DE102006029127A1

DE102006029127A1 - Hubkolbenmotor und Verfahren zum Betreiben eines Hubkolbenmotors

Info

Publication number: DE102006029127A1
Application number: DE102006029127A
Authority: DE
Inventors: Michael Wuertz; Jan-Hinnerk Scheel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2007-12-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenmotor (1) mit wenigstens zwei Zylindern (7, 8, 9, 10) mit jeweils einem Hubkolben (11, 12, 13, 14), wenigstens einer Kurbelwelle (5), mit der wenigstens zwei Hubkolben (11, 12, 13, 14) verbunden sind, wenigstens einer Luftzuführung (2), wenigstens einem Abgasauslass (3) und wenigstens einer Brennstoffzuführvorrichtung (23), wobei jeder Zylinder (7, 8, 9, 10) wenigsten zwei von der Kolbenposition abhängig schaltbare Ventile (15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22) aufweist, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Hubkolbenmotors. Der erfindungsgemäße Hubkolbenmotor zeichnet sich dadurch aus, dass eine Brennkammer (4), die außerhalb der Zylinder (7, 8, 9, 10) angeordnet ist, vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenmotor mit wenigstens zwei Zylindern mit jeweils einem Hubkolben, wenigstens einer Kurbelwelle, mit der wenigstens zwei Hubkolben verbunden sind, wenigstens einer Luftzuführung, wenigstens einem Abgasauslass und wenigstens einer Brennstoffzuführvorrichtung, wobei jeder Zylinder wenigstens zwei von der Kolbenposition abhängig schaltbare Ventile aufweist, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Hubkolbenmotors.
Aus dem Stand der Technik sind vielfältige Motorkonzepte bekannt, die auf dem Prinzip der Ausnutzung der bei der Expansion von komprimierten und unter hohem Druck stehenden Gasen wirkenden Kräfte beruhen. Beispielhaft für solche Motorkonzepte seien Kolbenmotoren, wie z.B. der Otto-, der Diesel- oder der Wankelmotor, genannt, aber auch Gasturbinen. In allen diesen Motorkonzepten wird der Gasdruck zunächst durch Verdichtung und Temperaturerhöhung erhöht, wobei die Verdichtung des Gases entweder, wie bei Kolbenmotoren, durch die Verkleinerung eines Hubraums geschieht, oder, wie bei Gasturbinen, durch die Kompression in einer Verdichtungsstufe. Die Erhitzung des Gases erfolgt entweder durch eine gepulste Verbrennung zum Zeitpunkt der maximalen Kompression des Gases, wie im Fall der Kolben-Verbrennungsmotoren, oder durch kontinuierliche Verbrennung eines Kraftstoffs, wie im Falle der Gasturbine.
Beide Konzepte weisen spezifische Nachteile auf, die die Effizienz des Motors bzw. die Ausbeute der bei der Verbrennung verfügbaren Energie herabsetzen. Bei Kolbenmotoren ist dies der Fall, weil bei jedem Zyklus, in dem zunächst ein Kraftstoff-Luft-Gemisch angesaugt, komprimiert und entzündet wird, das gesamte im Hubraum befindliche Gas abgeführt wird und der Zyklus mit frischem, kaltem Gas erneut beginnen muss. Bei Abfuhr des Gases nach der Expansion herrscht allerdings noch ein Restdruck, der ungenutzt bleibt.
Bei Gasturbinen ist kein abgeschlossenes, konstantes Volumen vorgegeben. Vielmehr strömt Luft durch eine Brennkammer und wird dort mittels einer kontinuierlichen Verbrennung erhitzt. Dies führt zu einer Expansion der Luft, die mit großer Geschwindigkeit in Strömungsrichtung aus der Brennkammer entweicht. Dabei weist die Luft in der Brennkammer einen konstanten Druck auf. Bei kleinen Gasturbinen ohne Wärmetauscher beträgt die Effizienz weniger als 20 %.
Den genannten Systemen ist gemeinsam, dass sie aus vielen beweglichen Teilen aufgebaut sind und eine relativ niedrige Effizienz in der Nutzung der bei der Verbrennung frei werdenden Energie aufweisen.
Aus der DE 10 2004 046 683 A1 sind ein Motor und ein Kraftgewinndungsverfahren bekannt, worin der Motor eine Verdichtungseinheit, eine Expansionseinheit und eine Verbindungsvorrichtung mit einem Energiezufuhrmittel umfasst, wobei die Verbindungsvorrichtung einen Lufteinlassbereich und einen Gasauslassbereich umfasst, wobei die Verbindungsvorrichtung im Lufteinlassbereich von der Verdichtungseinheit und dem Gasauslassbereich von der Expansionseinheit begrenzt ist. Die Verbindungsvorrichtung, Verdichtungseinheit und Expansionseinheit schließen ein Gasvolumen mit im Wesentlichen konstanten Volumen ein.
Das in DE 10 2004 046 683 A1 , auf die vollumfänglich Bezug genommen wird, beschriebene Motorprinzip beruht auf dem Grundkonzept, dass eine Energiezufuhr in ein Gas stattfindet, das in ein abgeschlossenes, im Wesentlichen konstantes Volumen einer Verbindungsvorrichtung eingeschlossen ist. Bei einer Wärmeenergiezufuhr wird Gebrauch von dem Prinzip gemacht, dass die spezifische Wärmekapazität von Luft bei konstantem Volumen gemessen, um 40 % niedriger ist als bei konstantem Druck gemessen. Somit führt die Zufuhr von Energie in ein konstantes Volumen zu einer stärkeren Erhöhung der Temperatur des darin befindlichen Gases, als wenn sich das Volumen vergrößert. Da die Temperaturerhöhung des Gases in dem konstanten Volumen gleichzeitig zu einem Druckanstieg führt, kann der höhere erreichbare Druck zur Arbeitsverrichtung genutzt werden. Daher ist die Erwärmung des Gases bei konstantem Volumen besonders effizient.
In der Verdichtungseinheit, im Ausführungsbeispiel ein Rotationsverdichter, wird Gas adiabatisch verdichtet und in der Expansionseinheit adiabatisch expandiert. Das bedeutet, dass in der Verdichtungs- und in der Expansionsphase keine Wärmeenergie zu- oder abgeführt wird.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Motor und ein Verfahren zum Betrieb eines Motors zur Verfügung zu stellen, mittels dessen eine hohe Effizienz bei der Energieausbeute bei der Verbrennung von Brennstoffen erzielt wird, der gleichzeitig mit geringem technischen Aufwand realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Hubkolbenmotor mit wenigstens zwei Zylindern mit jeweils einem Hubkolben, wenigstens einer Kurbelwelle, mit der wenigstens zwei Hubkolben verbunden sind, wenigstens einer Luftzuführung, wenigstens einem Abgasauslass und wenigstens einer Brennstoffzuführvorrichtung gelöst, wobei jeder Zylinder wenigstens zwei von der Kolbenposition abhängig schaltbare Ventile aufweist, der dadurch weitergebildet ist, dass eine Brennkammer, die außerhalb der Zylinder angeordnet ist, vorgesehen ist.
Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, die bekannte und bewährte Technik von Hubkolbenmotoren, beispielsweise Otto- oder Dieselmotoren, mit dem oben beschriebenen Prinzip, Brennstoff in einem konstanten Volumen und nicht in einem Zylinder mit veränderlichem Volumen zu verbrennen, zu verbinden. Die Zylinder dienen nunmehr lediglich zum Ansaugen und Verdichten von Luft bzw. zum Expandieren und Ausstoßen von Abgasen aus der Brennkammer. Die Brennkammer selber bietet ein konstantes Volumen für die Verbrennung, so dass eine wünschenswerte isochore thermodynamische Verfahrensführung ermöglicht wird.
Weitere Vorteile sind dabei, dass die Temperatur für die Verbrennung unterhalb eines Wertes gehalten werden kann, oberhalb dessen vermehrt schädliche Stickoxide produziert werden. So wird auch die Schadstoffbelastung des Abgases reduziert.
Wenn vorzugsweise die Brennstoffzuführvorrichtung in die Brennkammer einmündet, ist es möglich, Brennstoff direkt in die Brennkammer einzuspritzen, wodurch eine besonders effektive und gleichmäßige Verbrennung des Brennstoffs erreicht wird. Außerdem ist der Brennstoff auf diese Weise besonders dosierbar.
Alternativ ist auch denkbar, Brennstoff bzw. Kraftstoff schon in die Zylinder einzuspritzen, wodurch gleich ein gut verteiltes Brennstoff-Luft-Gemisch in die Brennkammer eingeführt wird.
Die Zündung bzw. Verbrennung des Brennstoffes in der Brennkammer ergibt sich bei hohen Brennkammertemperaturen von selbst. Bei niedrigeren Temperaturen, etwa beim Start des Motors, ist ein Initiator vorgesehen, beispielsweise eine Zündkerze oder Ähnliches.
Vorteilhafterweise sind die wenigstens zwei Zylinder über jeweils ein Brennkammerventil mit der Brennkammer verbunden, wobei wenigstens ein Zylinder über ein Lufteinlassventil mit der Luftzuführung verbunden ist und wenigstens ein anderer Zylinder über ein Abgasauslassventil mit dem Abgasauslass verbunden ist. Es ergibt sich eine klare Rollenverteilung von Kompressionszylindern und Expansionszylindern, wobei die Kompressionszylinder lediglich Luft über ein Lufteinlassventil aus einer Luftzuführung ansaugen und verdichten und in die Brennkammer über ein Brennkammerventil einführen, während die Expansionszylinder über das Brennkammerventil Abgase aus der Brennkammer entnehmen, anschließend expandieren und über ein Abgasauslassventil in einen Abgasauslass ausstoßen. Auf diese Weise wird ein Massenfluss in der Brennkammer aus Luft, Brennstoff und Abgasen erzeugt, der im Betrieb des Motors ununterbrochen durchläuft. Dabei sind jeweils mehrere, vorzugsweise 3–10 Kolbenhübe notwendig, um das Gas in der Brennkammer vollständig auszutauschen.
Eine technologisch einfache und vorteilhafte Ausführung besteht darin, dass die Anzahl N der Kompressionszylinder gleich der Anzahl N der Expansionszylinder ist. Dadurch wird jedem Kompressionszylinder ein entsprechend dimensionierter Expansionszylinder zugeordnet. Für jeden Zyklus, in dem aus einem Kompressionszylinder Luft in die Brennkammer eingeführt wird, wird von einem Expansionszylinder Abgas in entsprechender Menge aus der Brennkammer abgeführt.
Vorzugsweise ist N wenigstens 2. Da somit mehrere Kompressionszylinder und mehrere Expansionszylinder vorgesehen sind, wird mehrmals während der Umdrehung der Kurbelwelle ein Drehmoment auf die Kurbelwelle ausgeübt. So wird die Laufruhe des Hubkolbenmotors erhöht.
Insbesondere, wenn mehr als zwei Zylinder vorgesehen sind, besteht eine vorteilhafte Weiterbildung des Hubkolbenmotors darin, dass die Luftzuführung als Lufteinlassverteiler ausgebildet ist bzw. dass der Abgasauslass als Abgasverteiler ausgebildet ist. Der Lufteinlassverteiler verteilt die einkommende Luft bzw. das ausgestoßene Abgas auf die verschiedenen Kompressionszylinder bzw. von den verschiedenen Expansionszylindern in die Abgasleitung.
Um einen kontinuierlichen Massenstrom durch die Brennkammer und eine weitgehend konstante Dichte bzw. einen weitgehend konstanten Druck in der Brennkammer zu erzeugen, besteht eine vorteilhafte Ausbildung des Hubkolbenmotors darin, dass das minimale Zylindervolumen bei jeweils maximaler Auslenkung der Hubkolben für alle Kompressionszylinder und Expansionszylinder gleich ist. Somit wird bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle gleichviel Materie in die Brennkammer eingeführt, wie aus ihr abgeführt wird. So wird eine dauerhaft konstante Brennumgebung in der Brennkammer erzeugt. Dies wird auch durch entsprechende Anpassung der Öffnungsdauer der Brennkammerventile an die Hubposition der Hubkolben erreicht.
Wenn vorteilhafterweise die Volumina der Expansionszylinder größer sind als die Volumina der Kompressionszylinder, ist eine hohe Energieausbeute möglich. In diesem Fall wird davon Gebrauch gemacht, dass Abgas mit hoher Temperatur in den Expansionszylinder einströmt und sich auf ein größeres Volumen ausdehnen kann, bevor es den Umgebungsdruck erreicht, als die Luft, die bei relativ niedriger Temperatur adiabatisch in einem Kompressionszylinder komprimiert wird. So kann insbesondere das vollständige zur Verfügung stehende Druckpotential des heißen Brennkammerabgases zum Antrieb eines Kolbens eines Expansionszylinders genutzt werden. Dies steht im Gegensatz zu Otto- oder Dieselmotoren, bei denen jeder Zylinder gleichzeitig Kompressions- und Expansionszylinder ist und daher das nach der Zündung des Brennstoffes im Zylinder heiße Gas nur über einen relativ geringen Weg expandiert werden kann und somit auch noch mit Überdruck ausgestoßen werden muss. Die erfindungsgemäße Dimensionierung der Expansionszylinder reduziert somit überdies noch die Lärmemissionen, die bei dem Auslass von Abgas unter Hochdruck bei Otto- oder Dieselmotoren entstehen.
Um einen ruhigen Lauf des Hubkolbenmotors zu erreichen, wird vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Verbindungen der Hubkolben der wenigstens zwei Kompressionszylinder mit der Kurbelwelle einen Phasenunterschied von 180°, bei N Kompressionszylindern von 360°/N aufweisen und/oder dass die Verbindungen der Hubkolben der wenigstens zwei Expansionszylinder mit der Kurbelwelle einen Phasenunterschied von 180°, bei N Expansionszylindern von 360°/N aufweisen. Auf diese Weise ergeben sich Impulse von Drehmomentübertragungen auf die Kurbelwelle, die gleichmäßig über die Rotation der Kurbelwelle verteilt sind.
In einer bevorzugten Ausbildung des Hubkolbenmotors ist jeweils ein Hubkolben eines Kompressionszylinders einem Hubkolben eines Expansionszylinders zugeordnet und weisen die Verbindungen dieser einander zugeordneten Hubkolben mit der Kurbelwelle einen Phasenunterschied im Bereich zwischen 30° und 55° auf, bei N Kompressionszylindern bzw. N Expansionszylindern im Bereich zwischen 60°/N und 110°/N. Eine Auswahl dieser Phasenverschiebung liegt darin begründet, dass die Kompressionszylinder und die Expansionszylinder jeweils entgegengesetzte Drehmomente auf die Kurbelwelle übertragen. Mit einem Phasenunterschied im Bereich zwischen 30° und 55° bzw. 60°/N und 110°/N liegen die Spitzen dieser entgegengesetzten Belastungen aufeinander, so dass im Ergebnis das Klopfen dieses Motors vermindert wird. Besonders bevorzugt ist hierfür der Bereich zwischen 40° und 45°, bei N Kompressionszylindern bzw. Expansionszylindern im Bereich zwischen 80°/N und 90°/N.
Wenn vorteilhafterweise die Brennstoffzuführvorrichtung eine Injektionsdüse umfasst, kann Brennstoff mit hoher Geschwindigkeit bzw. hohem Druck in die Brennkammer eingespritzt werden, wodurch sich eine gute Vermischung mit der Luft in der Brennkammer und dadurch eine gute und effiziente Verbrennung ergibt. Dazu ist der Hubkolbenmotor vorzugsweise weitergebildet, indem die Brennkammer eine oder mehrere Mischzonen und/oder eine Verdünnungszone umfasst, wobei die Zonen jeweils Lufteinlässe umfassen, die mit den Kompressionszylindern verbunden sind. Die Mischzonen bzw. die Verdünnungszone dienen dazu, die Brennkammer an verschiedenen Stellen und mit verschiedenen Brennkammerdurchmes sern mit Frischluft zu versorgen, so dass eine effiziente Verbrennung bzw. ein weiterer Abbrand des Brennstoffs in der Brennkammer erreicht wird. Hierzu wird ebenfalls komprimierte Luft aus den Kompressionszylindern verwendet.
Das Verhältnis der Volumina der Kompressionszylinder und der Expansionszylinder ist bei dem beschriebenen thermodynamischen Prozess auf eine bestimmte optimale Temperatur des Gases in der Brennkammer bzw. Brenntemperatur abgestimmt. Liegt die Temperatur des Gases bzw. der Verbrennung unterhalb der vorbestimmten Temperatur, so hat das Abgas, das in die Expansionszylinder eingeleitet wird, einen niedrigeren Druck. Der Expansionsweg bzw. das Expansionsvolumen ist daher kleiner als beim vorher bestimmten Betriebspunkt. Dies führt dazu, dass der Druck des expandierten Gases bei Überschreiten eines der niedrigeren Temperatur entsprechenden Expansionsvolumens auf einen Wert unterhalb des Umgebungsdruckes abfällt und der Expansionskolben daher Leistung in die weitere Expansion des Gases stecken muss. Um hier einen Leistungsabfall zu vermeiden, ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass ein Expansionszylinder ein als Druckausgleichventil ausgebildetes drittes Ventil aufweist, über das das Zylindervolumen mit der Umgebungsluft verbunden ist, wobei das dritte Ventil zum Druckausgleich mit der Umgebungsluft ausgebildet ist, falls der Gasdruck im Expansionszylinder niedriger ist als der Druck der Umgebungsluft. Sobald also der Gasdruck im Expansionszylinder unterhalb des Umgebungsdruckes fällt, öffnet sich das Druckausgleichventil und die weitere Bewegung des Zylinderkolbens erfolgt drucklos, d.h. ohne Leistungsabfall des Hubkolbenmotors.
Wird der Hubkolbenmotor oberhalb der vorherbestimmten Betriebstemperatur betrieben, so ergibt sich dieser Fall nicht. Der Restdruck des maximal expandierten Gases liegt dann immer noch oberhalb des Umgebungsdruckes.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch gelöst durch einen Hubkolbenmotor mit wenigstens zwei Zylindern, der dadurch weitergebildet ist, dass eine Brennkammer zur Verbrennung von Brennstoff außerhalb der Zylinder vorgesehen ist, wobei wenigstens ein Kompressionszylinder ausschließlich für einen Ansaug- und einen Verdichtungstakt vorgesehen ist und wenigstens ein Expansionszylinder ausschließlich zur Expansion und zum Ausstoß von Abgasen aus der Brennkammer vorgesehen ist. Hierdurch werden die Verdichtungs- bzw. Expansionstakte, die bei Otto- und Diesel-Motoren jeder einzelne Zylinder ausübt, auf verschiedene Zylinder aufgeteilt. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, eine Brennkammer außerhalb der Zylinder vorzusehen, in der eine isochore Verbrennung von Brennstoff stattfinden kann. Dabei ist vorteilhafterweise eine Kurbelwelle vorgesehen, wobei das durch den wenigstens einen Kompressionszylinder auf die Kurbelwelle übertragene Drehmoment dem durch den wenigstens einen Expansionszylinder auf die Kurbelwelle übertragenen Drehmoment entgegengesetzt ist. So wird die Verdichtung von Luft im Kompressionszylinder direkt durch die Expansion des heißen Abgases aus der Brennkammer im Expansionszylinder angetrieben.
Vorzugsweise sind jeweils wenigstens ein Kompressionszylinder und ein Expansionszylinder mit einer Kurbelwelle unter einem Relativwinkel verbunden, unter dem die resultierende Schwankung der entgegengesetzt auf die Kurbelwelle wirkenden Drehmomente minimiert ist. Dies kommt der Laufruhe des Hubkolbenmotors zugute und minimiert die mechanischen Belastungen, denen die Kurbelwelle und damit der Hubkolbenmotor als Ganzes ausgesetzt ist.
Eine hohe Energieausbeute aus der Verbrennung wird erzielt, wenn die Expansionszylinder größer dimensioniert sind als die Kompressionszylinder. Um die Drehung der Kurbelwelle und die Arbeit des Motors aufrecht zu erhalten, ist das während einer Umdrehung der Kurbelwelle durch die Expansionszylinder auf die Kurbelwelle ausgeübte Drehmoment größer als das durch die Kompressionszylinder in entgegengesetzter Richtung auf die Kurbelwelle ausgeübte Drehmoment.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Hubkolbenmotors, wobei Brennstoff in einer Brennkammer außerhalb der Zylinder verbrannt wird, wobei die Ventile und Hubkolben der Kompressionszylinder zyklisch wiederholt die Arbeitsschritte

– Ansaugen, Einschließen und Komprimieren von Luft aus der Luftzuführung in den Kompressionszylinder und
– Transferieren der komprimierten Luft aus dem Kompressionszylinder in die Brennkammer

– Einlassen, Abschließen und Expandieren von Abgas aus der Brennkammer in den Expansionszylinder und
– Ausstoßen des expandierten Abgases aus dem Expansionszylinder in den Abgasauslass

Diese Rollenverteilung von Kompressionszylindern und Expansions zylindern ermöglicht eine isochore Verbrennung von Brennstoff in einer Brennkammer außerhalb der Zylinder.
Um den Massenfluss konstant zu halten und um eine möglichst gleiche Dichte und ein konstantes Volumen der Brennkammer zu erhalten, ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass im Wesentlichen gleichzeitig komprimierte Luft aus einem Kompressionszylinder in die Brennkammer transferiert und Abgas aus der Brennkammer in einen Expansionszylinder eingelassen wird. Beide Vorgänge nehmen eine gewisse Zeit in Anspruch, so dass der Ausdruck „im Wesentlichen gleichzeitig" so zu verstehen ist, dass diese Zeiträume sich wenigstens teilweise überlappen.
Vorteilhafterweise wird jeweils ein gleichgroßes Volumen bzw. eine gleichgroße Masse an Luft in die Brennkammer transferiert, wie an Abgas aus der Brennkammer je Kolbenhub eines Kompressionszylinders bzw. Expansionszylinders entnommen wird. Um den Massenfluss eben der Brennkammer konstant zu halten, ist weiterhin vorteilhaft vorgesehen, dass im Kompressionszylinder Luft auf die Dichte des in der Brennkammer enthaltenen Gemisches komprimiert wird.
Vorteilhafterweise wird das in der Brennkammer befindliche Gas von der Umgebungsluft dadurch isoliert, dass zu jedem Zeitpunkt wenigstens das Brennkammerventil oder das Lufteinlassventil eines Kompressionszylinders bzw. wenigstens das Brennkammerventil oder das Abgasauslassventil eines Expansionszylinders geschlossen ist. Dadurch wird verhindert, dass Gas aus der Brennkammer direkt durch beide Ventile eines Zylinders in den Lufteinlass bzw. den Abgasauslass gelangen. Dies stellt einen störungsfreien Betrieb des Hubkolbenmotors sicher.
Eine Erhöhung der Leistungsausbeute für den Fall, dass der Motor unterhalb der vorherbestimmten Betriebstemperatur betrieben wird, ist dadurch ermöglicht, dass vorteilhafterweise mittels eines Ausgleichventils an einem Expansionszylinder Umgebungsluft in den Expansionszylinder eingelassen wird, wenn der Gasdruck im Expansionszylinder unter den Umgebungsdruck fällt.
Vorteilhafterweise wird Brennstoff kontinuierlich in die Brennkammer eingeführt und verbrannt.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hubkolbenmotors,
2 eine schematische Aufrisszeichnung des Hubkolbenmotors aus 1,
3 eine weitere schematische Aufrisszeichnung des Hubkolbenmotors gemäß 1,
4 eine schematische Darstellung der Flusszustände im erfindungsgemäßen Hubkolbenmotor,
5 eine weitere schematische Darstellung der Flusszustände im erfindungsgemäßen Hubkolbenmotor,
6 eine weitere schematische Darstellung der Flusszu stände im erfindungsgemäßen Hubkolbenmotor,
7 eine weitere schematische Darstellung der Flusszustände im erfindungsgemäßen Hubkolbenmotor,
8 eine weitere schematische Darstellung der Flusszustände im erfindungsgemäßen Hubkolbenmotor,
9 den Verlauf der auf die Kurbelwelle ausgeübten Drehmomente als Funktion des Rotationswinkels der Kurbelwelle für ein Zylinderpaar,
10 den Verlauf des auf die Kurbelwelle ausgeübten Gesamtdrehmoments für zwei Zylinderpaare,
11 einen Ausschnitt des Bewegungsverlaufes eines Hubkolbens eines Expansionszylinders und
12 einen weiteren Verlauf der Bewegung eines Hubkolbens eines Expansionszylinders.
In den folgenden Figuren sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente bzw. entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer entsprechenden erneuten Vorstellung abgesehen wird und lediglich Abweichungen der in diesen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert werden.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hubkolbenmotors 1. An der Seite ist ein Lufteinlassverteiler 2 in Form eines Lufteinlassrohres dargestellt, der über Auslassstutzen mit zwei Kompressionszylindern 7, 8 verbunden ist. Die Kompressionszylinder 7, 8 leiten komprimierte Luft aus dem Lufteinlassverteiler 2 in eine Brennkammer 4 ein, in der die Verbrennung eines Brennstoffes stattfindet. Abgas aus der Verbrennung in der Brennkammer 4 wird durch zwei Expansionszylinder 9, 10 aus der Brennkammer 4 entnommen. Das unter hohem Druck stehende Abgas wird in den Expansionszylindern 9, 10 expandiert und über Anschlussstutzen in einen Abgasverteiler 3 in Form eines Rohres ausgestoßen. Unterhalb des Zylinderblocks 30 ist ein Motorgehäuse 6 mit einer Kurbelwelle 4 angeordnet, mit der die nicht dargestellten Hubkolben in den Zylindern 7, 8, 9, 10 verbunden sind.
Weitere Details sind in der 2 erkennbar, wo die Zylinderköpfe 26 der Zylinder 7, 8, 9, 10 abgenommen sind und sowohl Lufteinlassverteiler 2 als auch Abgasverteiler 3 und Brennkammer 4 perspektivisch geöffnet sind. In den Zylinderblöcken 30 der Zylinder 7, 8, 9, 10 sind die Zylinderbohrungen mit Hubkolben 11, 12, 13, 14 erkennbar. Die oberen Ränder der Zylinderbohrungen sind mit Lufteinlassventilen 19, 20, Abgasauslassventilen 21, 22 und Brennkammerventilen 15, 16, 17, 18 jeweils von dem Lufteinlassverteiler 2, Abgasverteiler 3 und der Brennkammer 4 abgetrennt. Diese Ventile sind, abhängig von dem Rotationswinkel der Kurbelwelle 5, ausfahrbar, so dass die Verbindung von der Zylinderbohrung zu dem jeweiligen Verteiler 2, 3 bzw. der Brennkammer 4 abgeschnitten oder geöffnet werden kann.
Die Brennkammer 4 umfasst eine Einspritzdüse 23, mittels der Brennstoff in die Brennkammer 4 eingespritzt wird. Unmittelbar an die Einspritzdüse 23 schließt sich eine primäre Mischzone 24a mit geringem Durchmesser an, in die Luft eingeleitet wird. An die primäre Mischzone 24a schließt sich eine sekundäre Mischzone 24b mit größerem Durchmesser an. Diese enthält einige kleinere Luftein lassöffnungen, um weitere Luft in die Brennkammer einzulassen. An die sekundäre Mischzone 24b schließt sich eine Verdünnungszone 25 an, in der die restliche Verbrennung des Brennstoffes stattfindet.
In 3 ist zusätzlich ein Querschnitt durch die Zylinderblöcke 30 dargestellt. Im Inneren der Zylinderblöcke 30 sind die Hubkolben 11, 12, 13, 14 in ihren unterschiedlichen Positionen sichtbar. Bei dem Hubkolben 11 ist außerdem eine Pleuelstange 27 zu erkennen, mittels der der Hubkolben mit einer Nockenwelle 29 verbunden ist. Die Nockenwelle 29 der Kurbelwelle 5 ist in dem perspektivisch offen dargestellten Motorblock 28, der auch eine Ölwanne umfasst, sichtbar. In 3 ist sichtbar, dass die Kompressionszylinder 7, 8 mit ihren Hubkolben 11, 12 sich in ihren Totpunkten ganz oben und ganz unten befinden. Die Hubkolben 13, 14 der Expansionszylinder 9, 10 befinden sich etwas von den Totpunkten entfernt, so dass erkennbar ist, dass die Kompressionszylinder 7, 8 einerseits und die Expansionszylinder 9, 10 andererseits phasenverschoben arbeiten.
In den 4, 5, 6, 7 und 8 sind jeweils Draufsichten auf die Zylinderbohrungen und Ventile mit ihren jeweiligen Stellungen für verschiedene Arbeitsphasen des Motors dargestellt. Die übrigen Details der Darstellungen entsprechen denen der 1 bis 3.
4 zeigt eine Situation, in der der Kompressionszylinder 7 nahe seinem oberen Totpunkt am Ende der Verdichtung von Luft ist. Das Lufteinlassventil 19 ist geschlossen, so dass kein Luftaustausch zwischen Lufteinlassverteiler 2 und dem Kompressionszylinder 7 stattfindet. Dies ist durch einen waagerechten schwarzen Strich angedeutet. Das Brennkammerventil 15 ist geöffnet, so dass die komprimierte Luft, durch einen Pfeil dargestellt, in die Brennkammer 4 strömt. Der Kompressionszylinder 8 ist am entgegengesetzten Totpunkt der Rotation am Ende einer Ansaugphase. Er ist durch ein geschlossenes Brennkammerventil 16 von der Brennkammer abgeschlossen, stattdessen strömt über ein geöffnetes Lufteinlassventil 20 Luft, durch einen Pfeil dargestellt, aus dem Lufteinlassverteiler 2 in den Kompressionszylinder B. Umgekehrt befindet sich der Hubkolben 13 des Expansionszylinders 9 nahe der obersten Position. Die Ventilstellung dieses Zylinders ist so, dass Abgas aus der Brennkammer 4 in den Expansionszylinder 9 einströmt. Der Expansionszylinder 10 befindet sich nahe seines unteren Totpunktes in einer Aufwärtsbewegung, wodurch expandiertes Abgas nunmehr über den Abgasverteiler 3 ausgestoßen wird.
In 5 haben sich die Kolben bzw. die Kurbelwelle etwa weiterbewegt. Der Kompressionszylinder 7 hat mittlerweile seine komprimierte Luft vollständig in die Brennkammer 4 eingeführt, sein Brennkammerventil 15 ist geschlossen. Der Hubkolben 11 im Kompressionszylinder 7 befindet sich in einer Abwärtsbewegung, das Lufteinlassventil 19 ist geöffnet und Luft wird aus dem Lufteinlassverteiler 2 in den Kompressionszylinder 7 eingesaugt. Der Hubkolben 12 des Kompressionszylinders 8 ist über seinen unteren Totpunkt hinweg und befindet sich in einer Aufwärtsbewegung und die eingeschlossene Luft wird komprimiert. Beide Ventile 16, 20 sind geschlossen.
Im Unterschied dazu wird im Expansionszylinder 9, der über seinen oberen Totpunkt hinweg ist, das eingeschlossene Abgas expandiert und der hohe Druck des Abgases in mechanische Bewegung umgewandelt. Der Hubkolben des Expansionszylinders 10 ist über seinen unteren Totpunkt hinweg und stößt nunmehr das bereits expandierte Abgas über den Abgasverteiler 3 aus.
6 beschreibt die folgende Arbeitsphase, in der die Expansionszylinder 9, 10 ihre jeweiligen Totpunkte erreicht haben. Die Hubkolben 11, 12 der Kompressionszylinder 7, 8 befinden sich kurz vor ihren jeweiligen Totpunkten. Der Expansionszylinder 9 befindet sich am unteren Totpunkt am Ende der Expansion. Das nunmehr vollständig expandierte Abgas ist noch immer eingeschlossen. Der Expansionszylinder 10 befindet sich im oberen Totpunkt, der Ausstoß des Abgases in den Abgasverteiler 3 wird hiernach beendet. Der Kompressionszylinder 7, kurz vor dem unteren Totpunkt, befindet sich noch in der Ansaugphase von Luft aus dem Lufteinlassverteiler 2. Kurz vor dem oberen Totpunkt öffnet sich das Brennkammerventil 16 des Kompressionszylinders 8, um die nunmehr verdichtete Luft in die Brennkammer 4 einzuführen. Der Doppelpfeil zeigt an, dass ein Austausch von Gas zwischen dem Kompressionszylinder 8 und der Brennkammer 4 aus stattfindet, da der Druck aufgrund der höheren Temperatur in der Brennkammer 4 in der Brennkammer 4 höher ist als der Druck der verdichteten Luft im Kompressionszylinder 8. Dieser Ausgleich wird auch „Leveling" genannt.
In 7 hat sich die Kurbelwelle 5 etwas weiterbewegt und die Hubkolben der Kompressionszylinder 7 und 8 haben ihre Totpunkte erreicht, die Hubkolben der Expansionszylinder 9 und 10 sind über ihre Totpunkte ein wenig hinaus. In Kompressionszylinder 7, am unteren Totpunkt der Kolbenbewegung, wird nach Überschreiten des Totpunkts das Ansaugen von Luft beendet. Im oberen Totpunkt des Hubkolbens 12 des Kompressionszylinders 8 wird der Transfer von Luft aus dem Kompressionszylinder 8 in die Brennkammer 4 beendet. Nach Überwinden des unteren Totpunktes im Expansionszylinder 9 öffnet sich das Abgasauslassventil 21. In diesem Zylinder beginnt der Ausstoß des nunmehr vollständig expandierten Abgases in den Abgasverteiler 3. Im Expansionszylinder 10 hat sich nach Überwinden des oberen Totpunktes das Brennkammerventil 18 geöffnet und das Abgasauslassventil 22 geschlossen. Dadurch strömt Abgas aus der Brennkammer 4 in den Expansionszylinder 10. Dieses Abgas wird in der weiteren Kolbenbewegung expandiert. Dies ist in 8 dargestellt, in der nunmehr der Kompressionszylinder 7 Luft komprimiert und der Expansionszylinder 10 Abgas expandiert, während die Kompressionszylinder 8 und Expansionszylinder 9 jeweils Luft ansaugen bzw. Abgas ausstoßen.
Die Situation in 8 entspricht damit der Situation in 5 mit vertauschten Rollen der einander zugeordneten Zylinderpaare 7, 10 bzw. 8, 9. Ebenso entspricht die Situation in 7 derjenigen in 4, wobei jeweils wieder die Rollen der einzelnen Kompressions- bzw. Expansionszylinder vertauscht sind.
In 9 ist der zeitliche Verlauf bzw. der Verlauf in Abhängigkeit vom Rotationswinkel der Kurbelwelle 5 der Drehmomente dargestellt, die von einem Paar eines Kompressionszylinders und eines Expansionszylinders bzw. in der Summe auf die Kurbelwelle 5 übertragen werden. Es handelt sich um zwei einander zugeordnete Kompressions- bzw. Expansionszylinder 7 und 10 bzw. 8 und 9. Positive Werte des Drehmoments sind einem Kompressionszylinder zugeordnet und bedeuten, dass Drehmoment aufgewendet werden muss, um Luft zu komprimieren. Negative Werte sind den Expansionszylindern zugeordnet und entstehen dadurch, dass heißes, unter hohem Druck stehendes Abgas eine Kraft auf den Hubkolben eines Expansionszylinders ausüben. Aus den Achsenbeschriftungen ober- und unterhalb des Diagramms ist zu erkennen, dass die Hubkolben der Kompressions- und Expansionszylinder eines Zylinderpaares einen Phasengangunterschied von 43° aufweisen. Ein Wert von 90° entspricht dem unteren Totpunkt eines Zylinders, ein Wert von 270° dem oberen.
Die obere Hälfte des Diagramms in 9 zeigt den Drehmomentverlauf 31 des Kompressionszylinders des Zylinderpaares in gestrichelter Form, der zwischen dem unteren Totpunkt bei 90° und dem Beginn des Expansionszyklus' des Expansionszylinders, dessen Drehmomentverlauf 32 in langgestrichelter Weise hervorgehoben ist, mit dem durchgezogen dargestellten Drehmomentverlauf 33 des gesamten Zylinderpaares identisch ist. Es ist deutlich erkennbar, dass mit der Aufwärtsbewegung des Hubkolbens sich ein Druck aufbaut und daher ein immer größer werdendes Drehmoment auf die Kurbelwelle 5 ausgeübt wird.
Bereits vor Erreichen des oberen Totpunkts bei 270° wird das Brennkammerventil des Kompressionszylinders geöffnet, wodurch sich die komprimierte Luft mit dem Gas in der Brennkammer 4 vermischt. Da das Gas in der Brennkammer 4 eine höhere Temperatur hat, hat es bei gleicher Dichte einen höheren Druck. Der stattfindende Druckausgleich führt zu einer schlagartigen Erhöhung des auf die Kurbelwelle ausgeübten Drehmomentes. Nach diesem Druckausgleich fährt der Kolben des Kompressionszylinders weiter nach oben. Im oberen Totpunkt bei 270° ist praktisch keine Luft und kein Gas mehr in dem Kompressionszylinder vorhanden, das Brennkammerventil wird geschlossen, so dass kein Druck und somit kein Drehmoment mehr auf die Kurbelwelle 5 ausgeübt wird. Der Abfall ist auch dadurch zu erklären, dass im oberen Totpunkt die Pleuelstange und der exzentrische Teil der Nockenwelle eine gerade Linie bilden, so dass zwar ein Druck auf die Kurbelwelle, jedoch kein Drehmoment auf die Kurbelwelle übertragen wird.
Zum gleichen Zeitpunkt, wo das Brennkammerventil des Kompressionszylinders bei einer Position von etwa 225° der entsprechenden Nockenwelle geöffnet wird, befindet sich die Nockenwelle des Expansionszylinders in einer Position von etwa 270°, also am oberen Totpunkt. An dieser Stelle wird das Brennkammerventil des Expansionszylinders geöffnet, wodurch der Expansionszylinder mit heißem Abgas gefüllt wird und sich der volle Druck auf den Hubkolben des Expansionszylinders auswirkt. Mit fortschreitender Rotation entwickelt sich daraus ein großes Drehmoment in dargestellt negativer Richtung. Das Brennkammerventil des Expansionszylinders bleibt offen, während die Nockenwelle des Expansionszylinders eine Drehung von etwa 30° beschreibt. Danach wird das Brennkammerventil geschlossen und das eingeschlossene Gas expandiert.
Sowohl Verdichtung als auch Expansion finden adiabatisch statt, also ohne weitere Energiezuführung oder Kühlung. Im Ergebnis ergibt sich ein Drehmomentverlauf auf der Kurbelwelle, der mit Bezugszeichen 33 durch eine durchgezogene Linie dargestellt ist und zwei Maxima, ein positives und ein negatives, aufweist. Da die Fläche unter der Kurve im negativen Bereich größer ist als im positiven Bereich, ergibt sich in der Summe ein Überschuss an Drehmoment, das vom Expansionszylinder erzeugt wird, so dass eine Netto-Rotation der Kurbelwelle 5 resultiert.
In 10 ist die Summe der Drehmomente für den Fall gezeigt, dass zwei Paare von Kompressions- und Expansionszylindern ihre Drehmomente auf die Kurbelwelle übertragen. Diese beiden Zylinderpaare sind gegeneinander um 180° phasenverschoben, so dass jeweils zwei Impulse pro vollständiger Umdrehung der Kurbelwelle ausgeübt werden.
Die 11 und 12 stellen die Hubkolbenbewegungen eines Expansionszylinders 9 für zwei verschiedene Fälle dar. Der Expansionszylinder 9 gemäß 11 verfügt neben Brennkammerventil und Abgasauslassventil (nicht dargestellt) außerdem über ein Ausgleichventil 34 in seinem Zylinderkopf 26. Ebenfalls dargestellt ist eine Pleuelstange 27, die den Hubkolben 11 mit der Nockenwelle 29 verbindet. Es ist in 11 eine Situation dargestellt, in der die Temperatur des Brennkammergases der optimalen Brennkammertempe ratur entspricht. Das Abgas im Expansionszylinder 9 hat daher eine Temperatur und einen Druck, die/der so abgestimmt ist, dass bei Erreichen des im rechten Teilbild dargestellten unteren Totpunkts dem Umgebungsdruck entspricht. Dies ist durch den schwarzen Balken 35 dargestellt.
Im Gegensatz dazu wird in 12 der Hubkolbenmotor bei einer niedrigeren als der optimalen Temperatur betrieben. Hier würde bei einem unveränderten vollständigen Expandieren der Druck des Abgases im Expansionszylinder 9 unterhalb des Umgebungsdruckes abfallen. Dies ist im dritten Teilbild dadurch dargestellt, dass das Erreichen des Umgebungsdrucks 35 vor dem unteren Totpunkt geschieht. In diesem Fall öffnet sich das Ausgleichventil 34 und es entsteht ein Druckausgleichsfluss 36, durch die Pfeile auf das Ausgleichventil 34 dargestellt. Die weitere Bewegung des Hubkolbens 11 in Richtung auf den unteren Totpunkt geschieht daher drucklos. So wird ein Leistungsverlust vermieden und die Effizienz der Energieausbeute des erfindungsgemäßen Hubkolbenmotors noch einmal verbessert.
Wie aus den vorhergehenden Figuren deutlich geworden ist, ist für den Umbau eines bekannten Hubkolbenmotors nur eine Neugestaltung der Zylinderköpfe mit den entsprechenden Ventilen notwendig. Kurbelwelle, Nockenwelle und Zylinderblöcke sowie Hubkolben können aus bekannten Teilen oder nach bekannten Technologien in einfacher Weise hergestellt werden. Auf diese Weise wird unaufwändig bekannte Technologie mit dem in DE 10 2004 046 683 A1 vorgestellten Konzept einer kontinuierlichen und isochoren Verbrennung von Brennstoff außerhalb der Zylinder verknüpft, die eine Steigerung der Energieausbeute und Effizienz zulässt. Während die Effizienz bei bekannten Ottomotoren beispielsweise bei 25 % liegt, sind mit dem erfindungsgemäßen Hubkolbenmotor Energie effizienzen im Bereich zwischen 40 % und 50 % erreichbar. Weiterhin muss der Brennstoff nicht mehr auf eine Zündung in einem Zylinder mit bewegten Kolben abgestimmt werden, so dass beliebige Brennstoffe verwendet werden können.

1: Hubkolbenmotor
2: Lufteinlassverteiler
3: Abgasverteiler
4: Brennkammer
5: Kurbelwelle
6: Motorgehäuse
7, 8: Kompressionszylinder
9, 10: Expansionszylinder
11, 12, 13, 14: Hubkolben
15, 16, 17, 18: Brennkammerventil
19, 20: Lufteinlassventil
21, 22: Abgasauslassventil
23: Einspritzdüse
24a: primäre Mischzone
24b: sekundäre Mischzone
25: Verdünndungszone
26: Zylinderkopf
27: Pleuelstange
28: Motorblock und Ölwanne
29: Nockenwelle
30: Zylinderblock
31: Drehmomentverlauf Kompressionszylinder
32: Drehmomentverlauf Expansionszylinder
33: Drehmomentverlauf eines Zylinderpaares
34: Ausgleichventil
35: Umgebungsdruck erreicht
36: Druckausgleichsfluss

Claims

Hubkolbenmotor (1) mit wenigstens zwei Zylindern (7, 8, 9, 10) mit jeweils einem Hubkolben (11, 12, 13, 14), wenigstens einer Kurbelwelle (5), mit der wenigstens zwei Hubkolben (11, 12, 13, 14) verbunden sind, wenigstens einer Luftzuführung (2), wenigstens einem Abgasauslass (3) und wenigstens einer Brennstoffzuführvorrichtung (23), wobei jeder Zylinder (7, 8, 9, 10) wenigstens zwei von der Kolbenposition abhängig schaltbare Ventile (15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennkammer (4), die außerhalb der Zylinder (7, 8, 9, 10) angeordnet ist, vorgesehen ist.
Hubkolbenmotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzuführvorrichtung (23) in die Brennkammer (4) einmündet.
Hubkolbenmotor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Zylinder (7, 8, 9, 10) über jeweils ein Brennkammerventil (15, 16, 17, 18) mit der Brennkammer (4) verbunden sind, wobei wenigstens ein Zylinder (7, 8) (Kompressionszylinder) über ein Lufteinlassventil (19, 20) mit der Luftzuführung (2) verbunden ist und wenigstens ein anderer Zylinder (9, 10) (Expansionszylinder) über ein Abgasauslassventil (21, 22) mit dem Abgasauslass (3) verbunden ist.
Hubkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl N der Kompressionszylinder (7, 8) gleich der Anzahl N der Expansionszylinder (9, 10) ist.
Hubkolbenmotor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass N wenigstens 2 ist.
Hubkolbenmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzuführung als Lufteinlassverteiler (2) ausgebildet ist.
Hubkolbenmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasauslass als Abgasverteiler (3) ausgebildet ist.
Hubkolbenmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das minimale Zylindervolumen bei jeweils maximaler Auslenkung der Hubkolben (11, 12, 13, 14) für alle Kompressionszylinder (7, 8) und Expansionszylinder (9, 10) gleich ist.
Hubkolbenmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumina der Expansionszylinder (9, 10) größer sind als die Volumina der Kompressionszylinder (7, 8).
Hubkolbenmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen der Hubkolben (11, 12) der wenigstens zwei Kompressionszylinder (7, 8) mit der Kurbelwelle (5) einen Phasenunterschied von 180°, bei N Kompressionszylindern (7, 8) von 360°/N aufweisen und/oder dass die Verbindungen der Hubkolben (13, 14) der wenigstens zwei Expansionszylinder (9, 10) mit der Kurbelwelle (5) einen Phasenunterschied von 180°, bei N Expansionszylindern (9, 10) von 360°/N aufweisen.
Hubkolbenmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Hubkolben (11, 12) eines Kompressionszylinders (7, 8) einem Hubkolben (13, 14) eines Expansionszylinders (9, 10) zugeordnet ist und die Verbindungen dieser einander zugeordneten Hubkolben (11, 12, 13, 14) mit der Kurbelwelle (5) einen Phasenunterschied im Bereich zwischen 30° und 55° aufweisen, bei N Kompressionszylindern (7, 8) bzw. N Expansionszylindern (9, 10) im Bereich zwischen 60°/N und 110°/N.
Hubkolben (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Hubkolben (11, 12) eines Kompressionszylinders (7, 8) einem Hubkolben (13, 14) eines Expansionszylinders (9, 10) zugeordnet ist und die Verbindungen dieser einander zugeordneten Hubkolben (11, 12, 13, 14) mit der Kurbelwelle (5) eine Phasenverschiebung im Bereich zwischen 40° und 45° aufweisen, bei N Kompressionszylindern (7, 8) bzw. N Expansionszylindern (9, 10) im Bereich zwischen 80°/N und 90°/N.
Hubkolbenmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzuführvorrichtung eine Injektionsdüse (23) umfasst.
Hubkolbenmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (4) eine oder mehrere Mischungszonen (24a, 24b) und/oder eine Verdünnungszone (25) umfasst, wobei die Zonen (24a, 24b, 25) jeweils Lufteinlässe umfassen, die mit den Kompressionszylindern (7, 8) verbunden sind.
Hubkolbenmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Expansionszylinder (9, 10) ein als Druckausgleichventil ausgebildetes drittes Ventil (34) aufweist, über das das Zylindervolumen mit der Umgebungsluft verbunden ist, wobei das dritte Ventil (34) zum Druckausgleich mit der Umgebungsluft ausgebildet ist, falls der Gasdruck im Expansionszylinder niedriger ist als der Druck der Umgebungsluft.
Hubkolbenmotor (1) mit wenigstens zwei Zylindern (7, 8, 9, 10), dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennkammer (4) zur Verbrennung von Brennstoff außerhalb der Zylinder (7, 8, 9, 10) vorgesehen ist, wobei wenigstens ein Kompressionszylinder (7, 8) ausschließlich für einen Ansaug- und einen Verdichtungstakt vorgesehen ist und wenigstens ein Expansionszylinder (9, 10) ausschließlich zur Expansion und zum Ausstoß von Abgasen aus der Brennkammer (4) vorgesehen ist.
Hubkolbenmotor (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kurbelwelle (5) vorgesehen ist, wobei das durch den wenigstens einen Kompressionszylinder (7, 8) auf die Kurbelwelle (5) übertragene Drehmoment dem durch den wenigstens einen Expansionszylinder (9, 10) auf die Kurbelwelle (5) übertragenen Drehmoment entgegengesetzt ist.
Hubkolbenmotor (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils wenigstens ein Kompressionszylinder (7, 8) und ein Expansionszylinder (9, 10) mit einer Kurbelwelle (5) unter einem Relativwinkel verbunden ist, unter dem die resultierende Schwankung der entgegengesetzt auf die Kurbelwelle (5) wirkenden Drehmomente minimiert ist.
Hubkolbenmotor (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionszylinder (7, 8) größer dimensioniert sind als die Kompressionszylinder (9, 10).
Hubkolbenmotor (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das während einer Umdrehung der Kurbelwelle (5) durch die Expansionszylinder (9, 10) auf die Kurbelwelle (5) ausgeübte Drehmoment größer ist als das durch die Kompressionszylinder (7, 8) in entgegengesetzter Richtung auf die Kurbelwelle (5) ausgeübte Drehmoment.
Verfahren zum Betreiben eines Hubkolbenmotors (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, wobei Brennstoff in einer Brennkammer (4) außerhalb der Zylinder (7, 8, 9, 10) verbrannt wird, wobei die Ventile (15, 16, 19, 20) und Hubkolben (11, 12) der Kompressionszylinder (7, 8) zyklisch wiederholt die Arbeitsschritte – Ansaugen, Einschließen und Komprimieren von Luft aus der Luftzuführung (2) in den Kompressionszylinder (7, 8) und – Transferieren der komprimierten Luft aus dem Kompressionszylinder (7, 8) in die Brennkammer (4) ausführen und wobei die Ventile (17, 18, 21, 22) und Hubkolben (13, 14) der Expansionszylinder (9, 10) zyklisch wiederholt die Arbeitsschritte – Einlassen, Abschließen und Expandieren von Abgas aus der Brennkammer (4) in den Expansionszylinder (9, 10) und – Ausstoßen des expandierten Abgases aus dem Expansionszylinder (9, 10) in den Abgasauslass (3) ausführen.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen gleichzeitig komprimierte Luft aus einem Kompressionszylinder (7, 8) in die Brennkammer (4) transferiert und Abgas aus der Brennkammer (4) in einen Expansionszylinder (9, 10) eingelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumina der in die Brennkammer (4) transferierten Luft und der aus der Brennkammer (4) entnommenen Abgase je Kolbenhub eines Kompressionszylinders (7, 8) bzw. Expansionszylinders (9, 10) gleich sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass im Kompressionszylinder (7, 8) Luft auf die Dichte des in der Brennkammer (4) enthaltenen Gemisches komprimiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem Zeitpunkt wenigstens das Brennkammerventil (15, 16) oder das Lufteinlassventil (19, 20) eines Kompressionszylinders (7, 8) bzw. wenigstens das Brennkammerventil (17, 18) oder das Abgasauslassventil (21, 22) eines Expansionszylinders (9, 10) geschlossen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Ausgleichventils (34) an einem Expansionszylinder (9, 10) Umgebungsluft in den Expansionszylinder (9, 10) eingelassen wird, wenn der Gasdruck im Expansionszylinder (9, 10) unter den Umgebungsdruck fällt (35).
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff kontinuierlich in die Brennkammer (4) eingeführt und verbrannt wird.