bottom dead center. Once the maximum combustion chamber volume has been reached and the piston has reached its reversal point (here, bottom dead center), the The intake valve closes, and the gas mixture trapped in the combustion chamber is compressed by the piston's movement from bottom to top dead center, marking the second stroke.
  • a gas mixture here, either fresh air with subsequent injection of fuel or an air-fuel mixture
  • the gas mixture is ignited near top dead center, i.e., at maximum compression, creating excess pressure in the combustion chamber, which in turn accelerates the piston toward bottom dead center and thus delivers power to the crankshaft (third stroke).
  • the combusted gas mixture is then expelled from the combustion chamber via an exhaust valve in a fourth stroke.
  • the four-stroke engine has significantly reduced emissions and fuel consumption compared to a two-stroke engine, and significantly increased engine reliability and durability. However, power output is reduced, as only one power output occurs in two revolutions of the crankshaft.
  • the patent document CH714074A2 discloses an internal combustion engine with a three-stroke cycle.
  • the process corresponds to a two-stroke cycle with an additional cycle for scavenging.
  • the time for more thorough scavenging is achieved by a triangular movement on the crankpin. This is achieved, for example, via a pinion and rolling circle ring gear with a diameter ratio of 1:3 or 2:3.
  • the piston is fully raised and lowered once or twice during every three revolutions of the crankshaft (1080°).
  • document CN112953110A discloses an electromagnetic three-stroke piston engine with a planetary gear.
  • the document WO2022087759A1 discloses a free-piston internal combustion engine with two coupled pistons for driving a hydraulic motor with a three-stroke principle.
  • Passing through the second bottom dead center refers to the movement of the piston, which moves in one direction until bottom dead center and then reverses its movement in the opposite direction at bottom dead center.
  • the combustion of the air-fuel mixture in process step (C) only occurs until the onset of purging, which preferably occurs when the first bottom dead center is passed.
  • the compression of the gas mixture according to process step (D) also only occurs when the purging of the combustion chamber during passage through the second bottom dead center is completed, which preferably also occurs when the first bottom dead center is passed, this time in the opposite direction.
  • fuel mixture refers both to a fuel mixture that is already injected into the cylinder's combustion chamber as a fuel-air mixture or drawn in through the intake valve, and to a fuel-air mixture that is only formed in the combustion chamber by the intake of fresh air and the injection of fuel. It can also refer to the residual gas that remains combusted or partially combusted in the combustion chamber after combustion.
  • the process is therefore a process with six individual strokes, whereby these strokes can be divided into two three-stroke sequences.
  • Both three-stroke sequences each have a combustion stroke, in which power is delivered to the crankshaft.
  • a three-stroke process is referred to, even though six strokes are required to form a complete working cycle of the internal combustion engine with two working strokes.
  • the camshaft rotates It rotates three times slower than the crankshaft.
  • the two individual three-stroke processes are also referred to as working cycles.
  • the process incorporates all the process steps of both a four-stroke and a two-stroke engine, with the power output being increased by twice the power output within the six individual strokes compared to a four-stroke engine.
  • the clean and complete combustion of the fuel mixture eliminates the disadvantages of the two-stroke process.
  • the combustion chamber is purged in the region of the second bottom dead center using at least one purge opening arranged radially in the cylinder.
  • This can be dimensioned according to the amount of gas to be purged, or divided into several smaller openings in order to optimize purging.
  • a gas mixture enters the combustion chamber through the at least one purge opening, wherein the gas mixture previously expanded by the combustion process in the combustion chamber was previously discharged from the combustion chamber, preferably through an exhaust valve or another outlet opening.
  • the purge openings are also used to discharge the gas mixture present in the combustion chamber.
  • a fuel mixture is supplied to the combustion chamber during the movement of the piston from the second bottom dead center to the first top dead center, in particular injected through the intake valve or supplied through the scavenging openings.
  • the injection takes place during the scavenging of the combustion chamber shortly after the piston has passed through the second bottom dead center, i.e., before the first bottom dead center is reached by the piston.
  • cylinder arrangement refers to the arrangement of a cylinder including the piston, connecting rod, and mounting on a crankshaft.
  • An internal combustion engine according to the invention comprises several cylinder arrangements with a common crankshaft.
  • the cylinder arrangement of an internal combustion engine has a piston which is designed to move in a translationally oscillating manner back and forth in a cylinder and to delimit a combustion chamber within the cylinder.
  • the cylinder arrangement further comprises a connecting rod which is designed to connect the piston to at least one planetary gear by means of a connecting element, wherein the connecting element is arranged eccentrically on the planetary gear and the planetary gear engages with and rotates in a ring gear and is also connected to a crankshaft.
  • a connecting element arranged eccentrically on the planetary gear is defined in that the geometric center of the connecting element does not coincide with the geometric center of the planetary gear, but has an eccentricity.
  • the dimensions of the planetary gear and the eccentric arrangement of the connecting element are designed such that the piston reaches a first top dead center twice and a second top dead center once in three revolutions of the planetary gear or the crankshaft in the ring gear and twice a first bottom dead center and once a second bottom dead center, wherein the first top dead center and the first bottom dead center are further away from an axis of the crankshaft than the second top dead center and the second bottom dead center, respectively.
  • the diameter of the planetary gear is preferably three-fifths of the diameter of the ring gear.
  • the diameter is the pitch diameter of a gear. (i.e., planetary gear or ring gear).
  • the speed ratio between the planetary gear and the crankshaft is preferably two to three.
  • This arrangement forces the geometric center of the connecting rod's connecting element to the planetary gear onto a hypocycloidal path, resulting in the different dead centers.
  • the dimensioning of the eccentricity defines the distances between the dead centers.
  • the cylinder has at least one scavenging opening between the first bottom dead center and the second bottom dead center, which is designed to scavenge the combustion chamber when the piston is below the first bottom dead center and thus exposes the scavenging opening.
  • a simple option for scavenging the combustion chamber can be provided.
  • Embodiments are conceivable in which the gas mixture in the combustion chamber is discharged and a fresh gas mixture is introduced through the scavenging openings, or in which only fresh gas mixture is introduced, while the discharge of the gas mixture in the combustion chamber is ensured via another exhaust opening or an exhaust valve.
  • a further preferred embodiment of the cylinder arrangement according to the invention is one in which the connecting element between the connecting rod and the planetary gear is formed by an eccentrically arranged, particularly cylindrical, element, which is enclosed by a connecting rod eye arranged at one end of the connecting rod.
  • Such an arrangement represents a simple way of establishing the connection between the connecting rod and the planetary gear.
  • the cylinder arrangement has at least one inlet valve for supplying a gas mixture, in particular a fuel-air mixture, into the combustion chamber and at least one outlet valve for discharging a gas mixture from the combustion chamber.
  • valves can be easily controlled via valve trains, thus providing an efficient way to supply the combustion chamber with a fuel-air mixture. It is also conceivable to provide multiple valve openings within one cycle. However, designs with multiple intake or exhaust valves are also conceivable.
  • the ring gear is rotatable through a defined angular position.
  • This also causes the planetary gear to rotate, changing the orientation of the eccentricity with which the connecting element of the connecting rod is attached to the planetary gear. Consequently, the dead centers are slightly changed, which affects the compression ratio in the combustion chamber and in particular the control of the valves, especially the intake valve.
  • the valve timing can be adjusted by slightly rotating the ring gear through a defined angular position.
  • the rotation of the ring gear can also partially mask the scavenging openings, thus influencing the scavenging of the combustion chamber.
  • the rotation of the ring gear occurs via an external thread located on the outside of the ring gear.
  • the ring gear can be rotated by a gear engaging this external thread.
  • the geometric dimensions of the ring gear, the planetary gear and the distance between the eccentrically arranged connecting element of the connecting rod and the geometric center of the planetary gear are selected such that the ratio between the distance between the first top dead center and the first bottom dead center and the distance between the first top dead center and the second bottom dead center is between 0.7 and 0.85.
  • the distance of the eccentric connecting element to the geometric center of the planetary gear is defined by the distance between the connection point of the connecting element on the planetary gear and the geometric center of the planetary gear.
  • the internal combustion engine according to the invention has at least one cylinder arrangement according to the invention.
  • the number of cylinders is preferably a multiple of 3.
  • An internal combustion engine according to the invention can be available in various designs and thus with different geometric arrangements of the individual cylinder arrangements. It can thus be implemented, for example, as an in-line engine, V-engine, W-engine, or boxer engine.
  • Fig. 1 shows a perspective view of an embodiment of a piston arrangement 1 according to the invention.
  • the piston arrangement 1 has a cylinder 10 in which a piston 20 performs a linear movement.
  • the cylinder 10 is shown in section for better illustration.
  • Cylinder 10 and piston 20 enclose a combustion chamber 14, the volume of which changes depending on the movement of the piston 20 in the cylinder 10.
  • an inlet valve 12 and an exhaust valve 13 are arranged to guide a gas mixture into the combustion chamber 14 and to discharge it from the combustion chamber 14.
  • the valves are controlled via a camshaft 70 and inlet cams 71 and exhaust cams 72 correspondingly attached thereto.
  • the cylinder 10 has radial scavenging openings 11 at a fixed height, by means of which the combustion chamber can be scavenged when the piston 20 is in the corresponding position.
  • the piston 20 is connected via a connecting rod 30 to two planetary gears 40, each rotating in a ring gear 50. It is also possible to provide only one planetary gear 40 and correspondingly one ring gear 50. For the sake of simplicity, only one planetary gear 40 and one ring gear 50 will be referred to below, since the movement of the two planetary gears 40 is synchronous.
  • a crankshaft 60 is connected to the planetary gear 40, which, as in prior art internal combustion engines, provides the power of the engine for use and connects different piston assemblies 1 to one another.
  • the connection of the connecting rod 30 to the planetary gear 40 is eccentric, i.e. not in the geometric center of the planetary gear 40, which is important with regard to Fig. 2 will be discussed in more detail.
  • Fig. 2 shows a detailed view of the planetary gear 40, as it is in the embodiment of the piston arrangement 1 according to.
  • Fig. 1 is used. It has external teeth 43, which mesh with the teeth of the ring gear 50.
  • the connection of the connecting rod 30 to the planetary gear 40 is realized via a connecting element 42. In the embodiment shown, this is cylindrical and arranged on the side surface of the planetary gear 40.
  • the receptacle 41 for the crankshaft 60 is arranged in the geometric center of the planetary gear 40.
  • the geometric center M of the cylindrical connecting element 42 does not coincide with the geometric center K of the planetary gear 40.
  • the connecting element 42 is therefore arranged eccentrically on the side surface of the planetary gear 40, whereby the eccentricity e, i.e. the distance of the geometric center M of the connecting element to the geometric center K of the planetary gear 40, represents an important parameter for the piston movement, as with regard to Fig. 3 is explained in more detail.
  • Fig. 3 shows a cross-section of the cylinder 10 and the movement of the geometric center M of the connecting element 42.
  • the movement of a point of the piston corresponds to the movement of the geometric center M of the connecting element 42 in the y-direction of the diagram.
  • the cylinder 10 corresponds to the already in Fig. 1 shown cylinder 10.
  • Fig. 2 Due to the eccentricity e explained above, the linearly oscillating axial movement of the piston 20 within the cylinder 10 does not always run between the two same end points, as is known in the prior art. These are conventionally referred to as top and bottom dead center (TDC, BDC) and each mark the turning point of the piston 20 during the axial movement.
  • TDC top and bottom dead center
  • one working cycle (total cycle with two working cycles/working strokes) of the piston arrangement according to the invention comprises three revolutions of the crankshaft 60.
  • the planetary gear 40 also rotates three times within the ring gear 50.
  • the geometric center M of the connecting element 42 does not follow a circular path during one revolution. However, if the crankshaft 60 completes three revolutions, the geometric center M is again at the same point.
  • the movement path of the geometric center M of the connecting element 42 is on the right side of the Fig. 3 shown, wherein the movement path of an upper point of the piston 20 corresponds to the movement path of the geometric center M of the connecting element 42 and thus the diagram can be transferred in the y-direction to an upper point of the piston 20.
  • This hypocycloid curve has three maxima, which are to be understood as top dead centers, and three minima, which are to be understood as bottom dead centers. Two maxima are higher than the third maximum, and one minimum is lower than the other two minima. Thus, the two higher maxima form the first top dead center (TDC), and the lower maximum forms the second top dead center (TDC). Analogously, the two higher minima form the first bottom dead center (BDC), and the one lower minimum (the global minimum of the motion curve) forms the second bottom dead center (BDC).
  • the piston 20 moves between the second bottom dead center BDC" and the first top dead center TDC' during one working cycle, with the first top dead center TDC' being reached twice and the second top dead center TDC" once.
  • the first bottom dead center BDC' is reached twice and the second bottom dead center BDC" once.
  • the scavenging openings 11 are arranged in the cylinder 10 such that they are only opened when the piston 20 passes through the second bottom dead center BDC".
  • the goal is to achieve the most uniform compression possible for both working cycles.
  • Figs. 4a and 5a show the piston arrangement 1 according to the invention in different positions of the working cycle.
  • Fig. 4a the planetary gear 40 is located within the ring gear 50 in the position furthest from the cylinder 10.
  • the planetary gear 40 is oriented such that the eccentricity e points downwards in the plane of the drawing, i.e. the connecting element 42 is located further away from the cylinder 10 than the geometric center of the planetary gear 40.
  • the piston 20 is located at the second bottom dead center UT", i.e. the global minimum in the movement path from Fig. 3 .
  • Fig. 4b schematically shown the radial scavenging openings 11 in the cylinder 10, which is shown here in a section, are exposed by the piston 20.
  • Fig. 5a the planetary gear 40 is again at the point furthest from the cylinder 10 in the ring gear 50, namely exactly one revolution of the planetary gear 40 in the ring gear 50 later.
  • the geometric center M of the connecting element 42 is not at the same point after one revolution of the planetary gear 40 in the ring gear 50, but is in the plane of the drawing of the Fig. 5a to the top left.
  • the piston 20 is at the first bottom dead center UT' in the cylinder 10, where it covers the scavenging openings 11 and thus does not allow the gas mixture to escape from the combustion chamber 14 through the scavenging openings 11, as in Fig. 5b shown.
  • Fig. 6 shows a diagram illustrating the movement sequence of the piston 20 in the cylinder 10 of a piston arrangement 1 according to the invention.
  • Fig. 6 the working cycle of the piston arrangement 1 according to the invention and thus the method in connection with Fig. 1 described in more detail.
  • crankshaft rotation of 1080°, corresponding to three full crankshaft revolutions. It is divided into a total of six strokes, each of which encompasses 180°, or half a crankshaft revolution.
  • the diagram shows the angle of the crankshaft 60°, i.e. the crankshaft rotation, on the x-axis, and the stroke of the piston 20° within the Cylinder 10. The specific numerical values are given here only as examples.
  • the piston 20 In the initial position shown, the piston 20 is at the second top dead center OT". From there, it moves in the first stroke towards the first bottom dead center UT'. During this movement, the intake cam 71 opens on the camshaft 70 (see Fig. 1 ) the intake valve 12, whereby an air-fuel mixture enters the combustion chamber 14. In an alternative embodiment, it is also possible for only fresh air to enter the combustion chamber through the intake valve and, in the following compression stroke, to be mixed with an injected fuel to form a fuel-air mixture.
  • the volume of the combustion chamber 14 is reduced again by the movement of the piston 20 toward the first top dead center (TDC).
  • the gas mixture in the combustion chamber 14 is compressed, which is why this stroke can be described as a compression stroke.
  • the intake valve 12 is closed again to prevent the gas mixture from escaping.
  • the first two strokes are thus also known from a four-stroke engine, although, unlike a four-stroke engine, the piston movement encompasses two different top dead centers.
  • the gas mixture When the first top dead center (TDC) is reached or shortly before, the gas mixture is ignited.
  • gasoline engines use a spark plug like those in conventional internal combustion engines, whereas in diesel engines, the compression is so high that the gas mixture ignites itself due to the high pressure and the resulting increase in temperature.
  • the ignition of the gas mixture greatly increases the pressure in the combustion chamber 14, causing the piston 20 to accelerate during its movement in the third stroke from the first top dead center (TDC)' to the second bottom dead center (BDC). This allows the power to be transferred to the crankshaft 60 via the connecting rod 30.
  • the piston 20 When the piston 20 reaches the first bottom dead center UT', it opens the scavenging openings 11 arranged radially in the cylinder 10, thereby scavenging the combustion chamber 14.
  • the scavenging openings 11 are closed during the passage of the second bottom dead center UT" of the piston 20, until the piston 20 passes the first bottom dead center UT' or the scavenging openings 11 again in the fourth stroke.
  • the inlet valve 12 it is also possible, but not necessary, for the inlet valve 12 to open and thus fresh gas mixture flows into the combustion chamber from the cylinder cover, provided that the pressure in the combustion chamber 14 is lower than the pressure with which the fresh gas mixture flows into the combustion chamber 14.
  • the exhaust cam 72 (see Fig. 1 ) comprises, in the embodiment shown, two elevations for opening the exhaust valve 13 during the scavenging process and the exhaust stroke (stroke 6). After reaching the second top dead center (TDC), a working cycle is completed, and the strokes begin again.
  • embodiments of the invention with independently controllable valve trains, as well as embodiments without a camshaft, are also conceivable in order to variably control the opening and closing times of the intake valve 12 and the exhaust valve 13.
  • the engine according to the invention is a three-stroke engine, with two different three-stroke cycles being carried out alternately.
  • Both compression strokes occur between the first bottom dead center (BDC) and the first top dead center (TDC), thereby ensuring a constant compression ratio for the respective subsequent combustions.

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Abstract

Zylinderanordnung (1) einer Verbrennungskraftmaschine, aufweisend einen Kolben (20), welcher dazu ausgebildet ist, sich in einem Zylinder (10) translatorisch hin und her zu bewegen und einen Brennraum (14) innerhalb des Zylinders (10) zu begrenzen, ein Pleuel (30), dazu ausgebildet den Kolben (20) mit einem Planetenrad (40) mittels eines Verbindungselements (42) zu verbinden, wobei das Verbindungselement (42) exzentrisch auf dem Planetenrad (40) angeordnet ist und das Planetenrad (40) mit einem Hohlrad (50) in Eingriff steht und in diesem rotiert und zudem mit einer Kurbelwelle (60) verbunden ist, wobei weiterhin die Abmessung des Planetenrads (40) und die exzentrische Anordnung des Verbindungselements (42) derart ausgebildet sind, dass der Kolben (20) in drei Umdrehungen des Planetenrads (40) im Hohlrad (50) zweimal einen ersten oberen Totpunkt (OT') und einmal einen zweiten oberen Totpunkt (OT") und zweimal einen ersten unteren Totpunkt (UT') und einmal einen zweiten unteren Totpunkt (UT") erreicht, wobei der erste obere Totpunkt (OT') und der erste untere Totpunkt (UT') weiter von einer Achse des Hohlrads entfernt sind als der zweite obere Totpunkt (OT") bzw. der zweite untere Totpunkt (UT").

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Zylinderanordnung einer Verbrennungskraftmaschine (Motor) und eine Verbrennungskraftmaschine.
  • Vor dem Hintergrund stetig steigender Anforderungen an moderne Verbrennungskraftmaschinen hinsichtlich ihrer Energieeffizienz und verwandter Themen, ist es ein ständiges Bestreben, den Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen dahingehend zu optimieren.
  • Hierbei sind nach dem Stand der Technik im Wesentlichen zwei verschiedene Arten von Arbeitszyklen bei Verbrennungskraftmaschinen bekannt, welche gleichzeitig Verbrennungskraftmaschinen bzw. Zylinderanordnungen unterschiedlicher Bauarten erfordern. Die Arbeitszyklen (Zyklen) sind dabei in Takte unterteilt, wobei ein Takt durch die Bewegung des Kolbens bei einer halben Umdrehung der Kurbelwelle definiert ist. Somit werden zwei Takte für eine vollständige Umdrehung der Kurbelwelle benötigt. Wiederholen sich die Takte bereits nach einer Umdrehung, spricht man von einem Zweitaktmotor, während man bei Verbrennungskraftmaschinen, bei denen sich der Zyklus nach zwei Umdrehungen, also vier Takten, wiederholt, von einem Viertaktmotor spricht. Somit ist bei einem Zweitaktmotor ein Zyklus bereits nach einer Umdrehung abgeschlossen, während dieser bei einem Viertaktmotor erst nach zwei Umdrehungen abgeschlossen ist.
  • Bei Zweitaktmotoren wird in einem ersten Takt zunächst im Brennraum, welcher durch einen Zylinder und einen darin translatorisch bewegenden Kolben gebildet wird, ein Gasgemisch eingelassen und dort durch eine Kolbenbewegung vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt verdichtet. Der untere Totpunkt ist dabei als die Position des Kolbens definiert, in der der Brennraum das maximale Volumen aufweist. Entsprechend ist der obere Totpunkt als die Position des Kolbens definiert, in der der Brennraum das minimale Volumen aufweist. Das einströmende Gasgemisch kann dabei bereits ein Kraftstoff-Luftgemisch sein oder aber lediglich Frischluft. Rund um den oberen Totpunkt der Kolbenbewegung, wird, falls nicht bereits im angesaugten Gasgemisch enthalten, Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt und das Gasgemisch gezündet. Im Rahmen dieser Anmeldung bezieht sich der Begriff Gasgemisch nicht ausschließlich auf ein Luft-Kraftstoffgemisch, sondern lediglich auf ein Gas mit jeglicher Zusammensetzung. So kann beispielsweise bereits verbranntes Luft-Kraftstoffgemisch ebenso als Gasgemisch bezeichnet werden wie lediglich Luft. Bei Ottomotoren erfolgt die Zündung durch eine Zündkerze. Durch die Zündung des Gasgemischs verbrennt dieses, wodurch der Druck in dem Brennraum stark ansteigt. Bei Dieselmotoren erfolgt die Zündung durch die hohe Temperatur im Bereich der maximalen Verdichtung und des sich selbst-entzündenden eingebrachten Kraftstoffs.
  • Dadurch wird in einem zweiten Takt der Kolben in Richtung des unteren Totpunkts beschleunigt, wodurch über ein Pleuel die Leistungsabgabe an die Kurbelwelle erfolgt. Erreicht der Kolben auf seinem Weg Richtung unteren Totpunkt einen Auslass und gibt diesen frei, entweicht das entzündete bzw. verbrannte Gasgemisch über diesen Auslass und der Druck im Brennraum sinkt. Auf dem Weg zum unteren Totpunkt gibt der Kolben ebenfalls einen Einlass frei, über den Frischluft in der Brennraum gelangt und das verbrannte Gasgemisch ganz oder teilweise aus dem Auslass herausdrückt. Dieser Vorgang wird auch als Spülen bezeichnet. Durch den Restschwung der Leistungsabgabe bewegt sich der Kolben in der Folge erneut in Richtung des oberen Totpunkts, wodurch der Arbeitszyklus des Zweitaktmotors abgeschlossen ist und wieder der erste Takt beginnt.
  • Der Vorteil des Zweitakters ist, dass in jeder Umdrehung der Kurbelwelle eine Leistungsabgabe erfolgt und somit eine hohe Leistung abgerufen werden kann. Nachteilig sind jedoch hoher Verschleiß, Kraftstoffverbrauch und hohe Emissionen sowie aufgrund der hohen thermischen und mechanischen Belastung eine vergleichsweise geringe Haltbarkeit der Komponenten.
  • Um diese Nachteile zu beseitigen wurde der heute zumindest bei Kraftfahrzeugen zumeist eingesetzte Viertaktmotor entwickelt. Der erste Takt wird dabei durch das Einsaugen eines Gasgemischs (auch hier entweder Frischluft mit nachträglichem Einspritzen von Kraftstoff oder Luft-Kraftstoffgemisch) durch ein Einlassventil charakterisiert. Dies geschieht während der Bewegung des Kolbens vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt. Ist das maximale Brennraumvolumen erreicht und der Kolben in seinem Umkehrpunkt (also hier unterer Totpunkt) wird das Einlassventil geschlossen und das in dem Brennraum eingeschlossene Gasgemisch durch die Bewegung des Kolbens vom unteren zum oberen Totpunkt verdichtet, wodurch der zweite Takt gekennzeichnet ist. Auch hier wird im Bereich des oberen Totpunkts, also im Bereich der maximalen Verdichtung das Gasgemisch entzündet, wodurch sich ein Überdruck im Brennraum bildet, der wiederum zur Beschleunigung des Kolbens in Richtung des unteren Totpunkts und damit zur Leistungsabgabe an die Kurbelwelle führt (dritter Takt). Das verbrannte Gasgemisch wird dann in einem vierten Takt wieder über ein Auslassventil aus dem Brennraum ausgeschoben.
  • Durch den Viertaktmotor ist es gelungen die Emissionen und den Kraftstoffverbrauch im Vergleich zum Zweitaktmotor erheblich zu senken und die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit des Motors deutlich zu erhöhen. Allerdings ist die Leistungsabgabe vermindert, da in zwei Umdrehungen der Kurbelwelle lediglich eine Leistungsabgabe erfolgt.
  • Im Stand der Technik sind weiterhin andere Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors und entsprechende Verbrennungsmotoren bekannt. So offenbart das Dokument WO2010069027 beispielsweise einen Dreitaktverbrennungsmotor mit zwei Pleueln, welche mittels der Kurbelwelle miteinander verbunden sind, um sich aufeinander zu oder voneinander weg zu bewegen. Dabei wird wahrend einer Kurbelwellenrotation ein Ausstoß-/Befüllschritt, ein Kompressionsschritt und ein Expansionsschritt durchgeführt. Öffnungen in den Zylindern sind nahe der Kurbelwelle angeordnet.
  • Das Patentdokument CH714074A2 offenbart einen Verbrennungsmotor mit einem Dreitaktverfahren. Das Verfahren entspricht einem Zweitaktverfahren mit einem zusätzlichen Takt für die Spülung. Dabei wird die Zeit für eine gründlichere Spülung durch eine dreiecksförmige Bewegung an dem Kurbelzapfen erreicht. Dies wird bspw. über ein Ritzel und Rollkreisholrad in einem Durchmesser-Verhältnis von 1:3 oder 2:3 erreicht. So wird der Kolben also bei einer 3-fachen Umdrehung der Kurbelwelle (1080°) einmal oder zweimal vollständig gehoben und gesenkt.
  • Dokument CN112953110A offenbart einen elektromagnetischen Drei-Takt-Kolbenmotor mit einem Planetengetriebe. Das Dokument WO2022087759A1 offenbart einen Freikolben-Verbrennungsmotor mit zwei miteinander gekoppelten Kolben zum Antreiben eines Hydraulikmotors mit einem Drei-Takt-Prinzip.
  • Vor dem geschilderten Hintergrund des Stands der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine neuartige Zylinderanordnung und einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, welche die Vorteile von Zweitakt- und Viertaktverfahren kombinieren.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Zylinderanordnung nach Anspruch 1 und einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
  • Ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine weist einen Arbeitszyklus (Gesamtzyklus) von drei Umdrehungen einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine auf. Während dieses Zyklus durchläuft der Kolben der Verbrennungskraftmaschine zweimal einen ersten oberen Totpunkt und einmal einen zweiten oberen Totpunkt und zweimal einen ersten unteren Totpunkt und einmal einen zweiten unteren Totpunkt, wobei der erste obere Totpunkt bzw. der erste untere Totpunkt weiter von der Kurbelwelle entfernt sind als der zweite obere Totpunkt bzw. der zweite untere Totpunkt. Weiterhin umfasst das Verfahren die folgenden Takte:
    1. (A) Zufuhr eines Kraftstoffgemischs in einen Brennraum des Zylinders während der Bewegung des Kolbens von dem zweiten oberen Totpunkt zum ersten unteren Totpunkt,
    2. (B) Verdichten des Luft-Kraftstoffgemischs im Brennraum des Zylinders während der Bewegung des Kolbens vom ersten unteren Totpunkt zum ersten oberen Totpunkt,
    3. (C) Verbrennen des Luft-Kraftstoffgemischs während der Bewegung des Kolbens von dem ersten oberen Totpunkt zum zweiten unteren Totpunkt,
    4. (D) Verdichten eines zu diesem Zeitpunkt im Brennraum befindlichen Gasgemischs während der Bewegung des Kolbens vom zweiten unteren Totpunkt zum ersten oberen Totpunkt,
    5. (E) Verbrennen des Gasgemischs während der Bewegung des Kolbens von dem ersten oberen Totpunkt zum ersten unteren Totpunkt,
    6. (F) Ausstoßen des im Brennraum befindlichen Gasgemischs während der Bewegung des Kolbens vom ersten unteren Totpunkt zum zweiten oberen Totpunkt.
  • Des Weiteren wird beim Durchlauf des Kolbens durch den zweiten unteren Totpunkt zumindest ein Teil des im Brennraum befindlichen Gasgemischs aus dem Brennraum gespült. Als Durchlauf durch den zweiten unteren Totpunkt wird dabei die Bewegung des Kolbens verstanden, welcher sich bis zum unteren Totpunkt in eine Richtung bewegt und im unteren Totpunkt die Bewegung in die entgegengesetzte Richtung umkehrt.
  • Aufgrund des Spülens des Brennraums beim Durchlauf durch den zweiten unteren Totpunkt erfolgt das Verbrennen des Luft-Kraftstoffgemischs in Verfahrensschritt (C) lediglich bis zum Einsetzen des Spülens, welches vorzugsweise ab dem Überschreiten des ersten unteren Totpunkts erfolgt. Analog dazu erfolgt das Verdichten des Gasgemischs gemäß Verfahrensschritt (D) auch erst dann, wenn das Spülen des Brennraums beim Durchlauf durch den zweiten unteren Totpunkt abgeschlossen ist, was vorzugsweise ebenfalls beim Überschreiten des ersten unteren Totpunkts, diesmal in die entgegengesetzte Richtung, erfolgt.
  • Der in Verfahrensschritt (A) genannte Begriff Kraftstoffgemisch bezieht sich dabei sowohl auf ein Kraftstoffgemisch, welches bereits als Kraftstoff-Luft-Gemisch fertig in den Brennraum des Zylinders eingespritzt bzw. durch das Einlassventil eingesaugt wird, als auch auf ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches durch das Ansaugen von Frischluft und das Einspritzen eines Kraftstoffs erst im Brennraum gebildet wird. Es kann sich dabei ebenso auf das Restgas beziehen, welches sich nach einer Verbrennung verbrannt oder teilverbrannt im Brennraum befindet.
  • Bei dem Verfahren handelt es sich also um ein Verfahren mit sechs einzelnen Takten, wobei sich diese Takte in zwei Dreitaktabfolgen unterteilen lassen. Dabei weisen beide Dreitaktabfolgen jeweils einen Verbrennungstakt auf, in dem also eine Leistungsabgabe an die Kurbelwelle erfolgt. Somit wird im Rahmen dieser Anmeldung von einem Dreitaktverfahren gesprochen, auch wenn sechs Takte benötigt werden, um einen vollständigen Arbeitszyklus der Verbrennungskraftmaschine mit zwei Arbeitstakten zu bilden. Die Nockenwelle dreht sich dabei dreimal langsamer als die Kurbelwelle. Die beiden einzelnen Dreitaktverfahren werden dabei auch als Arbeitsspiele bezeichnet.
  • Durch die Tatsache, dass beim Durchlauf des Kolbens durch den zweiten unteren Totpunkt zumindest ein Teil des im Brennraum befindlichen Gasgemischs aus dem Brennraum gespült wird, weist das Verfahren somit alle Verfahrensschritte sowohl eines Viertaktmotors als auch eines Zweitaktmotors auf, wobei durch die doppelte Leistungsabgabe innerhalb der sechs einzelnen Takte im Vergleich zum Viertaktmotor die Leistungsabgabe erhöht werden kann. Gleichzeitig können durch die saubere und vollständige Verbrennung des Kraftstoffgemischs die Nachteile des Zweitaktverfahrens eliminiert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Spülen des Brennraums im Bereich des zweiten unteren Totpunkts anhand wenigstens einer radial im Zylinder angeordneten Spülöffnung. Diese kann entsprechend der auszuspülenden Gasmenge dimensioniert werden, oder in mehrere kleinere Öffnungen unterteilt werden, um somit das Spülen zu optimieren. Durch die wenigstens eine Spülöffnung gelangt ein Gasgemisch in den Brennraum, wobei das zuvor durch den Verbrennungsvorgang im Brennraum expandierte Gasgemisch vorher vorzugsweise durch ein Auslassventil oder eine anderweitige Auslassöffnung aus dem Brennraum ausgeleitet wurde. Es sind dabei ebenfalls Ausführungsformen denkbar, bei denen die Spülöffnungen auch zum Ausleiten des im Brennraum befindlichen Gasgemischs verwendet werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird während der Bewegung des Kolbens vom zweiten unteren Totpunkt zum ersten oberen Totpunkt ein Kraftstoffgemisch dem Brennraum zugeführt, insbesondere durch das Einlassventil eingespritzt oder durch die Spülöffnungen zugeführt. Besonders bevorzugt erfolgt die Einspritzung während des Spülens des Brennraums kurz nach dem Durchlauf des Kolbens durch den zweiten unteren Totpunkt, also bevor der erste untere Totpunkt durch den Kolben erreicht wird. Durch diese zusätzliche Kraftstoffgemischzufuhr kann das Gasgemisch im Brennraum optimal für die zweite Verbrennung während der zweiten Leistungsabgabe aufbereitet werden, wodurch eine optimale Leistungsabgabe und eine saubere Verbrennung sichergestellt werden kann.
  • Um das Verfahren umsetzen zu können, ist es notwendig die Bewegung des Kolbens zwischen den Totpunkten sicherzustellen. Somit ist das Verfahren nicht auf jeden Verbrennungsmotor, bzw. jede Zylinderanordnung anwendbar. Unter dem Begriff Zylinderanordnung ist die Anordnung eines Zylinders samt Kolben, Pleuel und Befestigung an einer Kurbelwelle zu verstehen, wobei ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor mehrere Zylinderanordnungen mit einer gemeinsamen Kurbelwelle umfasst.
  • Die erfindungsgemäße Zylinderanordnung einer Verbrennungskraftmaschine weist einen Kolben auf, welcher dazu ausgebildet ist, sich in einem Zylinder translatorisch oszillierend und her zu bewegen und einen Brennraum innerhalb des Zylinders zu begrenzen. Die Zylinderanordnung umfasst weiterhin ein Pleuel, welches dazu ausgebildet ist, den Kolben mit wenigstens einem Planetenrad mittels eines Verbindungselements zu verbinden, wobei das Verbindungselement exzentrisch auf dem Planetenrad angeordnet ist und das Planetenrad mit einem Hohlrad in Eingriff steht und in diesem rotiert und zudem mit einer Kurbelwelle verbunden ist. Ein exzentrisch auf dem Planetenrad angeordnetes Verbindungselement ist dadurch definiert, dass die geometrische Mitte des Verbindungselements nicht mit der geometrischen Mitte des Planetenrads übereinstimmt, sondern eine Exzentrizität aufweist. Weiterhin sind die Abmessungen des Planetenrads und die exzentrische Anordnung des Verbindungselements derart ausgebildet, dass der Kolben in drei Umdrehungen des Planetenrads bzw. der Kurbelwelle im Hohlrad zweimal einen ersten oberen Totpunkt und einmal einen zweiten oberen Totpunkt und zweimal einen ersten unteren Totpunkt und einmal einen zweiten unteren Totpunkt erreicht, wobei der erste obere Totpunkt und der erste untere Totpunkt weiter von einer Achse der Kurbelwelle entfernt sind als der zweite obere Totpunkt bzw. der zweite untere Totpunkt.
  • Um den geforderten Arbeitszyklus des Verfahrens zu ermöglichen, beträgt der Durchmesser des Planetenrads bevorzugt dreifünftel des Durchmessers des Hohlrads. Als Durchmesser wird dabei der Teilkreisdurchmesser eines Zahnrads (also Planetenrad oder Hohlrad) verstanden. Das Drehzahlverhältnis zwischen dem Planetenrad und der Kurbelwelle beträgt vorzugsweise zwei zu drei.
  • Durch diese Anordnung, insbesondere durch die exzentrische Befestigung des Verbindungselements auf dem Planetenrad, wird die geometrische Mitte des Verbindungselements des Pleuels mit dem Planetenrad auf eine hypozykloidische Bahn gezwungen, wodurch die unterschiedlichen Totpunkte hervorgerufen werden. Die Dimensionierung der Exzentrizität definiert dabei die Abstände zwischen den Totpunkten.
  • In einer vorteilhaften Ausbildungsform der Erfindung weist der Zylinder zwischen dem ersten unteren Totpunkt und dem zweiten unteren Totpunkt wenigstens eine Spülöffnung auf, welche dazu ausgebildet ist, denn Brennraum zu spülen, wenn sich der Kolben unterhalb des ersten unteren Totpunkts befindet und so die Spülöffnung freigibt. Auf diese Weise kann eine einfache Möglichkeit zum Spülen des Brennraums bereitgestellt werden. Dabei sind sowohl Ausführungsformen denkbar, bei denen durch die Spülöffnungen sowohl das im Brennraum befindliche Gasgemisch ausgeleitet und ein frisches Gasgemisch eingeleitet werden als auch lediglich frisches Gasgemisch eingeleitet wird, während das Ausleiten des im Brennraum befindlichen Gasgemischs über eine andere Auslassöffnung oder ein Auslassventil sichergestellt wird.
  • Weiterhin bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zylinderanordnung, bei der das Verbindungselement zwischen Pleuel und Planetenrad durch ein exzentrisch angeordnetes, insbesondere zylinderförmiges Element, welches von einem, an einem Ende des Pleuels angeordneten Pleuelauge umschlossen wird, ausgebildet ist. Eine derartige Anordnung stellt eine einfach umzusetzende Möglichkeit dar, die Verbindung zwischen Pleuel und Planetenrad herzustellen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Zylinderanordnung wenigstens ein Einlassventil zur Zufuhr eines Gasgemischs, insbesondere eines Kraftstoff-Luftgemischs, in den Brennraum und wenigstens ein Auslassventil zum Auslass eines Gasgemischs aus dem Brennraum auf.
  • Entsprechende Ventile können über Ventiltriebe einfach gesteuert werden und stellen somit eine effiziente Möglichkeit dar die Versorgung des Brennraums mit einem Kraftstoff-Luftgemisch sicherzustellen. Dabei ist es ebenfalls denkbar, innerhalb eines Zyklus mehrere Öffnungen der Ventile vorzusehen. Es sind jedoch ebenfalls Ausführungsformen mit mehreren Einlass- bzw. Auslassventilen denkbar.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Hohlrad um eine definierte Winkelstellung drehbar. Dadurch dreht sich ebenfalls das Planetenrad, wodurch sich die Ausrichtung der Exzentrizität, mit der das Verbindungselement des Pleuels an dem Planetenrad befestigt ist, verändert. Folglich werden die Totpunkte leicht verändert, was Auswirkungen auf das Verdichtungsverhältnis im Brennraum und insbesondere auf die Steuerung der Ventile, insbesondere des Einlassventils, hat. Auf diese Weise können die Steuerzeiten der Ventile durch eine leichte Drehung des Hohlrads um eine definierte Winkelstellung eingestellt werden. Bei entsprechender Anordnung der Spülöffnungen kann durch die Drehung des Hohlrads ebenso eine Teilmaskierung der Spülöffnungen erfolgen und somit Einfluss auf die Spülung der Brennkammer genommen werden.
  • Vorzugsweise erfolgt die Drehung des Hohlrads mittels eines Außengewindes, welches an der Außenseite des Hohlrads angeordnet ist. Durch ein in dieses Außengewinde eingreifende Zahnrad, kann das Hohlrad gedreht werden.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die geometrischen Abmessungen des Hohlrads, des Planetenrads und des Abstands zwischen dem exzentrisch angeordneten Verbindungselements des Pleuels zur geometrischen Mitte des Planetenrads derart gewählt, dass das Verhältnis zwischen der Distanz zwischen dem ersten oberen Totpunkt und dem ersten unteren Totpunkt und der Distanz zwischen dem ersten oberen Totpunkt und dem zweiten unteren Totpunkt zwischen 0,7 und 0,85 beträgt. Der Abstand des exzentrischen Verbindungselements zur geometrischen Mitte des Planetenrads ist dabei definiert durch den Abstand zwischen dem Verbindungspunkt des Verbindungselements auf dem Planetenrad und der geometrischen Mitte des Planetenrads. Mit dem derartigen Verhältnis kann ein besonders vorteilhafter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine im Hinblick auf die Sauberkeit der Verbrennung sowie der Leistungsentfaltung sichergestellt werden.
  • Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine weist wenigstens eine erfindungsgemäße Zylinderanordnung auf. Dabei ist die die Zylinderanzahl bevorzugt ein Vielfaches von 3. Eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine kann dabei in unterschiedlichen Bauformen und somit mit unterschiedlichen geometrischen Anordnungen der einzelnen Zylinderanordnungen vorliegen. Sie kann somit beispielsweise als Reihenmotor, V-Motor, W-Motor oder Boxermotor realisiert sein.
  • Es sei angemerkt, dass die im Rahmen der Anmeldung offenbarten Verfahrensmerkmale ebenfalls für die erfindungsgemäße Vorrichtung als offenbart gelten und umgekehrt.
  • Im Folgenden werden Ausführungsformen und vorteilhafte Aspekte der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Sie zeigen:
    • Fig. 1
    perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Kolbenanordnung 1,
    Fig. 2
    Detailansicht eines Planetenrads 40 einer erfindungsgemäßen Kolbenanordnung 1,
    Fig. 3
    Querschnitt eines Zylinders 10 und Bewegungsverlauf des Mittelpunkts des Verbindungselements 42 zur Befestigung der Pleuel 30 an dem Planetenrad 40,
    Fig. 4a
    Detailansicht der Kolbenanordnung 1 gem. Fig. 1, wobei sich der Kolben 20 im zweiten unteren Totpunkt UT" befindet,
    Fig. 4b
    Detailansicht des Zylinders 10, wobei sich der Kolben 20 im zweiten unteren Totpunkt UT" befindet,
    Fig. 5a
    Detailansicht der Kolbenanordnung 1 gem. Fig. 1, wobei sich der Kolben 20 im ersten unteren Totpunkt UT' befindet,
    Fig. 5b
    Detailansicht des Zylinders 10, wobei sich der Kolben 20 im ersten unteren Totpunkt UT' befindet,
    Fig. 6
    Diagramm zur Darstellung des Bewegungsablaufs eines Kolbens 20 in einer erfindungsgemäßen Kolbenanordnung 1 über den Kurbelwinkel aufgetragen,
    Fig. 7
    schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Kolbenanordnung 1 in einer zweiten Ausführungsform mit variabler Steuerzeiten des Einlassventils.
  • Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Kolbenanordnung 1. Die Kolbenanordnung 1 weist einen Zylinder 10 auf, in dem ein Kolben 20 eine lineare Bewegung vollzieht. Der Zylinder 10 ist dabei zur besseren Veranschaulichung geschnitten dargestellt. Zylinder 10 und Kolben 20 schließen einen Brennraum 14 ein, dessen Volumen sich in Abhängigkeit von der Bewegung des Kolbens 20 im Zylinder 10 ändert. An der einen Stirnseite des Zylinders 10, also am Zylinderdeckel, sind ein Einlassventil 12 und ein Auslassventil 13 angeordnet, um ein Gasgemisch in den Brennraum 14 zu leiten bzw. aus dem Brennraum 14 abzuleiten. Die Ventile werden über eine Nockenwelle 70 und daran entsprechend befestigte Einlass- 71 bzw. Auslassnocken 72 gesteuert. Es sind ebenfalls Ausführungsformen mit mehreren Einlassventilen 12 und Auslassventilen 13, welche insbesondere über mehrere Nockenwellen 70 gesteuert werden denkbar. Weiterhin weist der Zylinder 10 auf einer festgelegten Höhe radiale Spülöffnungen 11 auf, anhand derer bei entsprechender Stellung des Kolbens 20 der Brennraum gespült werden kann.
  • Der Kolben 20 ist über ein Pleuel 30 mit zwei Planetenräder 40 verbunden, welche jeweils in einem Hohlrad 50 rotieren. Es ist ebenfalls möglich, lediglich ein Planetenrad 40 und entsprechend ein Hohlrad 50 vorzusehen. Der Einfachheit halber wird im Folgenden lediglich von einem Planetenrad 40 und einem Hohlrad 50 gesprochen, da die Bewegung der beiden Planetenräder 40 synchron abläuft. Mit dem Planetenrad 40 ist eine Kurbelwelle 60 verbunden, welche, wie bei Verbrennungskraftmaschinen des Stands der Technik, die Leistung des Motors zur Nutzung bereitstellt und unterschiedliche Kolbenanordnungen 1 miteinander verbindet. Erfindungsgemäß erfolgt die Verbindung des Pleuel 30 am Planetenrad 40 exzentrisch, also nicht in der geometrischen Mitte des Planetenrads 40, worauf im Hinblick auf Fig. 2 näher eingegangen wird.
  • Fig. 2 zeigt eine Detailansicht des Planetenrads 40, wie es in der Ausführungsform der Kolbenanordnung 1 gem. Fig. 1 zum Einsatz kommt. Es weist eine Außenverzahnung 43 auf, welche mit der Verzahnung des Hohlrads 50 in Eingriff steht. Die Verbindung des Pleuels 30 mit dem Planetenrad 40 wird über ein Verbindungselement 42 realisiert. In der gezeigten Ausführungsform ist dieses zylinderförmig ausgebildet und auf der Seitenfläche des Planetenrads 40 angeordnet. In der geometrischen Mitte des Planetenrads 40 ist die Aufnahme 41 für die Kurbelwelle 60 angeordnet.
  • Die geometrische Mitte M des zylinderförmigen Verbindungselements 42 fällt dabei nicht mit der geometrischen Mitte K des Planetenrads 40 zusammen. Das Verbindungselement 42 ist also exzentrisch auf der Seitenfläche des Planetenrads 40 angeordnet, wobei die Exzentrizität e, also der Abstand der geometrischen Mitte M des Verbindungselements zur geometrischen Mitte K des Planetenrads 40, eine wichtige Kenngröße für die Kolbenbewegung darstellt, wie im Hinblick auf Fig. 3 näher erläutert wird.
  • Fig. 3 zeigt einen Querschnitt des Zylinders 10 und den Bewegungsverlauf der geometrischen Mitte M des Verbindungselements 42. Der Bewegegungsverlauf eines Punktes des Kolbens entspricht dabei dem Bewegungsverlauf der geometrischen Mitte M des Verbindungselements 42 in y-Richtung des Diagramms. Der Zylinder 10 entspricht dabei dem bereits in Fig. 1 gezeigten Zylinder 10. Durch die im Hinblick auf Fig. 2 erläuterte Exzentrizität e verläuft die linear oszillierende Axialbewegung des Kolbens 20 innerhalb des Zylinders 10 nicht wie im Stand der Technik bekannt immer zwischen den beiden gleichen Endpunkten. Diese werden herkömmlicherweise als oberer und unterer Totpunkt (OT, UT) bezeichnet und markieren jeweils den Wendepunkt des Kolbens 20 bei der axialen Bewegung. Durch die Exzentrizität e in der erfindungsgemäßen Kolbenanordnung 1 erfolgt die Bewegung zwischen zwei oberen und zwei unteren Totpunkten. Wie später im Hinblick auf Fig. 6 näher erläutert wird, umfasst ein Arbeitszyklus (Gesamtzyklus mit zwei Arbeitsspielen/Arbeitstakten) der erfindungsgemäßen Kolbenanordnung drei Umdrehungen der Kurbelwelle 60. Dies bedeutet, dass das Planetenrad 40 auch dreimal innerhalb des Hohlrads 50 rotiert. Durch die Exzentrizität e verläuft die geometrische Mitte M des Verbindungselements 42 während einer Umdrehung nicht auf einer Kreisbahn. Werden drei Umdrehungen der Kurbelwelle 60 durchlaufen befindet sich die geometrische Mitte M jedoch wieder auf dem gleichen Punkt. Der Bewegungsverlauf der geometrischen Mitte M des Verbindungselements 42 ist dabei auf der rechten Seite der Fig. 3 abgebildet, wobei der Bewegungsverlauf eines oberen Punkts des Kolbens 20 dem Bewegungsverlauf der geometrischen Mitte M des Verbindungselements 42 entspricht und somit das Diagramm in y- Richtung auf einen oberen Punkt des Kolbens 20 übertragen werden kann.
  • Diese hypozykloide Kurve weist drei Maxima auf, welche als obere Totpunkte zu verstehen sind, und drei Minima, welche als untere Totpunkte zu verstehen sind. Dabei sind zwei Maxima höher als das dritte Maximum und ein Minimum niedriger als die zwei anderen Minima. Dadurch bilden also die beiden höheren Maxima den ersten oberen Totpunkt OT' und das niedrigere Maximum den zweiten oberen Totpunkt OT". Analog dazu bilden die beiden höheren Minima den ersten unteren Totpunkt UT' und das eine niedrigere Minimum (sozusagen das globale Minimum der Bewegungskurve) den zweiten unteren Totpunkt UT".
  • Durch die Übersetzung des hypozykloiden Bewegungsverlaufs der geometrischen Mitte M des Verbindungselements 42 hin zu einer linearen axialen alternierenden Bewegung des Kolbens 20 bewegt sich dieser während eines Arbeitszyklus zwischen dem zweiten unteren Totpunkt UT" und dem ersten oberen Totpunkt OT', wobei der erste obere Totpunkt OT' zweimal erreicht wird und der zweite obere Totpunkt OT" einmal. Analog dazu wird der erste untere Totpunkt UT' zweimal und der zweite untere Totpunkt UT" einmal erreicht. Die Spülöffnungen 11 sind derart im Zylinder 10 angeordnet, dass sie nur beim Durchlauf des zweiten unteren Totpunkts UT" des Kolbens 20 von diesem freigegeben werden. Je größer die Exzentrizität e ausgeführt ist, desto mehr weicht der hypozykloide Bewegungsablauf der geometrischen Mitte M des Verbindungselements 42 von einer Kreisbahn ab und folglich desto größer ist der Unterschied zwischen den jeweiligen ersten und den zweiten Totpunkten. Ziel ist es für beide Arbeitsspiele eine möglichst gleichmäßige Verdichtung zu realisieren.
  • Die Entstehung unterschiedlicher oberer und unterer Totpunkte wird weiterhin in den Figs. 4a, 4b sowie 5a und 5b näher erläutert. Die Figs. 4a und 5a zeigen die erfindungsgemäße Kolbenanordnung 1 in unterschiedlichen Positionen des Arbeitszyklus. In der Fig. 4a befindet sich das Planetenrad 40 innerhalb des Hohlrads 50 in der am weitesten vom Zylinder 10 entfernten Position. Dabei ist das Planetenrad 40 derart orientiert, dass die Exzentrizität e in Zeichenebene nach unten weist, also das Verbindungselement 42 sich weiter weg vom Zylinder 10 befindet als die geometrische Mitte des Planetenrads 40. Somit befindet sich der Kolben 20 am zweiten unteren Totpunkt UT", also dem globalen Minimum in dem Bewegungsverlauf aus Fig. 3. Dadurch sind wie in Fig. 4b schematisch dargestellt die radialen Spülöffnungen 11 im Zylinder 10, der hier in einem Ausschnitt dargestellt ist, durch den Kolben 20 freigelegt.
  • In Fig. 5a befindet sich das Planetenrad 40 wieder an der am weitesten vom Zylinder 10 entfernten Stelle im Hohlrad 50 und zwar genau eine Umdrehung des Planetenrads 40 im Hohlrad 50 später. Jedoch befindet sich die geometrische Mitte M des Verbindungselements 42 nach einer Umdrehung des Planetenrads 40 im Hohlrad 50 nicht wieder an der gleichen Stelle, sondern ist in Zeichenebene der Fig. 5a nach oben links gerutscht. Dadurch befindet sich der Kolben 20 am ersten unteren Totpunkt UT' im Zylinder 10, in dem er die Spülöffnungen 11 bedeckt und somit keinen Austritt des Gasgemischs aus dem Brennraum 14 durch die Spülöffnungen 11 zulässt, wie in Fig. 5b dargestellt.
  • Fig. 6 zeigt ein Diagramm zur Darstellung des Bewegungsablaufs des Kolbens 20 in dem Zylinder 10 einer erfindungsgemäßen Kolbenanordnung 1. Anhand der Fig. 6 wird der Arbeitszyklus der erfindungsgemäßen Kolbenanordnung 1 und somit das Verfahren im Zusammenhang mit Fig. 1 näher beschrieben.
  • Der Gesamtzyklus umfasst dabei eine Kurbelwellendrehung von 1080°, was 3 vollen Kurbelwellenumdrehungen entspricht. Er ist in insgesamt sechs Takte unterteilt, welche jeweils 180° also eine halbe Kurbelwellenumdrehung umfassen. Das Diagramm zeigt auf der x-Achse den Winkel der Kurbelwelle 60, also die Kurbelwellendrehung, und auf der y-Achse den Hub des Kolbens 20 innerhalb des Zylinders 10. Die konkreten Zahlenwerte seien an dieser Stelle nur beispielhaft angeführt.
  • In der gezeigten Ausgangslage befindet sich der Kolben 20 im zweiten oberen Totpunkt OT". Von dort aus bewegt er sich im ersten Takt in Richtung des ersten unteren Totpunkts UT'. Während dieser Bewegung öffnet die Einlassnocke 71 auf der Nockenwelle 70 (siehe Fig. 1) das Einlassventil 12, wodurch ein Luftkraftstoffgemisch in den Brennraum 14 gelangt. In einer alternativen Ausführungsform ist es ebenfalls möglich, dass lediglich Frischluft durch das Einlassventil in den Brennraum gelangt und im folgenden Verdichtungstakt mit einem eingespritzten Kraftstoff zur Bildung eines Kraftstoffluftgemischs versetzt wird.
  • Nach Erreichen des ersten unteren Totpunkts UT' wird das Volumen des Brennraums 14 durch die Bewegung des Kolbens 20 in Richtung des ersten oberen Totpunkts OT' wieder verringert. Dabei wird das im Brennraum 14 befindliche Gasgemisch verdichtet, weshalb dieser Takt als Verdichtungstakt beschrieben werden kann. Während dieses Takts ist das Einlassventil 12 wieder geschlossen, um ein Entweichen des Gasgemischs zu verhindern. Die ersten beiden Takte sind somit ebenfalls aus einem Viertaktmotor bekannt, wobei im Unterschied zum Viertaktmotor die Kolbenbewegung zwei unterschiedliche obere Totpunkte umfasst.
  • Beim Erreichen des ersten oberen Totpunkts OT' bzw. kurz davor wird das Gasgemisch gezündet. Hierzu wird bei Ottomotoren eine Zündkerze wie in herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt, während bei Dieselmotoren die Verdichtung so hoch ist, dass sich das Gasgemisch aufgrund des hohen Drucks und der damit einhergehenden Temperaturerhöhung selbst entzündet. Durch die Entzündung des Gasgemischs wird der Druck im Brennraum 14 stark erhöht, wodurch der Kolben 20 bei der Bewegung im dritten Takt, vom ersten oberen Totpunkt OT' zum zweiten unteren Totpunkt UT" beschleunigt. Über das Pleuel 30 kann damit die Leistung an die Kurbelwelle 60 übertragen werden.
  • Erreicht der Kolben 20 den ersten unteren Totpunkt UT' gibt er die radial im Zylinder 10 angeordneten Spülöffnungen 11 frei, wodurch der Brennraum 14 gespült wird. Die Spülöffnungen 11 sind während dem Durchlauf des zweiten unteren Totpunkts UT" des Kolbens 20 geöffnet, bis der Kolben 20 im vierten Takt wieder den ersten unteren Totpunkt UT' bzw. die Spülöffnungen 11 passiert. Während des Spülens, das somit im Übergang von zwei Takten erfolgt, ist es ebenfalls möglich, aber nicht notwendig, dass das Einlassventil 12 öffnet und so frisches Gasgemisch in den Brennraum vom Zylinderdeckel strömt, sofern der Druck im Brennraum 14 geringer ist als der Druck mit dem das frische Gasgemisch in den Brennraum 14 strömt. Vorzugsweise öffnet das Auslassventil 13 zumindest teilweise während des Spülvorgangs (siehe Fig. 3), sodass das Gasgemisch während des Spülvorgangs zumindest teilweise über das Auslassventil entweichen kann. Vorzugsweise erfolgt der Spülvorgang dabei derartig, dass durch Spülöffnungen 11 am Boden des Brennraums 14 ein frisches Gasgemisch einströmt, während das in dem Brennraum 14 befindliche Gasgemisch durch das Auslassventil 13 ausgestoßen wird. Die Verwendung mehrer Auslassventile 13, wobei lediglich ein Teil zum Spülen verwendet wird, ist ebenso denkbar wie Ausführungsformen bei denen sowohl zumindest teilweise der Auslass als auch der Einlass des Gasgemischs während des Spülvorgangs über entsprechend angeordnete Spülöffnungen 11 realisiert werden.
  • Sobald der Kolben 20 auf seiner erneuten Bewegung in Richtung des ersten oberen Totpunkts OT' während des vierten Takts die Spülöffnungen 11 verschließt, ist das Spülen beendet (wobei auch das gegebenenfalls geöffnete Auslassventil 13 schließt) und das verbleibende Gasgemisch im Brennraum 14 wird erneut komprimiert und anschließend wieder, also ein zweites Mal innerhalb eines Arbeitszyklus, gezündet. Beim Verdichtungsvorgang sind die optional öffnenden Ventile wieder geschlossen. Der vierte und der fünfte Takt entsprechen somit weitestgehend den aus einem Zweitaktmotor bekannten Takten.
  • Durch die erneute, also die zweite Zündung des Gasgemischs erfolgt im fünften Takt eine zweite Leistungsabgabe an die Kurbelwelle 60 innerhalb des Arbeitszyklus, wobei der Kolben 20 lediglich bis zum ersten unteren Totpunkt OT' gelangt. In diesem zweiten Verbrennungstakt (Leistungsabgabe), werden die restlichen im Gasgemisch enthaltenen Verbrennungsbestandteile vollständig verbrannt, sodass eine besonders saubere und vollständige Verbrennung erzielt werden kann.
  • Nach dem Durchlaufen des ersten unteren Totpunkts UT' wird ein Ventilteller 131 des Auslassventils 13 von seinem Ventilsitz 132 gehoben und das im Brennraum 14 verbliebene und verbrannte Gasgemisch durch das Auslassventil 13 ausgestoßen. Die Auslassnocke 72 (siehe Fig. 1) umfasst dazu in der gezeigten Ausführungsform zwei Erhöhungen, um das Auslassventil 13 während des Spülvorgangs und des Austoßtakts (Takt 6) zu öffnen. Nach dem Erreichen des zweiten oberen Totpunkts OT" ist ein Arbeitszyklus abgeschlossen und die Takte beginnen wieder von vorne. Selbstverständlich sind auch Ausführungsformen der Erfindung mit unabhängig steuerbaren Ventiltrieben sowie Ausführungsformen ohne Nockenwelle denkbar, um die Öffnungs- und Schließzeiten des Einlass- 12 sowie des Auslassventils 13 variabel zu steuern.
  • Aufgrund der Tatsache, dass während eines Arbeitszyklus, also dem Gesamtzyklus von 6 Takten, zwei Verbrennungen und damit Leistungsabgaben stattfinden, handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Motor um einen 3-Takt-Motor, wobei zwei unterschiedliche 3-Takt-Abläufe alternierend durchgeführt werden. Man könnte daher auch von einem zwei-mal-drei-Takt-Motor sprechen. Beide Verdichtungstakte erfolgen dabei zwischen dem ersten unteren UT' und dem ersten oberen Totpunkt OT', wodurch ein für die jeweiligen daran anschließenden Verbrennungen ein konstantes Verdichtungsverhältnis sichergestellt werden kann.
  • Fig. 7 zeigt im Wesentlichen die Kurbelwellenanordnung aus Fig. 1, weshalb an dieser Stelle lediglich auf die Unterschiede eingegangen werden soll. Im Unterschied zur Ausführungsform gem. Fig. 1, weist die Ausführungsform gem. Fig. 7 zusätzlich ein Außengewinde 51 auf, welches sich über den halben Umfang außen am Hohlrad 50 erstreckt.
  • Durch Drehung des Zahnrads 80 kann das Hohlrad 50 um die Kurbelwelle 60 rotieren. Dadurch rotiert ebenso das Planetenrad 40, wodurch sich die Exzentrizität, mit der das Verbindungselement 42 das Pleuel 30 und das Planetenrad 40 verbunden ist, leicht verschiebt. Folglich erfolgt ebenso eine Verschiebung der Totpunkte, da durch die Verschiebung der Exzentrizität die Extrema der Kolbenbewegung nicht mehr identisch sind. Dies hat zum einen zur Folge, dass das für die Verdichtung zur Verfügung stehende Volumen innerhalb des Brennraums 14 und somit das Verdichtungsverhältnis des Gasgemischs im Brennraum 14 geändert wird, aber zum anderen insbesondere auch, dass die Öffnungs- und Schließzeitpunkte insbesondere des Einlassventils geändert werden und somit eine Steuerung dieser Zeitpunkte durch Drehung des Hohlrads 50 erreicht werden kann.

Claims (7)

  1. Zylinderanordnung (1) einer Verbrennungskraftmaschine, aufweisend
    einen Kolben (20), welcher dazu ausgebildet ist, sich in einem Zylinder (10) translatorisch hin und her zu bewegen und einen Brennraum (14) innerhalb des Zylinders (10) zu begrenzen,
    ein Pleuel (30), dazu ausgebildet den Kolben (20) mit einem Planetenrad (40) mittels eines Verbindungselements (42) zu verbinden, wobei
    das Verbindungselement (42) exzentrisch auf dem Planetenrad (40) angeordnet ist und das Planetenrad (40) mit einem Hohlrad (50) in Eingriff steht und in diesem rotiert und zudem mit einer Kurbelwelle (60) verbunden ist, wobei weiterhin
    die Abmessung des Planetenrads (40) und die exzentrische Anordnung des Verbindungselements (42) derart ausgebildet sind, dass der Kolben (20) in drei Umdrehungen des Planetenrads (40) im Hohlrad (50) zweimal einen ersten oberen Totpunkt (OT') und einmal einen zweiten oberen Totpunkt (OT") und zweimal einen ersten unteren Totpunkt (UT') und einmal einen zweiten unteren Totpunkt (UT") erreicht, wobei der erste obere Totpunkt (OT') und der erste untere Totpunkt (UT') weiter von einer Achse des Hohlrads entfernt sind als der zweite obere Totpunkt (OT") bzw. der zweite untere Totpunkt (UT").
  2. Zylinderanordnung (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Zylinder (10) zwischen dem ersten unteren Totpunkt (UT') und dem zweiten unteren Totpunkt (UT") wenigstens eine Spülöffnung (11) aufweist, welche dazu ausgebildet ist ein Gasgemisch aus dem Brennraum (14) abzuleiten.
  3. Zylinderanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 und 2, wobei das Verbindungselement (42) zwischen Pleuel (30) und Planetenrad (40) durch eine exzentrisch angeordnetes, insbesondere zylinderförmiges Element, welches von einem am Ende des Pleuels (30) angeordneten Pleuelauges (31) umschlossen wird, ausgebildet ist.
  4. Zylinderanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zylinderanordnung (1) wenigstens ein Einlassventil (12) zur Zufuhr eines Kraftstoff-Luft-Gemischs in den Brennraum (14) und ein Auslassventil (13) zum Auslass eines Gasgemischs aus dem Brennraum (14) aufweist.
  5. Zylinderanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei das Hohlrad (50) drehbar um die Kurbelwelle (60) angeordnet ist.
  6. Zylinderanordnung (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei auf der Außenseite des Hohlrads (50) ein Außengewinde (51) angeordnet ist, welche dazu ausgebildet ist, das Hohlrad (50) um die Kurbelwelle (60) zu drehen.
  7. Verbrennungskraftmaschine aufweisend wenigstens eine Zylinderanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6.
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