DE102008049090B4

DE102008049090B4 - Internal combustion engine with expansion cylinders on a detachable crankshaft

Info

Publication number: DE102008049090B4
Application number: DE102008049090.3A
Authority: DE
Inventors: Matthias Brendel
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2016-06-09
Anticipated expiration: 2028-09-27
Also published as: DE102008049090A1

Abstract

Brennkraftmaschine mit einer ersten und einer zweiten Gruppe von Zylindern und in den Zylindern beweglichen Kolben, wobei in den Zylindern der ersten Gruppe in einem Viertakt-Verfahren eine Verbrennung von Kraftstoff und eine teilweise Expansion von unter Druck stehenden Verbrennungsgasen stattfindet und wobei in den Zylindern der zweiten Gruppe in einem Zweitakt-Verfahren eine weitere Expansion der Verbrennungsgase nach ihrem Austritt aus den Zylindern der ersten Gruppe stattfindet, sowie mit einer ersten und mit einer zweiten Kurbelwelle, von denen die erste mit Kolben in den Zylindern der ersten Gruppe und die zweite mit Kolben in den Zylindern der zweiten Gruppe verbunden ist, gekennzeichnet durch eine zwischen der ersten und der zweiten Kurbelwelle (3, 5) angeordnete Kupplung (13).Internal combustion engine having a first and a second group of cylinders and in the cylinders movable piston, wherein in the cylinders of the first group in a four-stroke process combustion of fuel and a partial expansion of pressurized combustion gases takes place and wherein in the cylinders of the second Group in a two-stroke process further expansion of the combustion gases takes place after they exit from the cylinders of the first group, as well as with a first and a second crankshaft, of which the first with pistons in the cylinders of the first group and the second with pistons in the cylinders of the second group is connected, characterized by a between the first and the second crankshaft (3, 5) arranged clutch (13).

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mit einer ersten Gruppe von Zylindern, im folgenden zumeist Verbrennungszylinder genannt, und einer zweiten Gruppe von Zylindern, im folgenden zumeist Expansionszylinder genannt, von denen die ersteren im Viertakt-Verfahren und die letzteren im Zweitakt-Verfahren betrieben werden. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine gemäß den Ansprüchen 13 bis 16.The invention relates to an internal combustion engine according to the preamble of claim 1, with a first group of cylinders, hereinafter referred to as combustion cylinder, and a second group of cylinders, hereinafter referred to as expansion cylinders, of which the former in the four-stroke process and the latter in Two-stroke procedure can be operated. The invention further relates to a method for operating such an internal combustion engine according to claims 13 to 16.

Heute übliche Brennkraftmaschinen arbeiten überwiegend im Viertakt-Verfahren, wobei in einem ersten Ansaugtakt ein Kraftstoff-Luft-Gemisch bzw. bei der Direkteinspritzung Luft in einen Verbrennungszylinder angesaugt wird, während sich der Kolben im Zylinder in Richtung seines unteren Totpunkts bewegt, wobei in einem zweiten Verdichtungstakt das Kraftstoff-Luft-Gemisch bzw. die Luft im Zylinder verdichtet und bei der Direkteinspritzung Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen, während sich der Kolben im Zylinder in Richtung seines oberen Totpunkts bewegt, wobei in einem dritten Arbeits- oder Expansionstakt nach der Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs das bei dessen Verbrennung gebildete, unter Druck stehende Verbrennungsgas den Kolben im Zylinder in Richtung seines unteren Totpunkts drückt und mechanische Arbeit leistet, und wobei in einem vierten Ausstoßtakt das Verbrennungsgas aus dem Zylinder ausgestoßen wird. Die vier Takte erfolgen im Verlauf von zwei Umdrehungen der Kurbelwelle und besitzen im Wesentlichen dieselbe Länge.Today usual internal combustion engines operate predominantly in the four-stroke process, wherein in a first intake stroke, a fuel-air mixture or in the direct injection air is sucked into a combustion cylinder, while the piston moves in the cylinder in the direction of its bottom dead center, wherein in a second Compression stroke compresses the fuel-air mixture and the air in the cylinder and is injected in the direct injection fuel into the cylinder to produce a fuel-air mixture, while the piston moves in the cylinder in the direction of its top dead center, wherein a third operating or expansion stroke after the ignition of the fuel-air mixture formed during combustion, the pressurized combustion gas pushes the piston in the cylinder in the direction of its bottom dead center and performs mechanical work, and wherein in a fourth exhaust stroke, the combustion gas from the Cylinder is ejected. The four strokes occur in the course of two revolutions of the crankshaft and have substantially the same length.

Ein Nachteil der bekannten, im Viertakt-Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschinen besteht darin, dass das im Ausstoßtakt aus dem Verbrennungszylinder ausgestoßene Verbrennungsgas noch einen relativ hohen Druck und eine relativ hohe Temperatur besitzt, so dass ein erheblicher Anteil der Energie mit dem Abgas ungenutzt durch den Abgastrakt entweicht bzw. einem Abgasturbolader zugeführt wird.A drawback of the known internal combustion engines operating in the four-stroke cycle is that the combustion gas expelled from the combustion cylinder in the exhaust stroke still has a relatively high pressure and a relatively high temperature, so that a significant proportion of the energy with the exhaust gas escapes unused through the exhaust gas tract or an exhaust gas turbocharger is supplied.

Um dieses Problem zu lösen, wurde bereits vorgeschlagen, Brennkraftmaschinen neben den im Viertakt-Verfahren arbeitenden Verbrennungszylindern mit zusätzlichen Expansionszylindern auszustatten, in denen dem beim Ausstoßtakt aus den Zylindern ausgestoßenen Verbrennungsgas durch weitere Expansion auf ein niedrigeres Druckniveau weitere Energie entzogen und in mechanische Kolbenarbeit umgewandelt wird. Durch diese ”Expansionsverlängerung” kann bei gleichem Kraftstoffverbrauch die von der Brennkraftmaschine geleistete Arbeit und dadurch auch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine gesteigert werden.To solve this problem, it has already been proposed to equip internal combustion engines in addition to operating in the four-stroke combustion cylinders with additional expansion cylinders in which the exhaust gas discharged from the cylinders at the exhaust combustion gas by further expansion to a lower pressure level withdrawn further energy and converted into mechanical piston work , Through this "expansion extension" can be increased with the same fuel consumption, the work performed by the engine and thereby also the efficiency of the internal combustion engine.

Aus der WO 99/06682 A2 ist bereits eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art bekannt, bei der jedem Verbrennungszylinder ein Expansionszylinder zugeordnet ist, der über ein Auslassventil mit dem Verbrennungszylinder verbindbar ist, um das aus dem Verbrennungszylinder ausgestoßene teilweise expandierte und noch unter Druck stehende Verbrennungsgas für eine Nachexpansion in den Expansionszylinder zuzuführen. Die bekannte Brennkraftmaschine weist zwei parallele Kurbelwellen auf, von denen die eine durch Pleuel mit den Kolben in den Verbrennungszylindern und die andere durch Pleuel mit den Kolben in den Expansionszylindern verbunden ist. Die Expansionszylinder werden im Zweitakt-Verfahren betrieben, wobei in einem ersten Arbeits- oder Expansionstakt das unter Druck stehende Verbrennungsgas aus dem zugehörigen Verbrennungszylinder den Kolben im Expansionszylinder in Richtung seines unteren Totpunkts drückt und mechanische Arbeit leistet, und wobei in einem zweiten Ausstoßtakt das Verbrennungsgas aus dem Expansionszylinder in einen Abgastrakt ausgestoßen wird. Um die von den Kolben in den Expansionszylindern geleistete Arbeit auf die von den Kolben der Verbrennungszylinder angetriebene Kurbelwelle zu übertragen und zugleich die Bewegung der Kolben in den Verbrennungszylindern und in den Expansionszylindern zu synchronisieren, sind die beiden Kurbelwellen durch ein Zahnradgetriebe mit einem Übersetzungsverhältnis von 2:1 fest miteinander gekoppelt.From the WO 99/06682 A2 An internal combustion engine of the aforementioned type is already known in which each combustion cylinder is associated with an expansion cylinder which is connectable via an exhaust valve with the combustion cylinder to supply the expelled from the combustion cylinder partially expanded and still pressurized combustion gas for a Nachexpansion in the expansion cylinder , The known internal combustion engine has two parallel crankshafts, one of which is connected by connecting rods with the pistons in the combustion cylinders and the other by connecting rods with the pistons in the expansion cylinders. The expansion cylinders are operated in the two-stroke process, wherein in a first working or expansion cycle, the pressurized combustion gas from the associated combustion cylinder presses the piston in the expansion cylinder in the direction of its bottom dead center and performs mechanical work, and wherein in a second exhaust stroke, the combustion gas the expansion cylinder is ejected into an exhaust tract. In order to transfer the work done by the pistons in the expansion cylinders to the crankshaft driven by the pistons of the combustion cylinders and at the same time to synchronize the movement of the pistons in the combustion cylinders and in the expansion cylinders, the two crankshafts are driven by a gear transmission with a gear ratio of 2: 1 firmly coupled together.

Während in den meisten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine die durch die Expansionsverlängerung geleistete zusätzliche Nutzarbeit größer ist als der Energieverlust infolge der Reibung der Kolben in den Expansionszylindern, kann es insbesondere bei geringen bis sehr geringen Lasten vorkommen, dass der Energieverlust infolge der Reibung der Kolben in den Expansionszylindern die zusätzliche Nutzarbeit übersteigt. Im Falle einer festen Kopplung zwischen den Kurbelwellen der Verbrennungszylinder und der Expansionszylinder hat dies zur Folge, dass der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine unter den Wirkungsgrad herkömmlicher Brennkraftmaschinen sinkt.While in most operating conditions of the internal combustion engine, the additional work done by the expansion extension is greater than the energy loss due to the friction of the pistons in the expansion cylinders, it can happen, especially at low to very low loads, that the energy loss due to the friction of the pistons in the expansion cylinders exceeds the additional useful work. In the case of a fixed coupling between the crankshaft of the combustion cylinder and the expansion cylinder, this has the consequence that the efficiency of the internal combustion engine drops below the efficiency of conventional internal combustion engines.

Aus dem Stand der Technik ist weiterhin die Druckschrift DE 835 662 B bekannt. Diese beschreibt einen Verbrennungsmotor, der sich dadurch auszeichnet, dass der Niederdruckzylinder parallel zum Hochdruckzylinder angeordnet ist und während des gesamten Aufwärtshubs des Hochdruckkolbens im Anschluss an den Arbeitstakt (während des normalerweise als Ausschubtakt bezeichneten Intervalls) mit diesem in Verbindung steht.From the prior art is still the document DE 835 662 B known. This describes an internal combustion engine, which is characterized in that the low-pressure cylinder is arranged parallel to the high-pressure cylinder and during the entire upward stroke of the high-pressure piston following the power stroke (during the normally designated as Ausschubtakt interval) in communication therewith.

Weiterhin beschreibt die Druckschrift DE 623 388 eine Verbundbrennkraftmaschine, die sich durch mindestens zwei gegenüberliegende Zylindersätze auszeichnet, von denen jeder aus zwei im Viertakt arbeitenden Hochdruckzylindern und einem zwischen diesen angeordneten, im Zweitakt arbeitenden Niederdruckzylinder besteht. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Kolben zweier gegenüberliegender Zylinder gegenläufig sind und über ein Kurvenbahngetriebe auf die Maschinenwelle wirken, das so ausgebildet ist, dass während des Ausdehnungshubs der Niederdruckkolben die Hochdruckkolben abwechselnd am Ende ihres Ausdehnungshubs ungefähr während des halben Hubs der Niederdruckkolben stillstehen und dann den Niederdruckkolben nacheilen.Furthermore, the document describes DE 623 388 a composite internal combustion engine, which is characterized by at least two opposite cylinder sets, each of which consists of two operating in four-stroke high-pressure cylinders and arranged between these, operating in two-stroke low-pressure cylinder. Furthermore, it is provided that the pistons of two opposite cylinders are in opposite directions and act on a cam gear on the machine shaft, which is designed so that during the expansion stroke of the low-pressure piston, the high-pressure piston alternately resting at the end of its expansion stroke approximately during the half stroke of the low-pressure piston and then the Trace low-pressure piston.

Schließlich sind aus dem Stand der Technik die Druckschriften DE 690 954 B , US 1,233,563 sowie US 1,006,167 bekannt.Finally, from the prior art, the publications DE 690 954 B . US 1,233,563 such as US 1,006,167 known.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass bei geringen und sehr geringen Lasten ein Absinken des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine unter den Wirkungsgrad einer herkömmlichen Brennkraftmaschine in einem vergleichbaren Betriebszustand vermieden werden kann.Proceeding from this, the present invention seeks to improve an internal combustion engine and a method of the type mentioned in that at low and very low loads, a decrease in the efficiency of the internal combustion engine under the efficiency of a conventional internal combustion engine can be avoided in a comparable operating condition.

Diese Aufgabe wird bei der Brennkraftmaschine erfindungsgemäß durch eine zwischen der ersten und der zweiten Kurbelwelle angeordnete Kupplung gelöst, mit deren Hilfe die Expansionszylinder bei Bedarf, vorzugsweise im Niedriglastbereich, ”abgeschaltet” werden können, indem man die Kolben in den Expansionszylindern stillsetzt und die zweite Kurbelwelle von der ersten Kurbelwelle trennt, um Reibungsverluste zu vermeiden.This object is achieved in the internal combustion engine according to the invention by a arranged between the first and the second crankshaft clutch, with the aid of the expansion cylinder when needed, preferably in the low load range, can be "turned off" by stopping the pistons in the expansion cylinders and the second crankshaft separates from the first crankshaft to avoid friction losses.

Durch die erfindungsgemäße Merkmalskombination kann erreicht werden, dass im Vollastbetrieb ein zusätzliches Drehmoment von der zweiten Kurbelwelle auf die erste Kurbelwelle übertragen wird, um den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu steigern, während sich im Niedriglastbetrieb ein Absinken des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine unter denjenigen einer herkömmlichen Brennkraftmaschine durch das Stillsetzen der Kolben in den Expansionszylindern und die durch Öffnen der Kupplung verursachte Trennung der beiden Kurbelwellen vermeiden lässt.By the feature combination according to the invention can be achieved that in full load operation, an additional torque is transmitted from the second crankshaft to the first crankshaft to increase the efficiency of the internal combustion engine, while in low-load operation, a decrease in the efficiency of the internal combustion engine below that of a conventional internal combustion engine by the Shutting down the pistons in the expansion cylinders and avoiding the separation of the two crankshafts caused by opening the clutch.

Das Stillsetzen der Kolben mitsamt ihres Massenausgleichssystems und ggf. des Ventiltriebs der Expansionszylinder erfolgt bevorzugt dadurch, dass zum einen die Zufuhr von Verbrennungsgas aus den Verbrennungszylindern in die Expansionszylinder unterbrochen wird und dass zum anderen die Kupplung zwischen den beiden Kurbelwellen geöffnet wird. Das Verbrennungsgas aus den Verbrennungszylindern kann in diesem Fall vorteilhaft einer Turbine eines Abgasturboladers der Brennkraftmaschine zugeführt werden, um diese im Niedriglastbereich anzutreiben und dadurch für eine stärkere Verdichtung der beim Ansaugtakt in die Verbrennungszylinder zugeführten Frischluft zu sorgen.The shutdown of the piston together with its mass balance system and possibly the valve train of the expansion cylinder is preferably carried out in that on the one hand the supply of combustion gas from the combustion cylinders is interrupted in the expansion cylinder and that on the other hand, the coupling between the two crankshafts is opened. In this case, the combustion gas from the combustion cylinders can advantageously be supplied to a turbine of an exhaust-gas turbocharger of the internal combustion engine in order to drive it in the low-load range and thereby ensure greater compression of the fresh air supplied into the combustion cylinder during the intake stroke.

Das Öffnen und Schließen der Kupplung kann selbsttätig erfolgen, indem als Kupplung eine Freilauf- oder Überholkupplung verwendet wird, die vorzugsweise auf der ersten Kurbelwelle angeordnet und über eine Getriebestufe mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 mit der zweiten Kurbelwelle verbunden ist. Die Freilauf- oder Überholkupplung ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass sie die Verbindung zwischen den beiden Kurbelwellen selbsttätig trennt, wenn die Drehzahl der zweiten Kurbelwelle unter die Drehzahl der ersten Kurbelwelle sinkt, und dass die Verbindung durch Blockieren der Freilauf- oder Überholkupplung selbsttätig wiederhergestellt wird, sobald die zweite Kurbelwelle die erste Kurbelwelle überholt, um danach ein Drehmoment von der zweiten Kurbelwelle auf die erste Kurbelwelle zu übertragen. Das Absinken der Drehzahl der zweiten Kurbelwelle wird hier dadurch ausgelöst, dass man die Zufuhr von Verbrennungsgas aus den Verbrennungszylindern in die Expansionszylinder unterbricht, wodurch die Kolben in den Expansionszylindern infolge von Reibung anhalten.The opening and closing of the clutch can be done automatically by using a freewheel or overrunning clutch as the clutch, which is preferably arranged on the first crankshaft and connected via a gear stage with a gear ratio of 1: 1 with the second crankshaft. The freewheel or overrunning clutch is preferably designed so that it automatically disconnects the connection between the two crankshafts when the speed of the second crankshaft drops below the speed of the first crankshaft, and that the connection is automatically restored by blocking the freewheel or overrunning clutch as soon as the second crankshaft overruns the first crankshaft to thereafter transmit torque from the second crankshaft to the first crankshaft. The decrease in the speed of rotation of the second crankshaft is triggered here by interrupting the supply of combustion gas from the combustion cylinders to the expansion cylinders, thereby stopping the pistons in the expansion cylinders due to friction.

Da sich die beiden durch eine Freilauf- oder Überholkupplung verbundenen Kurbelwellen nicht synchron drehen, wird in diesem Fall zweckmäßig ein Speichervolumen zwischen den Verbrennungszylindern und den Expansionszylindern vorgesehen, in dem das aus den Verbrennungszylindern ausgestoßene, unter Druck stehende Verbrennungsgas bis zur Zufuhr in die Expansionszylinder zwischengespeichert wird.Since the two connected by a freewheeling or overrunning clutch crankshafts do not rotate synchronously, a storage volume between the combustion cylinders and the expansion cylinders is expediently provided in this case, in which the pressurized combustion gas discharged from the combustion cylinders cached until it is fed into the expansion cylinder becomes.

Um die beiden Kurbelwellen bei geschlossener Kupplung zu synchronisieren und dadurch die Laufkultur der Brennkraftmaschine zu verbessern, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung jedoch vor, dass als Kupplung eine Phasenlagekupplung verwendet wird, die beim Schließen eine definierte Phasen- oder Drehlage zwischen der ersten und der zweiten Kupplungswelle sicherstellt. Eine solche Kupplung umfasst zweckmäßig zwei Kupplungselemente, die sich zum Schließen der Kupplung in einer einzigen definierten relativen Drehlage formschlüssig miteinander in Eingriff bringen lassen. Um die Drehzahlen der beiden Kurbelwellen vor dem Schließen der Kupplung zu synchronisieren, ist vorzugsweise ein Drehzahlsensor zur Messung der Drehzahl der ersten Kurbelwelle, ein Drehzahlsensor zur Messung der Drehzahl der zweiten Kurbelwelle und eine mit der zweiten Kurbelwelle verbundene oder verbindbare Elektromaschine mit steuer- oder regelbarer Drehzahl vorgesehen. Mit Hilfe der Elektromaschine und einer zugehörigen Steuerung wird die zweite Kurbelwelle in Abhängigkeit von den von den Drehzahlsensoren gemessenen Drehzahlen beschleunigt, bis sie dieselbe Drehzahl wie die erste Kurbelwelle besitzt, woraufhin die beiden Kupplungselemente formschlüssig in Eingriff gebracht werden, sobald die beiden Kurbelwellen die definierte relative Phasen- oder Drehlage einnehmen.In order to synchronize the two crankshafts with the clutch engaged and thereby improve the refinement of the internal combustion engine, a preferred embodiment of the invention, however, provides that a phase-shift clutch is used as the clutch, which when closing a defined phase or rotational position between the first and the second Coupling shaft ensures. Such a coupling expediently comprises two coupling elements which can be positively engaged with each other to close the clutch in a single defined relative rotational position. In order to synchronize the rotational speeds of the two crankshafts before closing the clutch, preferably a rotational speed sensor for measuring the rotational speed of the first crankshaft, a rotational speed sensor for measuring the rotational speed of the second crankshaft and a connected or connectable with the second crankshaft electric machine with controllable or controllable Speed provided. With the aid of the electric machine and an associated control, the second crankshaft becomes dependent on the rotational speeds measured by the rotational speed sensors accelerated until it has the same speed as the first crankshaft, whereupon the two coupling elements are positively engaged, as soon as the two crankshafts occupy the defined relative phase or rotational position.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Anzahl der Expansionszylinder halb so groß wie die Anzahl der Verbrennungszylinder ist, und dass jeder Expansionszylinder abwechselnd aus zwei benachbarten Verbrennungszylindern mit Verbrennungsgas gespeist wird. Dadurch kann nicht nur der für die Expansionszylinder und den Kurbeltrieb erforderliche konstruktive Aufwand erheblich verringert werden, sondern auch die Bewegungsgeschwindigkeit der Kolben in den Expansionszylindern an die Bewegungsgeschwindigkeit der Kolben in den Verbrennungszylindern angepasst werden. Die Expansionszylinder werden wie bei der Brennkraftmaschine aus der WO 99/06682 A2 im Zweitakt-Verfahren betrieben, wobei in einem ersten Arbeits- oder Expansionstakt das unter Druck stehende Verbrennungsgas aus einem der beiden zugehörigen Verbrennungszylinder den Kolben im Expansionszylinder in Richtung seines unteren Totpunkts drückt und mechanische Arbeit leistet, und wobei in einem zweiten Ausstoßtakt das Verbrennungsgas aus dem Expansionszylinder ausgestoßen wird. Die zwei Takte erfolgen im Verlauf von einer Umdrehung der zweiten Kurbelwelle und besitzen im Wesentlichen dieselbe Länge. Bei der nächsten Umdrehung der zweiten Kurbelwelle wird aus dem anderen der beiden zugehörigen Verbrennungszylinder unter Druck stehendes Verbrennungsgas in den Expansionszylinder zugeführt.A further preferred embodiment of the invention provides that the number of expansion cylinders is half the number of combustion cylinders, and that each expansion cylinder is fed alternately from two adjacent combustion cylinders with combustion gas. As a result, not only the design effort required for the expansion cylinders and the crank mechanism can be considerably reduced, but also the speed of movement of the pistons in the expansion cylinders can be adapted to the speed of movement of the pistons in the combustion cylinders. The expansion cylinders are as in the internal combustion engine from the WO 99/06682 A2 operated in the two-stroke process, wherein in a first working or expansion cycle, the pressurized combustion gas from one of the two associated combustion cylinder pushes the piston in the expansion cylinder in the direction of its bottom dead center and performs mechanical work, and wherein in a second exhaust stroke, the combustion gas from the Expansion cylinder is ejected. The two strokes occur in the course of one revolution of the second crankshaft and have substantially the same length. In the next revolution of the second crankshaft, combustion gas supplied under pressure from the other of the two associated combustion cylinders is supplied into the expansion cylinder.

Hinsichtlich der Anordnung der Verbrennungszylinder und der Expansionszylinder sieht eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung eine Doppel-R-Anordnung vor, bei der eine herkömmliche Vierzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine mit zwei zusätzlichen Expansionszylindern ausgestattet wird, die in einer zu der Reihe von Verbrennungszylindern parallelen Reihe angeordnet sind, wobei die Expansionszylinder jeweils in Bezug zu den beiden Verbrennungszylindern, aus denen sie mit Verbrennungsgas gespeist werden, versetzt sind.With regard to the arrangement of the combustion cylinders and the expansion cylinders, a further preferred embodiment of the invention provides a double-R arrangement in which a conventional four-cylinder inline engine is equipped with two additional expansion cylinders arranged in a row parallel to the row of combustion cylinders are, wherein the expansion cylinders are each offset in relation to the two combustion cylinders from which they are fed with combustion gas.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:In the following the invention will be explained in more detail with reference to some embodiments shown in the drawing. Show it:

1: eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit vier Verbrennungszylindern und zwei Expansionszylindern sowie mit zwei durch eine Phasenlagekupplung verbundenen Kurbelwellen; 1 a schematic representation of an internal combustion engine with four combustion cylinders and two expansion cylinders and two connected by a phasing crankshaft;

2: eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit vier Verbrennungszylindern und zwei Expansionszylindern sowie mit zwei durch eine Freilauf- oder Überholkupplung verbundenen Kurbelwellen; 2 a schematic representation of an internal combustion engine with four combustion cylinders and two expansion cylinders and two connected by a freewheel or overrunning clutch crankshafts;

3: eine Schnittansicht der Freilauf- oder Überholkupplung entlang der Linie III-III der 2. 3 a sectional view of the freewheel or overrunning clutch along the line III-III of 2 ,

Die in der Zeichnung dargestellten Brennkraftmaschinen 1 umfassen jeweils eine erste Gruppe 2 von sogenannten Verbrennungszylindern 2a, 2b, 2c, 2d, die nach dem Viertakt-Prinzip arbeiten und jeweils in bekannter Weise einen im Zylinder auf und ab beweglichen Kolben umfassen, der durch einen Pleuel mit einer ersten Kurbelwelle 3 der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist. Die Brennkraftmaschinen 1 umfassen weiter eine zweite Gruppe 4 von sogenannten Expansionszylindern 4a, 4b, die nach dem Zweitakt-Prinzip arbeiten und ebenfalls einen in jedem Zylinder 4a, 4b auf und ab beweglichen Kolben umfassen, der durch einen Pleuel mit einer zweiten Kurbelwelle 5 der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist. Die Anzahl der Expansionszylinder 4a, 4b, die einen größeren Durchmesser als die Verbrennungszylinder 2a, 2b, 2c, 2d aufweisen, ist halb so groß wie die Anzahl der Verbrennungszylinder 2a, 2b, 2c, 2d.The internal combustion engines shown in the drawing 1 each include a first group 2 of so-called combustion cylinders 2a . 2 B . 2c . 2d , Which operate on the four-stroke principle and in each case in a known manner comprise a piston movable up and down in the cylinder, by a connecting rod with a first crankshaft 3 the internal combustion engine 1 connected is. The internal combustion engines 1 further comprise a second group 4 of so-called expansion cylinders 4a . 4b , which operate on the two-stroke principle and also one in each cylinder 4a . 4b Up and down moving pistons include, passing through a connecting rod with a second crankshaft 5 the internal combustion engine 1 connected is. The number of expansion cylinders 4a . 4b that are larger in diameter than the combustion cylinders 2a . 2 B . 2c . 2d is half the size of the number of combustion cylinders 2a . 2 B . 2c . 2d ,

Die vier Verbrennungszylinder 2a, 2b, 2c, 2d und die zwei Expansionszylinder 4a, 4b sind in zwei parallelen Reihen angeordnet, wobei die Expansionszylinder 4a, 4b jeweils versetzt zwischen zwei benachbarten Verbrennungszylindern 2a, 2b; 2c, 2d angeordnet sind, aus denen sie jeweils mit Verbrennungsgas gespeist werden können.The four combustion cylinders 2a . 2 B . 2c . 2d and the two expansion cylinders 4a . 4b are arranged in two parallel rows, the expansion cylinders 4a . 4b each offset between two adjacent combustion cylinders 2a . 2 B ; 2c . 2d are arranged, from which they can each be fed with combustion gas.

Dazu weisen die Verbrennungszylinder 2a, 2b, 2c, 2d jeweils zwei durch Auslassventile 6, 7 verschließbare Auslasskanäle 8, 9 auf, von denen einer 8 in einen benachbarten Expansionszylinder 4a, 4b und einer 9 vor einer Turbine 10 eines Abgasturboladers 11 in einen Abgastrakt 12 der Brennkraftmaschine 1 mündet. Die beiden Auslassventile 6, 7 jedes Verbrennungszylinders 2a, 2b, 2c, 2d können durch einen Ventiltrieb (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 1 in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand so gesteuert werden, dass beim Ausstoßtakt von einem der Verbrennungszylinder 2a, 2b, 2c, 2d entweder das Auslassventil 6 in dem zum benachbarten Expansionszylinder 4a, 4b führenden Auslasskanal 8 oder das Auslassventil 7 in dem zum Abgastrakt 12 führenden Auslasskanal 9 geöffnet wird, während das jeweils andere Auslassventil 7 bzw. 6 durchgehend geschlossen bleibt.For this purpose, the combustion cylinder 2a . 2 B . 2c . 2d two each through exhaust valves 6 . 7 lockable outlet channels 8th . 9 on, one of which 8th in an adjacent expansion cylinder 4a . 4b and one 9 in front of a turbine 10 an exhaust gas turbocharger 11 in an exhaust tract 12 the internal combustion engine 1 empties. The two exhaust valves 6 . 7 every combustion cylinder 2a . 2 B . 2c . 2d can by a valve gear (not shown) of the internal combustion engine 1 be controlled depending on the respective operating state that at the exhaust stroke of one of the combustion cylinder 2a . 2 B . 2c . 2d either the exhaust valve 6 in the adjacent expansion cylinder 4a . 4b leading outlet channel 8th or the outlet valve 7 in the exhaust tract 12 leading outlet channel 9 is opened while the other outlet valve 7 respectively. 6 remains closed throughout.

Zwischen den beiden Kurbelwellen 3, 5 ist eine Kupplung 13 angeordnet, mit der sich die beiden Kurbelwellen 3, 5 bei Bedarf voneinander trennen bzw. miteinander verbinden lassen.Between the two crankshafts 3 . 5 is a clutch 13 arranged, with which the two crankshafts 3 . 5 if necessary separate or connect with each other.

Bei der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1 wird die Kupplung 13 von einer Phasenlagekupplung gebildet, die sich gesteuert öffnen und schließen lässt. Das Schließen der Kupplung 13 erfolgt hier in einer definierten Phasen- oder Drehlagenbeziehung zwischen der ersten und der zweiten Kurbelwelle 3, 5, um das gewünschte Zusammenspiel der Kolben in den Verbrennungszylindern 2a, 2b, 2c, 2d und in den Expansionszylindern 4a, 4b zu gewährleisten. Zu diesem Zweck ist die zweite Kurbelwelle 5 dort über eine Trennkupplung 14 mit einer Elektromaschine 15 mit steuerbarer Drehzahl verbunden, deren Drehzahl von einer Kupplungssteuerung 16 vorgegeben wird. Außerdem sind beide Kurbelwellen 3, 5 jeweils mit einem Drehzahlsensor 17, 18 bestückt, der die Drehzahl der Kurbelwellen 3 bzw. 5 misst und an die Steuerung 16 übermittelt. Die Phasenlagekupplung selbst weist zwei Kupplungselemente 19, 20 auf, von denen eines 20 drehfest mit der ersten Kurbelwelle 3 verbunden ist, während das andere 19 über eine oder zwei Getriebestufen 21 mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 so mit der zweiten Kurbelwelle 5 verbunden ist, dass es sich mit derselben Drehrichtung wie das Kupplungselement 20 dreht. Die beiden Kupplungselemente 19, 20 sind so ausgebildet, dass sie sich formschlüssig miteinander in Eingriff bringen lassen, wenn sich die beiden Kurbelwellen 3, 5 in Bezug zueinander in der definierten Phasen- oder Drehlage befinden.At the in 1 illustrated internal combustion engine 1 will the clutch 13 from one Phase-angle clutch is formed, which opens and closes controlled. Closing the clutch 13 takes place here in a defined phase or rotational position relationship between the first and the second crankshaft 3 . 5 to the desired interaction of the pistons in the combustion cylinders 2a . 2 B . 2c . 2d and in the expansion cylinders 4a . 4b to ensure. For this purpose, the second crankshaft 5 There via a separating clutch 14 with an electric machine 15 connected to controllable speed whose speed is controlled by a clutch control 16 is given. Besides, both are crankshafts 3 . 5 each with a speed sensor 17 . 18 equipped, the speed of the crankshaft 3 respectively. 5 measures and to the controller 16 transmitted. The phase position clutch itself has two coupling elements 19 . 20 on, one of which 20 non-rotatable with the first crankshaft 3 connected while the other 19 over one or two gear stages 21 with a gear ratio of 1: 1 so with the second crankshaft 5 connected is that it is with the same direction of rotation as the coupling element 20 rotates. The two coupling elements 19 . 20 are designed so that they can be positively engaged with each other when the two crankshafts 3 . 5 in relation to each other in the defined phase or rotational position.

Bei der in 2 dargestellten Brennkraftmaschine 1 wird die Kupplung 13 von einer Freilauf- oder Überholkupplung gebildet, die selbsttätig öffnet, wenn die Drehzahl der zweiten Kurbelwelle 5 unter die Drehzahl der ersten Kurbelwelle 3 sinkt, und die selbsttätig schließt oder blockiert, sobald die zweite Kurbelwelle 5 die erste Kurbelwelle 3 überholt. Wie in 3 dargestellt, besteht die Freilauf- oder Überholkupplung im Wesentlichen aus einem einstückig mit einem Zahnrad ausgebildeten Außenkranz 22, einem drehfest mit der Kurbelwelle 3 verbundenen Innenkranz 23 und einer Mehrzahl von zylindrischen Sperrrollen 24. Die Sperrrollen 24 sind jeweils in einer nach außen zum inneren Umfang des Außenkranzes 22 hin offenen Ausnehmung 25 des Innenkranzes 23 untergebracht und werden von einer Schraubendruckfeder 26 in einer in die Ausnehmung 25 mündenden Bohrung 27 gegen den inneren Umfang des Außenkranzes 22 angepresst. Das Zahnrad des Außenkranzes 22 kämmt mit einem Zahnrad 28 einer Getriebestufe 29, über welche die Drehung der Kurbelwelle 5 mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 und mit gleicher Drehrichtung auf das Zahnrad 22 übertragen wird.At the in 2 illustrated internal combustion engine 1 will the clutch 13 formed by a freewheeling or overrunning clutch that opens automatically when the speed of the second crankshaft 5 below the speed of the first crankshaft 3 sinks, and automatically closes or blocks as soon as the second crankshaft 5 the first crankshaft 3 outdated. As in 3 illustrated, the freewheeling or overrunning clutch consists essentially of an integrally formed with a gear outer ring 22 , a rotation with the crankshaft 3 connected interior wreath 23 and a plurality of cylindrical locking rollers 24 , The locking rollers 24 are each in an outward to the inner circumference of the outer ring 22 towards open recess 25 of the inner wreath 23 housed and used by a helical compression spring 26 in one in the recess 25 opening hole 27 against the inner circumference of the outer rim 22 pressed. The gear of the outer wreath 22 combs with a gear 28 a gear stage 29 , about which the rotation of the crankshaft 5 with a gear ratio of 1: 1 and with the same direction of rotation on the gear 22 is transmitted.

Die Ausnehmungen 25 sind so geformt, dass die Sperrrollen 24 frei auf dem inneren Umfang des Außenkranzes 22 abrollen, solange sich das Zahnrad 22 langsamer als der Innenkranz 23 und die Kurbelwelle 3 in Richtung des Pfeils P in 3 dreht. Wenn jedoch die Kurbelwelle 5 von den Kolben in den Expansionszylindern 4a, 4b mit einer die Drehzahl des Innenkranzes 23 und der Kurbelwelle 3 übersteigenden Drehzahl in Richtung des Pfeils P angetrieben wird, überholt der Außenkranz mit dem Zahnrad 22 den Innenkranz 23. Dadurch bewegen sich die Sperrrollen 24 auf eine Auflaufschräge 30 der Ausnehmungen 25, so dass sie sich zwischen dem Außenkranz 22 und dem Innenkranz 23 verklemmen und diese drehfest miteinander verbinden. Auf diese Weise wird das Drehmoment der Kurbelwelle 5 auf die Kurbelwelle 3 übertragen.The recesses 25 are shaped so that the locking rollers 24 free on the inner circumference of the outer rim 22 Unwind as long as the gear 22 slower than the inner ring 23 and the crankshaft 3 in the direction of the arrow P in 3 rotates. However, if the crankshaft 5 from the pistons in the expansion cylinders 4a . 4b with a speed of the inner ring 23 and the crankshaft 3 is driven in excess of the rotational speed in the direction of the arrow P, overtook the outer ring with the gear 22 the inner wreath 23 , As a result, the locking rollers move 24 on a ramp 30 the recesses 25 so that they are between the outer ring 22 and the inner wreath 23 jam and connect these rotatably together. In this way, the torque of the crankshaft 5 on the crankshaft 3 transfer.

Die Funktionsweise der Brennkraftmaschine 1 ist wie folgt: In jedem der Verbrennungszylinder 2a, 2b, 2c, 2d wird in einem Ansaugtakt ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Verbrennungszylinder 2a, 2b, 2c, 2d angesaugt, während sich der Kolben (nicht dargestellt) im Zylinder 2a, 2b, 2c, 2d in Richtung seines unteren Totpunkts bewegt. Anschließend wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder 2a, 2b, 2c, 2d in einem Verdichtungstakt verdichtet, während sich der Kolben im Zylinder 2a, 2b, 2c, 2d in Richtung seines oberen Totpunkts bewegt. Nach der Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Zylinder 2a, 2b, 2c, 2d drückt das bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs gebildete, unter Druck stehende Verbrennungsgas in einem Arbeits- oder Expansionstakt den Kolben im Zylinder 2a, 2b, 2c, 2d in Richtung seines unteren Totpunkts, wobei mechanische Arbeit an der Kurbelwelle 3 geleistet wird. In einem Ausstoßtakt wird zuletzt das Verbrennungsgas aus dem Zylinder 2a, 2b, 2c, 2d ausgestoßen, während sich der Kolben im Zylinder 2a, 2b, 2c, 2d in Richtung seines oberen Totpunkts bewegt.The operation of the internal combustion engine 1 is as follows: In each of the combustion cylinders 2a . 2 B . 2c . 2d In a suction stroke, a fuel-air mixture in the combustion cylinder 2a . 2 B . 2c . 2d sucked while the piston (not shown) in the cylinder 2a . 2 B . 2c . 2d moved towards its bottom dead center. Subsequently, the fuel-air mixture in the cylinder 2a . 2 B . 2c . 2d compressed in a compression stroke, while the piston in the cylinder 2a . 2 B . 2c . 2d moved towards its top dead center. After ignition of the fuel-air mixture in the cylinder 2a . 2 B . 2c . 2d Pressurized combustion gas formed during combustion of the fuel-air mixture presses the piston in the cylinder in a working or expansion stroke 2a . 2 B . 2c . 2d towards its bottom dead center, with mechanical work on the crankshaft 3 is done. In an exhaust stroke, the combustion gas is finally out of the cylinder 2a . 2 B . 2c . 2d expelled while the piston in the cylinder 2a . 2 B . 2c . 2d moved towards its top dead center.

Im Unterschied zu herkömmlichen Brennkraftmaschinen, bei denen das Verbrennungsgas beim Ausstoßtakt in den Abgastrakt ausgestoßen wird, wird bei der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1 das noch immer unter einem Druck von mehreren bar stehende Verbrennungsgas beim Ausstoßtakt im Vollastbetrieb durch die Auslasskanäle 8 und die geöffneten Auslassventile 6 in einen benachbarten Expansionszylinder 4a, 4b geschoben, wo es in einem Nachexpansionstakt den Kolben des Expansionszylinders 4a, 4b in Richtung seines unteren Totpunkts drückt. Dem Verbrennungsgas wird dabei durch die Expansion auf ein niedrigeres Druckniveau weitere Energie entzogen, die im Expansionszylinder 4a, 4b in mechanische Kolbenarbeit umgewandelt wird. Auf den Expansionstakt folgt im Expansionszylinder 4a, 4b ein Ausstoßtakt, bei dem das expandierte Verbrennungsgas durch Auslassventile 31 der Expansionszylinder 4a, 4b aus dem Zylinder 4a, 4b in den Abgastrakt 12 der Brennkraftmaschine 1 ausgestoßen wird, während sich der Kolben in Richtung seines oberen Totpunkts bewegt.In contrast to conventional internal combustion engines in which the combustion gas is discharged into the exhaust tract at the exhaust stroke, in the 1 illustrated internal combustion engine 1 the still under a pressure of several bar standing combustion gas at the exhaust stroke in full load operation through the exhaust ports 8th and the open exhaust valves 6 in an adjacent expansion cylinder 4a . 4b pushed where it in a Nachexpansionstakt the piston of the expansion cylinder 4a . 4b towards its bottom dead center. The combustion gas is thereby removed by the expansion to a lower pressure level, further energy in the expansion cylinder 4a . 4b is converted into mechanical piston work. The expansion stroke follows in the expansion cylinder 4a . 4b an exhaust stroke in which the expanded combustion gas through exhaust valves 31 the expansion cylinder 4a . 4b out of the cylinder 4a . 4b in the exhaust tract 12 the internal combustion engine 1 is ejected while the piston is moving toward its top dead center.

Der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 steigt durch die Expansionsverlängerung nahezu in sämtlichen Betriebszuständen an, jedoch kann es bei einer sehr geringen Last in Verbindung mit einer sehr großen Expansionsverlängerung zu einer Verringerung des Wirkungsgrades kommen, da das nur unter geringem Druck stehende Verbrennungsgas durch die lange Expansion auf ein Druckniveau unterhalb des Atmosphärendrucks expandiert wird.The efficiency of the internal combustion engine 1 increases by the expansion extension almost in all operating conditions, however, at a very low load in conjunction with a very large expansion extension to a reduction in efficiency, since the low-pressure combustion gas through the long expansion to a pressure level below atmospheric pressure is expanded.

Um dies zu vermeiden, werden in Niedriglastbetrieb mit Hilfe des Ventiltriebs die Auslassventile 6 der Verbrennungszylinder 2a, 2b, 2c, 2d in den zu den Expansionszylindern 4a, 4b führenden Auslasskanälen 8 durchgehend geschlossen, während die Auslassventile 7 in den zur Turbine 10 des Abgasturboladers 11 führenden Auslasskanälen 9 beim Ausstoßtakt der Verbrennungszylinder 2a, 2b, 2c, 2d geöffnet werden, um das Verbrennungsgas in die Turbine 10 zuzuführen. Durch Unterbrechung der Zufuhr von Verbrennungsgas werden die Kolben in den Expansionszylindern 4a, 4b stillgesetzt, wodurch sich bei der in 2 dargestellten Brennkraftmaschine 1 die Freilauf- oder Überholkupplung 13 selbsttätig öffnet, während bei der Brennkraftmaschine 1 in Fig. die Phasenlagekupplung 13 von der Steuerung 16 geöffnet wird.To avoid this, in low-load operation by means of the valvetrain the exhaust valves 6 the combustion cylinder 2a . 2 B . 2c . 2d in to the expansion cylinders 4a . 4b leading outlet channels 8th closed continuously while the exhaust valves 7 in the to the turbine 10 the exhaust gas turbocharger 11 leading outlet channels 9 at the exhaust stroke of the combustion cylinder 2a . 2 B . 2c . 2d be opened to the combustion gas in the turbine 10 supply. By interrupting the supply of combustion gas, the pistons in the expansion cylinders 4a . 4b stopped, resulting in the in 2 illustrated internal combustion engine 1 the freewheel or overrunning clutch 13 automatically opens while at the internal combustion engine 1 in Fig. The phase angle clutch 13 from the controller 16 is opened.

Beim Übergang in den Volllastbetrieb werden die Auslassventile 7 in den zur Turbine 10 des Abgasturboladers 11 führenden Auslasskanälen 9 wieder geschlossen, während die Auslassventile 6 in den zu den Expansionszylindern 4a, 4b führenden Auslasskanälen 8 beim Ausstoßtakt der Verbrennungszylinder 2a, 2b, 2c, 2d geöffnet werden, um das Verbrennungsgas in die Expansionszylinder 4a, 4b zuzuführen. Bei der in 2 dargestellten Brennkraftmaschine 1 blockiert daraufhin die Freilauf- oder Überholkupplung 13 selbsttätig, während bei der Brennkraftmaschine 1 in 1 die Phasenlagekupplung 13 von der Steuerung 16 geschlossen wird, sobald die Elektromaschine 15 die zweite Kurbelwelle 5 auf die Drehzahl der ersten Kurbelwelle 3 beschleunigt hat.At the transition to full load operation, the exhaust valves 7 in the to the turbine 10 the exhaust gas turbocharger 11 leading outlet channels 9 closed again while the exhaust valves 6 in to the expansion cylinders 4a . 4b leading outlet channels 8th at the exhaust stroke of the combustion cylinder 2a . 2 B . 2c . 2d be opened to the combustion gas in the expansion cylinder 4a . 4b supply. At the in 2 illustrated internal combustion engine 1 then blocks the freewheel or overrunning clutch 13 automatically, while at the internal combustion engine 1 in 1 the phase position clutch 13 from the controller 16 closed as soon as the electric machine 15 the second crankshaft 5 on the speed of the first crankshaft 3 has accelerated.

Im Unterschied zu der Brennkraftmaschine in 1 weist die Brennkraftmaschine in 2 zwischen den Auslassventilen 6 und den Expansionszylindern 4a, 4b zusätzliche Speicherbehälter 32 auf, in denen das Verbrennungsgas aus den Verbrennungszylindern 2a, 2b, 2c, 2d bis zum Nachexpansionstakt in den nicht-synchronisierten Expansionszylindern 4a, 4b gespeichert wird.Unlike the internal combustion engine in 1 has the internal combustion engine in 2 between the exhaust valves 6 and the expansion cylinders 4a . 4b additional storage tanks 32 in which the combustion gas from the combustion cylinders 2a . 2 B . 2c . 2d until the post-expansion stroke in the non-synchronized expansion cylinders 4a . 4b is stored.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: BrennkraftmaschineInternal combustion engine
22: erste Gruppe von Zylindern (Verbrennungszylinder)first group of cylinders (combustion cylinder)
33: erste Kurbelwellefirst crankshaft
44: zweite Gruppe von Zylindern (Expansionszylinder)second group of cylinders (expansion cylinder)
55: zweite Kurbelwellesecond crankshaft
66: Auslassventileexhaust
77: Auslassventileexhaust
88th: Auslasskanäleexhaust ports
99: Auslasskanäleexhaust ports
1010: Turbineturbine
1111: Abgasturboladerturbocharger
1212: Abgastraktexhaust tract
1313: Kupplungclutch
1414: Trennkupplungseparating clutch
1515: Elektromaschineelectric machine
1616: Kupplungssteuerungclutch control
1717: DrehzahlsensorSpeed sensor
1818: DrehzahlsensorSpeed sensor
1919: Kupplungselementcoupling member
2020: Kupplungselementcoupling member
2121: Zahnradstufegear stage
2222: Außenkranz mit ZahnradOuter ring with gear
2323: Innenkranzinner ring
2424: Sperrrollenblocking rollers
2525: Ausnehmungenrecesses
2626: Federnfeathers
2727: Bohrungendrilling
2828: Zahnradgear
2929: Getriebestufegear stage
3030: Auflaufschrägeapproach ramp
3131: Auslassventileexhaust
3232: Speicherbehälterstorage container

Claims

Brennkraftmaschine mit einer ersten und einer zweiten Gruppe von Zylindern und in den Zylindern beweglichen Kolben, wobei in den Zylindern der ersten Gruppe in einem Viertakt-Verfahren eine Verbrennung von Kraftstoff und eine teilweise Expansion von unter Druck stehenden Verbrennungsgasen stattfindet und wobei in den Zylindern der zweiten Gruppe in einem Zweitakt-Verfahren eine weitere Expansion der Verbrennungsgase nach ihrem Austritt aus den Zylindern der ersten Gruppe stattfindet, sowie mit einer ersten und mit einer zweiten Kurbelwelle, von denen die erste mit Kolben in den Zylindern der ersten Gruppe und die zweite mit Kolben in den Zylindern der zweiten Gruppe verbunden ist, gekennzeichnet durch eine zwischen der ersten und der zweiten Kurbelwelle (3, 5) angeordnete Kupplung (13).Internal combustion engine having a first and a second group of cylinders and in the cylinders movable piston, wherein in the cylinders of the first group in a four-stroke process combustion of fuel and a partial expansion of pressurized combustion gases takes place and wherein in the cylinders of the second Group in a two-stroke process further expansion of the combustion gases takes place after they exit from the cylinders of the first group, as well as with a first and a second crankshaft, of which the first with pistons in the cylinders of the first group and the second with pistons in is connected to the cylinders of the second group, characterized by a between the first and the second crankshaft ( 3 . 5 ) arranged coupling ( 13 ).

Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (2a, 2b, 2c, 2d) der ersten Gruppe (2) wahlweise direkt mit einer Turbine (10) eines Abgasturboladers (11) der Brennkraftmaschine (1) oder mit einem der Zylinder (4a, 4b) der zweiten Gruppe (4) und über den Zylinder (4a, 4b) der zweiten Gruppe (4) mit der Turbine (10) eines Abgasturboladers (11) verbindbar ist.Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that each cylinder ( 2a . 2 B . 2c . 2d ) of the first group ( 2 ) optionally directly with a turbine ( 10 ) of an exhaust gas turbocharger ( 11 ) of the internal combustion engine ( 1 ) or with one of the cylinders ( 4a . 4b ) of the second group ( 4 ) and over the cylinder ( 4a . 4b ) of the second group ( 4 ) with the turbine ( 10 ) of an exhaust gas turbocharger ( 11 ) is connectable.

Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Zylinder (4a, 4b) der zweiten Gruppe (4) halb so groß wie die Anzahl der Zylinder (2a, 2b, 2c, 2d) der ersten Gruppe (2) ist.Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that the number of cylinders ( 4a . 4b ) of the second group ( 4 ) half the size like the number of cylinders ( 2a . 2 B . 2c . 2d ) of the first group ( 2 ).

Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (4a, 4b) der zweiten Gruppe (4) abwechselnd mit zwei Zylindern (2a, 2b, 2c, 2d) der ersten Gruppe (2) verbindbar ist.Internal combustion engine according to claim 3, characterized in that each cylinder ( 4a . 4b ) of the second group ( 4 ) alternately with two cylinders ( 2a . 2 B . 2c . 2d ) of the first group ( 2 ) is connectable.

Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (13) eine Phasenlagekupplung ist, mit der die beiden Kurbelwellen (3, 5) phasenrichtig kuppelbar sind.Internal combustion engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the clutch ( 13 ) is a phasing clutch, with which the two crankshafts ( 3 . 5 ) can be coupled in the correct phase.

Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenlagekupplung (13) zwei Kupplungselemente (19, 20) umfasst, die sich während einer Relativdrehung der Kupplungselemente (19, 20) um 360 Grad in einer einzigen Drehlage formschlüssig in Eingriff bringen lassen.Internal combustion engine according to claim 5, characterized in that the phase position clutch ( 13 ) two coupling elements ( 19 . 20 ), which during a relative rotation of the coupling elements ( 19 . 20 ) can be positively locked by 360 degrees in a single rotational position.

Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch einen Drehzahlsensor (17) zur Messung der Drehzahl der ersten Kurbelwelle (3) und einen Drehzahlsensor (18) zur Messung der Drehzahl der zweiten Kurbelwelle (5).Internal combustion engine according to claim 5 or 6, characterized by a speed sensor ( 17 ) for measuring the rotational speed of the first crankshaft ( 3 ) and a speed sensor ( 18 ) for measuring the speed of the second crankshaft ( 5 ).

Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine mit der zweiten Kurbelwelle (5) verbundene oder verbindbare Elektromaschine (15) mit steuer- oder regelbarer Drehzahl zur Synchronisierung der Drehzahl der beiden Kurbelwellen (3, 5).Internal combustion engine according to claim 5, 6 or 7, characterized by one with the second crankshaft ( 5 ) connected or connectable electric machine ( 15 ) with controllable or variable speed for synchronizing the speed of the two crankshafts ( 3 . 5 ).

Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (13) eine Freilauf- oder Überholkupplung ist.Internal combustion engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the clutch ( 13 ) is a freewheel or overrunning clutch.

Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Freilauf- oder Überholkupplung (13) auf der ersten Kurbelwelle (3) angeordnet und mit der zweiten Kurbelwelle (5) durch eine Getriebestufe (21) mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 verbunden ist.Internal combustion engine according to claim 9, characterized in that the freewheel or overrunning clutch ( 13 ) on the first crankshaft ( 3 ) and with the second crankshaft ( 5 ) by a gear stage ( 21 ) is connected to a transmission ratio of 1: 1.

Brennkraftmaschine nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch ein Speichervolumen (32) zwischen den Zylindern (2a, 2b, 2c, 2d) der ersten Gruppe (2) und den Zylindern (4a, 4b) der zweiten Gruppe (4).Internal combustion engine according to claim 9 or 10, characterized by a storage volume ( 32 ) between the cylinders ( 2a . 2 B . 2c . 2d ) of the first group ( 2 ) and the cylinders ( 4a . 4b ) of the second group ( 4 ).

Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (2a, 2b, 2c, 2d) der ersten Gruppe (2) und die Zylinder (4a, 4b) der zweiten Gruppe (4) in zwei parallelen Reihen angeordnet sind.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the cylinders ( 2a . 2 B . 2c . 2d ) of the first group ( 2 ) and the cylinders ( 4a . 4b ) of the second group ( 4 ) are arranged in two parallel rows.

Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (4a, 4b) der zweiten Gruppe (4) jeweils zwischen zwei Zylindern (2a, 2b; 2c, 2d) der ersten Gruppe (2) angeordnet und in Längsrichtung der Kurbelwellen (3, 5) gegenüber den Zylindern (2a, 2b; 2c, 2d) versetzt sind.Internal combustion engine according to claim 12, characterized in that the cylinders ( 4a . 4b ) of the second group ( 4 ) between each two cylinders ( 2a . 2 B ; 2c . 2d ) of the first group ( 2 ) and in the longitudinal direction of the crankshafts ( 3 . 5 ) relative to the cylinders ( 2a . 2 B ; 2c . 2d ) are offset.

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbrennungsgas aus den Zylindern (2a, 2b, 2c, 2d) der ersten Gruppe (2) lastabhängig in die Zylinder (4a, 4b) der zweiten Gruppe (4) oder einer Turbine (10) eine Abgasturboladers (11) zugeführt wird.Method for operating an internal combustion engine according to one of claims 1 to 13, characterized in that the combustion gas from the cylinders ( 2a . 2 B . 2c . 2d ) of the first group ( 2 ) load dependent in the cylinder ( 4a . 4b ) of the second group ( 4 ) or a turbine ( 10 ) an exhaust gas turbocharger ( 11 ) is supplied.

Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (13) öffnet oder geöffnet wird, wenn das Verbrennungsgas aus den Zylindern (2a, 2b, 2c, 2d) der ersten Gruppe (2) der Turbine (10) des Abgasturboladers (11) zugeführt wird.Method according to claim 14, characterized in that the coupling ( 13 ) opens or is opened when the combustion gas from the cylinders ( 2a . 2 B . 2c . 2d ) of the first group ( 2 ) of the turbine ( 10 ) of the exhaust gas turbocharger ( 11 ) is supplied.

Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (13) schließt oder geschlossen wird, wenn das Verbrennungsgas aus den Zylindern (2a, 2b, 2c, 2d) der ersten Gruppe (2) in die Zylinder (4a, 4b) der zweiten Gruppe (4) zugeführt wird.Method according to claim 14 or 15, characterized in that the coupling ( 13 ) closes or closes when the combustion gas from the cylinders ( 2a . 2 B . 2c . 2d ) of the first group ( 2 ) into the cylinders ( 4a . 4b ) of the second group ( 4 ) is supplied.

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (4a, 4b) der zweiten Gruppe (4) abwechselnd aus zwei Zylindern (2a, 2b; 2c, 2d) der ersten Gruppe (2) mit Verbrennungsgas gespeist wird.Method for operating an internal combustion engine according to one of Claims 1 to 13, characterized in that each cylinder ( 4a . 4b ) of the second group ( 4 ) alternately from two cylinders ( 2a . 2 B ; 2c . 2d ) of the first group ( 2 ) is fed with combustion gas.