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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft allgemein Brennkraftmaschinen, die Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung und Brennkraftmaschinen mit Kompressionszündung umfassen. Genauer befasst sie sich mit einer Brennkraftmaschine, die doppelte Prozesse zur Kompression und Expansion eines Luft/Kraftstoff-Gemisches anwendet.
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HINTERGRUND
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Die Aussagen in diesem Abschnitt liefern lediglich Hintergrundinformation, die mit der vorliegenden Offenbarung in Beziehung steht, und brauchen keinen Stand der Technik zu bilden.
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Moderne Brennkraftmaschinen sind im Allgemeinen vom Typ mit Fremdzündung und vom Typ mit Kompressionszündung. Während des Betriebes hängt der Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine von vielen Faktoren ab, die den volumetrischen und thermodynamischen Wirkungsgrad umfassen. Um ersteren zu steigern, haben Konstrukteure seit Jahrzehnten Maschinen mit Vorrichtungen zur Zwangsansaugung versehen, die Turbolader und Ladegebläse umfassen, die vorwiegend lediglich Zusätze an einer zugrunde liegenden Maschinenkonstruktion sind. Obgleich sie relativ leicht zu warten sind, können diese Vorrichtungen problematisch sein und sind aufgrund verschiedener Aspekte, die ihrer Konstruktion eigen sind, eingeschränkt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine Brennkraftmaschine umfasst einen Kompressorzylinder, zumindest einen Arbeitszylinder und einen Expanderzylinder. Jeder Zylinder weist eine jeweilige Bohrung und einen darin verschiebbar angeordneten Kolben, einen ventilgesteuerten Einlasskanal und einen ventilgesteuerten Auslasskanal auf. Jeder entsprechende Kolben ist funktional mit einer Kurbelwelle verbunden. Der Auslasskanal des Kompressorzylinders ist mit einem Durchgang versehen, durch den Gas, das von dem Kompressorzylinder ausgestoßen wird, zu dem Einlasskanal des zumindest einen Arbeitszylinders gelenkt wird. Der Auslasskanal des zumindest einen Arbeitszylinders ist mit einem Durchgang versehen, durch den Gas, das von dem zumindest einem Arbeitszylinder ausgestoßen wird, zu dem Einlasskanal des Expanderzylinders gelenkt wird. Der Auslasskanal des Expanderzylinders ist mit einem Durchgang versehen, durch den Gas von dem Expanderzylinder ausgestoßen wird. Die Maschine umfasst darüber hinaus eine Nockenwelle, die funktional mit der Kurbelwelle in ausreichendem Maße verbunden ist, um zu bewirken, dass die Ventile, die an den Einlasskanälen und den Auslasskanälen des Kompressorzylinders und des Expanderzylinders vorhanden sind, jeweils einen Offen-Geschlossen-Zyklus für jede Umdrehung der Kurbelwelle erfahren, und um zu bewirken, dass die Ventile, die an dem Einlasskanal und dem Auslasskanal von dem zumindest einen Arbeitszylinder vorhanden sind, jeweils einen Offen-Geschlossen-Zyklus für jede zweite Umdrehung der Kurbelwelle erfahren. Ferner umfasst die Brennkraftmaschine einen Wärmetauscher, der Wärme von dem durch den Durchgang am Auslasskanal des Expanderzylinders strömenden Gas gewinnt und die Wärme auf das durch den Durchgang zwischen dem Kompressorzylinder und dem zumindest einen Arbeitszylinder strömende Gas überträgt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nun werden beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen eine oder mehrere Ausführungsformen beschrieben, in denen:
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1 eine schematische Darstellung einer Maschine gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung veranschaulicht;
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2A–2F eine Bewegung und eine Lage von Kolben und Ventilen in einer Maschine gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung in verschieden Stadien ihres Betriebes zeigen;
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3 eine Druck/Volumen-Beziehung über einen Zyklus für das Arbeitsfluid in einer arbeitenden Maschine gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung veranschaulicht;
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4 Vergleiche einer Druck/Volumen-Beziehung und einer Druck/Temperatur-Beziehung über einen Zyklus für einen Arbeitszylinder in einer arbeitenden Maschine gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung veranschaulicht; und
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5 eine schematische Darstellung von Wärmeströmen liefert, die in einer Maschine gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung vorhanden sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine bereit, die einen Zweitakt-Kompressorzylinder, einen Zweitakt-Expanderzylinder und ein Paar Viertakt-Arbeitszylinder umfasst. Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, die lediglich als beispielhafte Darstellungen der Offenbarung und nicht, um selbige einschränkend aufzufassen, vorgesehen sind, veranschaulicht 1 eine schematische Darstellung einer Maschine 10 gemäß einer Ausführungsform. In 1 ist ein Kompressorzylinder 3 gezeigt, der typischerweise eine Bohrung umfasst und in einer Ausführungsform mit einem hin- und hergehenden Kolben ausgestattet ist, der funktional mit einer rotierbaren Kurbelwelle mittels einer Pleuelstange verbunden ist, wie solche Anordnungen in der Technik bekannt sind. Der Kompressorzylinder 3 weist einen Kompressoreinlass 5 auf, an welchem Luft, in dem Fall einer Maschine mit Kraftstoffeinspritzung, oder ein Luft/Kraftstoff-Gemisch, wie in dem Fall einer Vergasermaschine, mit einem ersten Druck p1 eingelassen wird, der typischerweise Umgebungsdruck ist, aber in anderen Ausführungsformen irgendein vorgesehener Druck oberhalb Umgebungsdruck sein kann. Der Kompressorzylinder 3 umfasst zusätzlich einen Kompressorauslass 7, durch den vorhandene Gase von dem Kompressorzylinder 3 mit einem zweiten Druck p2 aufgrund der Aufwärtsbewegung des hin- und hergehenden Kolbens innerhalb der Zylinderbohrung überführt werden, wobei der zweite Druck p2 vorzugsweise ein höherer Druck als der erste Druck p1 ist. In bevorzugten Ausführungsformen sind der Kompressoreinlass 5 und der Kompressorauslass 7 ventilgesteuerte Durchgänge, wobei die vorhandenen Ventile durch zumindest eine Nockenwelle oder irgendein anderes bekanntes Mittel in funktionaler Wirkverbindung damit betätigt werden, um eine Ventilzeitsteuerung vorzusehen, die ausreicht, um zu ermöglichen, dass die Größe des zweiten Drucks p2 infolge eines Aufwärtshubes des vorstehend erwähnten Kolbens den ersten Druck p1 übersteigt. In einer Ausführungsform sind die Ventile an dem Kompressoreinlass 5 und dem Kompressorauslass 7 herkömmliche Ventile von dem in Brennkraftmaschinen verwendeten Typ, und der Kompressorzylinder 3 wird zweitaktartig betrieben, wobei ein Kompressionstakt für jede Drehung der Kurbelwelle, mit der der Kolben verbunden ist, erfolgt.
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Nachdem sie aus dem Kompressorzylinder 3 herausgedrückt worden sind, werden die komprimierten Gase zu dem Einlass eines Arbeitszylinders gelenkt, wobei der Arbeitszylinder einen Kolben umfasst, der mit einer Kurbelwelle verbunden ist, die in manchen Ausführungsformen die gleiche Kurbelwelle wie die des Kolbens des Kompressorzylinders 3 ist. Der Arbeitszylinder ist mit zumindest einem Einlassventil und zumindest einem Auslassventil ausgerüstet, wobei diese Ventile derart betätigt werden, dass sie Zeitsteuerungsereignisse besitzen, die bewirken, dass ermöglicht wird, dass der Arbeitszylinder herkömmlich 4-taktartig arbeitet, d. h. einen Arbeitstakt und einen Auslasstakt für jede zweite Umdrehung der Kurbelwelle aufweist. In einer Ausführungsform gibt es einen einzigen Arbeitszylinder. In einer anderen Ausführungsform, wie etwa der, die in 1 gezeigt ist, sind zwei Arbeitszylinder vorhanden, nämlich ein erster Arbeitszylinder 9 und ein zweiter Arbeitszylinder 15, wobei der Kompressorzylinder 3 hinreichend dimensioniert ist, um es zu ermöglichen, dass er Einlassgas jedem von dem ersten Arbeitszylinder 9 und dem zweiten Arbeitszylinder 15 in ausreichendem Maße zuführt, um es zu ermöglichen, dass er in einem herkömmlichen 4-Takt-Modus arbeitet; jedoch bietet die vorliegende Offenbarung jede Zahl von Arbeitszylindern zwischen 1 und 4, einschließlich 1 und 4, die mit Gas gespeist werden, das einen einzigen Kompressorzylinder verlässt. Somit liefert der Kompressorzylinder 3-Einlassgase für den Arbeitszylinder/die Arbeitszylinder mit einem Druck, der im Allgemeinen größer als Atmosphärendruck ist, und in dieser Hinsicht fungiert der Kompressorzylinder analog einem Turbolader oder Ladegebläse. Der erste Arbeitszylinder 9 ist mit einem Einlassventil 11 und einem Auslassventil 13 ausgerüstet, und ein zweiter Arbeitszylinder 15, oder zusätzlicher Arbeitszylinder, falls dieser vorhanden sind, ist ebenfalls mit einem Einlassventil 17 und einem Auslassventil 19 ausgerüstet. Die vorliegende Offenbarung umfasst auch Ausführungsformen mit mehr als einem Einlassventil und/oder Auslassventil pro Arbeitszylinder. Ein weiteres Merkmal einer Maschine 10 gemäß der Offenbarung ist das Vorhandensein eines Expanderzylinders 21, der eine Bohrung umfasst und in einer Ausführungsform mit einem hin- und hergehenden Kolben ausgestattet ist, der funktional mit einer rotierbaren Kurbelwelle mittels einer Pleuelstange verbunden ist, wie solche Anordnungen in der Technik bekannt sind. In einer Ausführungsform ist die Kurbelwelle, mit der der Kolben des Expanderzylinders 21 verbunden ist, die gleiche wie die Kurbelwelle, mit der die Kolben des Kompressorzylinders 3 und des Arbeitszylinders/der Arbeitszylinder verbunden sind, wobei die Exzenterhübe an der Kurbelwelle derart ausgestaltet sind, dass sie einen Betrieb der hierin vorgesehenen Maschine gemäß der Beschreibung ermöglichen, die anhand der 2A–2F dargelegt wird. Der Expanderzylinder 21 ist hinreichend dimensioniert, so dass er in der Lage ist, Abgase der gewählten Zahl von Arbeitszylindern aufzunehmen, deren ausgestoßene Abgase zu dem Expanderzylinder 21 durch sein Einlassventil/seine Einlassventile gelenkt werden, welche in einer Ausführungsform zwei Arbeitszylinder ist. Die Vorkehrung für einen Durchgang von Gasen durch die Einlass- und Auslassventile, wie sie hierin beschrieben ist, wird durch integrale Durchgänge bereitgestellt, die in Krümmern und Zylinderköpfen gegossen sind, und ein oder mehrere ventilbetätigende, rotierbare Nockenwellen oder andere Ventilbetätigungsmittel unter Verwendung von Techniken, die auf dem Gebiet allgemein bekannt sind. In einer Ausführungsform wird bewirkt, dass eine existierende kolbenbetriebene Mehrzylinder-Brennkraftmaschine wie hierin beschrieben arbeitet, indem existierende Nockenwellenprofile derart abgeändert werden, dass ein oder mehrere existierende Zylinder als Kompressorzylinder fungieren und ein oder mehrere existierende Zylinder als Expanderzylinder fungieren, wobei geeignete Gasströmungsdurchgänge zwischen existierenden Einlass- und Auslasskanälen vorgesehen sind, wie es hierin beschrieben ist. In bevorzugten Ausführungsformen wird der Expanderzylinder 21 zweitaktartig betrieben. Nach Verlassen des Expanderzylinders 21 werden die Maschinenabgase entweder direkt an die Atmosphäre abgegeben oder zu einem Abgasnachbehandlungssystem geführt, das ein bekanntes System zum Verringern von Emissionen umfasst, welches typischerweise Oxidations- und Reduktionskatalysatoren einschließt.
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2A–2F zeigen eine Relativbewegung und Relativlage von Kolben und Ventilen in einer Maschine gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung in verschiedenen Stadien ihres Betriebes. Während des Betriebes gibt es einen Einlasstakt A (2A), während dem der Kolben in dem Kompressorzylinder sich in seiner Zylinderbohrung nach unten bewegt, während das Kompressoreinlassventil geöffnet ist und sein Auslassventil geschlossen ist. Dies zieht Luft in den Kompressorzylinder hinein. Der Kolben in dem Arbeitszylinder bewegt sich nach oben, wobei sein Einlassventil geschlossen und sein Auslassventil offen ist. Das Einlassventil des Expanderzylinders ist zu dem anderen Arbeitszylinder hin offen, der eine zweite Expansion (E2) vollführt, was nachstehend erläutert wird, wobei sein Kolben sich nach unten bewegt, während sein Auslassventil geschlossen ist.
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Während des Kompressionstakts C1 (2B) ist das Einlassventil des Kompressorzylinders geschlossen, und sein Auslassventil ist offen, was zulässt, dass das Gas, das in dem Kompressorzylinder vorhanden ist, in einen Arbeitszylinder durch das offene Einlassventil des Arbeitszylinders hineingedrückt wird, wobei sein Auslassventil geschlossen ist. Aufgrund des größeren Volumens des Kompressorzylinders bezüglich des Arbeitszylinders wird dieses Gas auf einem Druck sein, der höher als Atmosphärendruck ist, und die Zylinder sind derart dimensioniert, dass dies vorzugsweise jeder Druck im Bereich von zwischen 1,1 bar und 8,0 bar ist. Der Kolben in dem Arbeitszylinder bewegt sich nach unten, wobei das Gas von dem Kompressorzylinder eingelassen wird. Der Kolben in dem Expanderzylinder bewegt sich nach oben, wobei sein Einlassventil geschlossen ist und sein Auslassventil offen ist, um Gas, das zuvor in dem Expanderzylinder vorhanden ist, auszustoßen.
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Ein zweiter Kompressionstakt C2 ist in 2C gezeigt, während dem die Einlass- und Auslassventile des Arbeitszylinders beide geschlossen sind, wobei sich sein Kolben in seiner Bohrung nach oben bewegt, um die enthaltenen Gase vor der Zündung weiter zu komprimieren, wobei die Zündung eine Kompressionszündung oder eine Fremdzündung sein kann. Während der Aufwärtsbewegung des Kolbens in der Arbeitszylinderbohrung bewegen sich beide Kolben in dem Kompressorzylinder und Expanderzylinder nach unten in ihren Bohrungen, wobei die Einlassventile dieser Zylinder beide offen sind und die Auslassventile dieser Zylinder beide geschlossen sind.
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Dem Kompressionstakt C2 folgt ein Expansionstakt E1 (2D), während dem die Gase, die infolge der Zündung und Verbrennung in dem Arbeitszylinder erzeugt werden, den Kolben in dem Arbeitszylinder nach unten drücken, wobei beide Ventile in dem Arbeitszylinder während dieses Arbeitstakts geschlossen sind. Während der Abwärtsbewegung des Kolbens in der Arbeitszylinderbohrung bewegen sich beide Kolben in dem Kompressorzylinder und Expanderzylinder in ihren Bohrungen nach oben, wobei die Einlassventile dieser Zylinder beide geschlossen sind und die Auslassventile dieser Zylinder beide offen sind.
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Im Anschluss an den Arbeitstakt des Arbeitszylinders bewegt sich der Kolben, der in dem Arbeitszylinder vorhanden ist, in seiner Bohrung nach oben, wobei die im Wesentlichen verbrannten Gase innerhalb seiner Umgrenzungen zu dem Expanderzylinder durch sein offenes Auslassventil ausgestoßen werden. Während der Aufwärtsbewegung des Kolbens in der Arbeitszylinderbohrung in diesem zweiten Expansionstakt E2 (2E) bewegen sich beide Kolben in dem Kompressorzylinder und Expanderzylinder in ihren Bohrungen nach unten, wobei die Einlassventile dieser Zylinder beide offen sind und die Auslassventile dieser Zylinder beide geschlossen sind.
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Während des zweiten Expansionstakts E2 ist das Auslassventil des Arbeitszylinders offen und sein Einlassventil ist geschlossen, was zulässt, dass das in dem Arbeitszylinder vorhandene Gas in den Expanderzylinder durch das offene Einlassventil des Expanderzylinders gedrückt/expandiert wird, wobei sein Auslassventil geschlossen ist. In einer Ausführungsform ist der Expansionszylinder bezüglich des Arbeitszylinders derart bemessen, dass dieses Gas auf einen Druck expandiert wird, der ungefähr ein bar Druck beträgt. In einer anderen Ausführungsform ist der Expansionszylinder bezüglich des Arbeitszylinders derart bemessen, dass dieses Gas auf einen Druck expandiert wird, der um irgendeinen Betrag im Bereich von zwischen etwa 0,05 bar und etwa 0,5 bar, einschließlich alle Bereiche dazwischen, über Atmosphärendruck liegt.
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Schließlich erfolgt ein Auslasstakt F, wie er in 2F gezeigt ist, während dem beide Kolben in dem Kompressorzylinder und Expanderzylinder sich in ihren Bohrungen nach oben bewegen, wobei die Einlassventile dieser Zylinder beide geschlossen sind und die Auslassventile dieser Zylinder beide offen sind, wobei das offene Auslassventil des Expanderzylinders einen Ausstoß der verbrannten, expandierten Gase aus der Maschine ermöglicht. Der Kolben in dem Arbeitszylinder bewegt sich nach unten, wobei sein Einlassventil offen ist, um eine frische Luftladung für eine nachfolgende Verbrennung einzulassen, wobei der oben umrissene Zyklus (2A–2F) während des Betriebes einer Maschine wie hierin vorgesehen wiederholt wird. Für Ausführungsformen, bei denen ein zweiter Arbeitszylinder vorhanden ist, sind Zeitsteuerereignisse der Maschine derart vorgesehen, dass der Ausstoß des Kompressorzylinders einen ersten Arbeitszylinder von dem ersten Kompressionstakt des Kompressorzylinders speist, und bei seinem nächsten nachfolgenden Kompressionstakt des Kompressorzylinders seinen Ausstoß in den zweiten Arbeitszylinder einspeist. Die Zeitsteuerereignisse, wie sie oben umrissen sind, und unter allgemeinen Bedingungen vorgesehen sind, die Ventilöffnungs- und -schließereignisse, ihr Nettohub an dem Ventil, Dauer und Überlappung sind einfach zugeschnitten, um Grade einer Gasumkehr, eines Luftmassenträgheitsmanagements usw. zu erreichen, wie es für eine gegebene Endgebrauchsanwendung für eine so beschriebene Maschine erwünscht sein kann, wobei Berechnungen und Fertigungsverfahren verwendet werden, die in der Technik allgemein bekannt sind.
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Somit umfasst eine Maschine, wie sie hierin in einer Ausführungsform vorgesehen ist, eine Brennkraftmaschine, in der die Kompressions- und Expansionsprozesse in zwei Stadien durchgeführt werden, welche in einer Kombination von zwei separaten Zylindern erfolgen. Während des ersten Kompressionsstadiums wird Gas von einem relativ größeren Kompressorzylinder zu einem relativ kleineren Arbeitszylinder komprimiert, wobei ein Arbeitszylinder einen herkömmlichen 4-Taktzyklus vollführt. Das zweite Expansionsstadium erfolgt zwischen einem Arbeitszylinder und einem größeren Expanderzylinder, wobei die Expansion einen erhöhten thermodynamischen Wirkungsgrad durch Wiedergewinnung von chemischer Energie und Wärme ermöglicht, die ansonsten verloren geht, wenn nicht gemäß dieser Offenbarung verfahren wird. Außerdem gewährt das Vorhandensein eines Expanderzylinders, wie er hierin verwendet wird, eine erhöhte Anzahl von Betriebsvariablen, woraus Nutzen in Richtung einer Verringerung von Maschinenemissionen durch eine Temperatursteuerung während der Kompression gezogen werden kann.
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In 3 ist eine Druck/Volumen-Beziehung über einen Zyklus für das Arbeitsfluid in einer arbeitenden Maschine gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung, besonders anhand des Zyklus, der unter Bezugnahme auf 2 gezeigt und beschrieben ist, veranschaulicht. In jedem Stadium des Graphen sind diejenigen Abschnitte markiert, die den zuvor beschriebenen Takten (A, C1, C2, E1, E2 und F) entsprechen. Somit ist eine Maschine gemäß dieser Ausführungsform eine Sechstaktmaschine mit 1080 Kurbelwinkelgraden (CAD) pro Zyklus, die aber eine 360 CAD-Überlappung zwischen Zyklen relativ zu jedem Paar Arbeitszylindern entsprechend jedem Kompressor- und Expanderzylinderpaar aufweist.
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Ein Vorteil einer Maschine, wie sie beschrieben ist, ist, dass es möglich ist, Wärme von dem Expanderzylinder mittels eines Wärmetauschers zurückzugewinnen und diese Wärme zu benutzen, indem sie auf das Einlassgas des Arbeitszylinders in einem Wärmerekuperationsprozess übertragen wird. Bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen wird diese Wärmeenergie im Wesentlichen dadurch vergeudet, dass sie nicht in der Lage ist, irgendeine Druck*Volumen-Arbeit zu erfüllen. Durch Rekuperation der ansonsten vergeudeten Wärme in das Gas, das für die Verbrennung eingeleitet wird, ist der thermodynamische Wirkungsgrad einer Maschine gemäß der Offenbarung höher als bei Maschinen, die dieses Merkmal nicht umfassen. Dies ist in 4 deutlicher veranschaulicht, die Vergleiche einer Druck/Volumen-Beziehung und einer Druck/Temperatur-Beziehung über einen Zyklus für das Arbeitsfluid in einer so beschriebenen arbeitenden Maschine veranschaulicht. Aus diesen Graphen ist ersichtlich, dass die effektive Fläche innerhalb der P-V-Kurve, die die Nutzarbeit darstellt, für einen Zyklus mit Rekuperation, wie er hierin beschrieben ist, größer ist. Ein weiterer Vorteil wird erreicht, indem der isotherme Charakter der Kompression, die in dem Kompressorzylinder erfolgt, erhöht wird, indem eine flüssige Substanz, die ohne Einschränkung Wasser umfasst, während des Maschinenbetriebs in den Kompressorzylinder eingespritzt wird.
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In einem alternativen Betriebsmodus wird der oben erwähnte Wärmetauscher dazu verwendet, die Gase, die die Einlassladung für den Arbeitszylinder/die Arbeitszylinder umfassen, zu kühlen. Ein derartiges Kompressionskühlen ist, wenn es angewandt wird, in Richtung einer Verringerung jeglicher vorhandener Tendenzen in Richtung einer Vorzündung in fremdgezündeten Maschinen oder funkenunterstützten Kompressionsmaschinen vorteilhaft. 5 liefert eine schematische Darstellung von Wärmeströmungen, die in einer Maschine gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung vorhanden sind, welche die beschriebenen Merkmale enthält, und ferner einen Katalysator zeigt, der zwischen dem Auslass eines Arbeitszylinders und dem Einlass des Expanderzylinders vorhanden ist. Für Fälle, in denen die Gase, die den Arbeitszylinder im Anschluss an eine Zündung/Verbrennung verlassen, unverbrannten Kraftstoff enthalten, sorgt das Vorhandensein eines Katalysators in diesem Stadium für die Erzeugung zusätzlicher Wärme über eine vollständigere Verbrennung, welche typischerweise in einer Oxidationskatalysatorstufe als Teil eines Abgasnachbehandlungssystems verloren ginge. Die Rückgewinnung chemischer Energie aus katalytischer Oxidation in diesem Stadium steigert den Wirkungsgrad der Maschine. Der Katalysator kann irgendein herkömmlicher heterogener Katalysator sein, der auf eine herkömmliche Weise angeordnet ist, wie etwa auf einem Bett oder einem Monolithen, oder kann selbst durch Einspritzen von Gasen oder Flüssigkeiten, wie etwa komprimierter Luft, unterstützt sein.
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Obgleich die vorstehende Beschreibung anhand einer Maschine mit vier Zylindern angegeben worden ist, ist nun von einem Fachmann festzustellen, nachdem er diese Beschreibung betrachtet hat, dass die Offenbarung inhärent und leicht zusätzliche Maschinen gemäß ihren Lehren ermöglicht, die ausgestaltet sind, um in einer Achtzylinderkonfiguration, einer Zwölfzylinderkonfiguration oder im Wesentlichen jeglichen Konfigurationen, die ein integrales Vielfaches der beschriebenen vier Zylinder umfassen (d. h. Gruppen von einem Kompressorzylinder, zwei Arbeitszylindern und einem Expanderzylinder [engl.: i = one expander cylinder]), durch die Verwendung herkömmlicher Guss- und Bearbeitungstechniken, die allgemein bekannt sind und in der Motorblock- und Motorbauteilefertigungstechnik angewandt werden, zu existieren.
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Indem die relativen Verhältnisse der Hubräume der Kolben in ihrer Bewegung innerhalb der Bohrungen der Zylinder, in denen sie angeordnet sind, d. h. die effektiven Hubräume der Zylinder, gesteuert werden, ist es leicht möglich, wenn eine Maschine gemäß dieser Offenbarung bereitgestellt wird, einen breiten Bereich von möglichen Kompressionsverhältnissen des Arbeitszylinders vorzusehen, wodurch der volumetrische und thermodynamische Wirkungsgrad gesteuert wird. Ein Kompressorzylinder einer Maschine gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung ist relativ zu einem Arbeitszylinder derart bemessen, dass das Verhältnis des Hubraums eines Kompressorzylinders zu dem eines Arbeitszylinders irgendein Verhältnis im Bereich von zwischen etwa 5:1 bis etwa 1,1:1, einschließlich aller Verhältnisse und Bereiche von Verhältnissen dazwischen, ist. Der Expanderzylinder ist bezüglich des Arbeitszylinders in einer Maschine gemäß manchen Ausführungsformen der Offenbarung derart bemessen, dass das Verhältnis des Hubraums des Expanderzylinders zu dem des Arbeitszylinders irgendein Verhältnis im Bereich von zwischen etwa 5:1 bis etwa 1,1:1, einschließlich aller Verhältnisse und Bereiche von Verhältnissen dazwischen, ist. In manchen Ausführungsformen sind die Hubräume der Expander- und Kompressorzylinder im Wesentlichen gleich. In einer alternativen Ausführungsform ist der Hubraum des Kompressorzylinders größer als der des Expanderzylinders. In einer anderen Ausführungsform ist der Hubraum des Kompressorzylinders kleiner als der des Expanderzylinders. In manchen Ausführungsformen ist das Verhältnis des Hubraums des Expanderzylinders zu dem des Kompressorzylinders irgendein Verhältnis im Bereich zwischen etwa 5:1 bis etwa 1:5, einschließlich aller Verhältnisse und Bereiche von Verhältnissen dazwischen. Aufgrund der breiten Variabilität der Hubvolumina der vorhandenen Zylinder kann ein breiter Bereich von Kompressionsverhältnissen bereitgestellt werden, was höhere Druckverhältnisfähigkeiten und höhere thermodynamische Wirkungsgrade als bei mit einem Turbolader oder Ladegebläse ausgerüsteten Maschinen ergibt. Dies wird zum Teil wenigstens durch die Vorkehrung verstärkt, dass während des Betriebs einer Maschine gemäß der Offenbarung die Übertragung des Gases von einem Zylinder zu einem anderen während des Kompressionsprozesses die Fähigkeit einführt, Wärme zu oder von dem Ladungsgas während des geschlossenen Abschnitts des Kompressionsprozesses zu übertragen.
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Eine Maschine, wie sie hierin vorgesehen ist, kann unter Verwendung irgendeines brennbaren Kraftstoffs betrieben werden, der ohne Einschränkung die herkömmlichen Kraftstoffe umfasst: Wasserstoff, aliphatische Kohlenwasserstoffe, aromatische Kohlenwasserstoffe, Öle, Wachse, Dieselkraftstoffe, Benzine und sauerstoffhaltige Kraftstoffe, einschließlich Alkohole, Ether und Ester, und einschließlich Mischungen der vorstehenden. In alternativen Ausführungsformen kann eine Maschine gemäß der Offenbarung auch unter Verwendung nicht herkömmlicher Kraftstoffe betrieben werden, die ohne Einschränkung Kohlenstaub, Altöle und Biomassederivate umfassen.
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In bevorzugten Ausführungsformen wird der brennbare Kraftstoff an die Brennkammer des Arbeitszylinders geliefert. In alternativen Ausführungsformen wird der brennbare Kraftstoff an einen Ort benachbart zu dem Einlassventil des Arbeitszylinders geliefert, der dessen Einlass in den Arbeitszylinder während des Betriebes sicherstellt.
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In anderen alternativen Ausführungsformen wird ein brennbarer Kraftstoff an den Expanderzylinder oder an einen Ort benachbart zu seinem Einlassventil geliefert, der dessen Einlass in den Expanderzylinder während des Betriebes sicherstellt. Ausführungsformen, bei denen ein brennbarer Kraftstoff in den Expanderzylinder eingespeist wird, können vorteilhafterweise als Nachbrenner verwendet werden, um Emissionen zu verringern und Wirkungsgradzunahmen zu gewinnen.
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In weiteren alternativen Ausführungsformen wird der brennbare Kraftstoff an den Kompressorzylinder geliefert. In alternativen Ausführungsformen wird der brennbare Kraftstoff an einen Ort benachbart zu dem Einlassventil des Kompressorzylinders geliefert, der dessen Einlass in den Kompressorzylinder während des Betriebes sicherstellt.
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In manchen alternativen Ausführungsformen wird bewirkt, dass eine Nachbehandlungslösung in den Expanderzylinder eingelassen wird, die ohne Einschränkung Lösungen mit Harnstoff oder anderen bekannten Reduktionsmitteln einschließt, die zum Senken von Partikelemissionen und/oder Stickoxidemissionen von der Maschine nutzbar sind. Bekannte Reduktionsmittel umfassen Lösungen von organischen Stickstoffverbindungen und anorganischen Stickstoffverbindungen. Eine derartige vorteilhafte Nutzung von Reduktionsmitteln verringert die Belastung, die Emissionsbehandlungssystemen oder -vorrichtungen, die unterstromig des Expanderzylinders für Kraftfahrzeuge oder anderen Erzeugnissen, die erwünschtermaßen eine Emissionsbehandlungsausrüstung besitzen, angeordnet sind, auferlegt wird.
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Weitere Zunahmen des Wirkungsgrades einer Maschine gemäß irgendeiner der hierin bereitgestellten Ausführungsformen können vorgesehen werden, indem eine Lage eines wärmeisolierenden Materials an irgendeinem Abschnitt einer Maschine gemäß der Offenbarung, beispielsweise dem Gasübertragungskanal, der zwischen einem Arbeitszylinder und einem Expanderzylinder angeordnet ist, dem Gasübertragungskanal, der zwischen einem Arbeitszylinder und einem Kompressorzylinder angeordnet ist, dem Expanderzylinder selbst und dem Arbeitszylinder selbst, vorgesehen wird. In einer Ausführungsform ist die Isolierung irgendein geeignetes keramisches Material, das in der Form einer Beschichtung an den Innenflächen oder Außenflächen der Kanäle, Zylinder, Kolben oder irgendeines anderen Abschnitts einer Maschine, wie sie hierin vorgestellt ist, vorgesehen sein kann. Jedoch kann jedes andere geeignete wärmeisolierende Material, das in der Technik bekannt ist, angewandt werden.
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Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Abwandlungen daran beschrieben. Weitere Abwandlungen und Abänderungen können anderen beim Lesen und Verstehen der Beschreibung in den Sinn kommen. Daher ist beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die besondere Ausführungsform/besonderen Ausführungsformen, die als die beste Ausführungsart offenbart sind, die in Betracht gezogen wird, um diese Offenbarung auszuführen, begrenzt, sondern die Offenbarung wird alle Ausführungsformen umfassen, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.
