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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit geteiltem Zyklus und dessen Verwendung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In einem herkömmlichen Verbrennungsmotor mit Otto-Zyklus führt jeder Zylinder vier Takte pro Zyklus aus – Einlassen, Kompression, Arbeiten und Auslassen. Infolgedessen sind für jeden Arbeitstakt zwei Umdrehungen der Kurbelwelle des Motors erforderlich.
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Im Gegensatz dazu teilt ein Motor mit geteiltem Zyklus diese vier Takte zwischen zumindest zwei paarweisen Zylindern auf – zwischen einem für Einlassen/Kompression und einem anderen für Arbeiten/Auslassen. Bei einigen Motorausbildungen mit geteiltem Zyklus wird die komprimierte Luft durch einen Übertragungs- oder Kreuzungsdurchgang von dem Kompressionszylinder zu dem Arbeitszylinder übertragen. Anschließend wird Kraftstoff in den Arbeitszylinder eingespritzt und in diesem gezündet, um den Arbeitstakt zu erzeugen.
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Zusätzlich ist bei einigen Motoren mit geteiltem Zyklus auch ein Expanderzylinder vorgesehen, um die Energie auszunutzen, die in dem Abgas nach der Verbrennung enthalten ist, um zusätzliche mechanische Arbeit zu erzeugen, indem eine weitere Gasausdehnung ermöglicht wird. In einem solchen Fall werden die Abgase nach dem Arbeitstakt mittels eines Auslassanschlusses oder -durchgangs von dem Arbeitszylinder zu dem Kolbenexpander übertragen, wodurch der Expanderzylinder ausgelenkt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es wird ein Verbrennungsmotor mit geteiltem Zyklus offenbart. Der Motor weist einen Zylinderblock sowie mehrere zusammenwirkende Arbeitskolben und Arbeitszylinder auf, die in dem Zylinderblock angebracht sind. Die Arbeitskolben sind ausgebildet, um durch Verbrennungskräfte aktiviert zu werden. Der Motor weist auch einen Kompressorkolben und einen Kompressorzylinder auf, die in dem Zylinderblock angebracht und ausgebildet sind, um ein Luftvolumen zu komprimieren und die komprimierte Luft zu den Arbeitskolben zu übertragen. Der Motor weist zusätzlich einen Expanderkolben und einen Expanderzylinder auf, die in dem Zylinderblock angebracht und ausgebildet sind, um Verbrennungsprodukte, d. h. Abgase, von den Arbeitskolben aufzunehmen. Darüber hinaus weist der Motor eine erste, eine zweite und eine dritte Kurbelwelle auf, die für eine abgestimmte Drehung funktional verbunden sind. Die erste Kurbelwelle ist mit den Arbeitskolben funktional verbunden und wird durch diese drehend angetrieben. Die zweite Kurbelwelle ist mit dem Kompressorkolben funktional verbunden, und sie ist ausgebildet, um diesen drehend anzutreiben. Die dritte Kurbelwelle ist mit dem Expanderkolben funktional verbunden, und sie ist ausgebildet, um durch diesen drehend angetrieben zu werden.
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Die erste, die zweite und die dritte Kurbelwelle können relativ zueinander längsseitig und parallel angeordnet sein. Der Motor kann einen Einlassanschluss, der ausgebildet ist, um die komprimierte Luft von dem Kompressorkolben zu jedem der zusammenwirkenden Arbeitskolben zu übertragen, und einen Auslassanschluss aufweisen, der ausgebildet ist, um Abgase von jedem der zusammenwirkenden Arbeitskolben zu dem Expanderkolben zu übertragen. Der Einlass- und der Auslassanschluss können derart angeordnet sein, dass der Kompressorkolben auf einer Seite der mehreren zusammenwirkenden Arbeitskolben angeordnet ist, und der Expanderkolben ist auf der entgegengesetzten Seite der mehreren zusammenwirkenden Arbeitskolben positioniert.
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Der Motor kann zusätzlich ein erstes, ein zweites und ein drittes Zahnrad aufweisen, die miteinander verbunden sind, wobei das erste Zahnrad mit der ersten Kurbelwelle verbunden ist, das zweite Zahnrad mit der zweiten Kurbelwelle verbunden ist und das dritte Zahnrad mit der dritten Kurbelwelle verbunden ist. Das erste, das zweite und das dritte Zahnrad können mittels zumindest einer Kette verbunden sein. Das erste, das zweite und das dritte Zahnrad können miteinander kämmen, und das erste Zahnrad kann eine in eine Richtung orientierte Helix aufweisen, während das zweite und das dritte Zahnrad eine in entgegengesetzte Richtung orientierte Helix im Vergleich zu der in der einen Richtung orientierten Helix des ersten Zahnrades aufweisen.
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Der Motor kann auch eine erste, eine zweite und eine dritte Riemenscheibe aufweisen, wobei die erste Riemenscheibe mit der ersten Kurbelwelle verbunden ist, die zweite Riemenscheibe mit der zweiten Kurbelwelle verbunden ist und die dritte Riemenscheibe mit der dritten Kurbelwelle verbunden ist. Bei einer solchen Ausbildung können die erste, die zweite und die dritte Riemenscheibe mittels zumindest eines Riemens funktional verbunden sein.
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Die erste, die zweite und die dritte Kurbelwelle können für eine synchrone Drehung funktional verbunden sein. Die zweite und die dritte Kurbelwelle können zusätzlich als Ausgleichswellen zum Glätten des Betriebs des Motors ausgebildet sein.
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Es wird auch ein Fahrzeug offenbart, das den vorstehend beschriebenen Verbrennungsmotor mit geteiltem Zyklus verwendet.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der besten Weisen zum Ausführen der Erfindung leicht offensichtlich, wenn sie mit den begleitenden Zeichnungen in Verbindung gebracht wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, das als Antrieb einen Verbrennungsmotor mit geteiltem Zyklus mit drei Kurbelwellen verwendet;
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2 ist eine vergrößerte perspektivische Teilansicht des Verbrennungsmotors mit geteiltem Zyklus, der kämmende Zahnräder verwendet, um die drei Kurbelwellen zu verbinden; und
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3 ist eine schematische Teilansicht von oben auf einen Verbrennungsmotor mit geteiltem Zyklus, der einen Riemenantrieb verwendet, um die drei Kurbelwellen zu verbinden.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Auf die Zeichnungen Bezug nehmend, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten beziehen, zeigt 1 ein Fahrzeug 10 mit einer Karosserie 12 und mehreren Rädern 14. Das Fahrzeug 10 verwendet Antriebsstrang 16, um ein Antriebsdrehmoment von dem Verbrennungsmotor 18 mit geteiltem Zyklus zu den Rädern 14 zu übertragen. Wie es nicht speziell gezeigt ist, aber von Fachleuten zu verstehen ist, kann der Antriebsstrang 16 ein Getriebe, eine Antriebswelle und ein oder mehrere Differentiale aufweisen, um das Drehmoment zu übertragen, das durch den Verbrennungsmotor 18 mit geteiltem Zyklus entwickelt wird, um das Fahrzeug 10 anzutreiben.
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Der Motor 18 mit geteiltem Zyklus kann auch in einer Hybridfahrzeuganwendung verwendet werden, wie es Fachleute verstehen werden. Bei einer solchen Anwendung kann der Motor 18 mit geteiltem Zyklus in der Fähigkeit eines Generators verwendet werden, um eine fahrzeugeigene Speichereinrichtung für Fahrzeugenergie, wie beispielsweise eine Batteriepackung, mit hohen Niveaus von Effizienz und Ausgabe zu laden. Zusätzlich kann der Motor 18 mit geteiltem Zyklus für eine stationäre Leistungserzeugung verwendet werden, d. h. für eine stationäre Generatoranwendung.
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Im Allgemeinen, und wie es Fachleute verstehen werden, bietet ein Verbrennungsmotor mit geteiltem Zyklus gegenüber einem herkömmlichen Verbrennungsmotor mit Funkenzündung (SI-Verbrennungsmotor) oder Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung (CI-Verbrennungsmotor) eine verbesserte Effizienz. Wie es gezeigt ist, weist der Motor 18 mit geteiltem Zyklus einen Zylinderblock 20 auf. In dem Zylinderblock 20 sind ein Kompressorzylinder 22 und ein Paar von Arbeitszylindern 24 und 26 untergebracht. Der Motor 18 weist zusätzlich einen Expanderzylinder 28 auf.
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Der Expanderzylinder 28 ist ausgebildet, um zusätzliche mechanische Arbeit durch die Verwendung der Energie zu erzeugen, die in den Abgasen nach der Verbrennung enthalten ist. Somit ist der Motor 18 mit geteiltem Zyklus ein Motor mit doppelter Kompression und doppelter Ausdehnung, der einen separaten Kompressorzylinder 22 und einen separaten Expanderzylinder 28 verwendet, um die Kompressions- bzw. die Ausdehnungsfunktionen der Arbeitszylinder 24 und 26 zu erweitern.
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Ein Kompressorkolben 22A ist im Innern des Kompressorzylinders 22 angebracht, und er ist für eine Hubbewegung in diesem ausgebildet; ein Paar von Arbeitskolben 24A und 26B ist einzeln im Innern jedes der Arbeitszylinder 24 und 26 angebracht, und sie sind für eine Hubbewegung in diesen ausgebildet; und ein Expanderkolben 28A ist im Innern des Expanderzylinders 28 angebracht, und er ist für eine Hubbewegung in diesem ausgebildet. Der Kompressorzylinder 22 ist ausgebildet, um ein Volumen von Umgebungsluft bei einem Abwärtshub des Kolbens 22A anzusaugen, das Luftvolumen zu komprimieren und die komprimierte Luft bei einem Aufwärtshub des vorliegenden Kolbens zu den Arbeitszylindern 24 und 26 zu übertragen. Der Kompressorzylinder 22 überträgt die komprimierte Luft mittels Einlass-Übertragungsanschlüssen 24B bzw. 26B zu den Arbeitszylindern 24 und 26. Die Einlass-Übertragungsanschlüsse 24B und 26B sind typischerweise ein Teil entweder eines Einlasskrümmers oder eines Zylinderkopfs, von denen keiner gezeigt ist, die aber jeweils Fachleuten bekannt sind. Kraftstoff wird mittels einer Kraftstoffzufuhr und eines Einspritzungssystems (nicht gezeigt) zusammen mit oder kurz nach der Zufuhr der komprimierten Luft zu jedem entsprechenden Zylinder in jeden der Arbeitszylinder 24 und 26 periodisch eingeleitet. Wie Fachleute verstehen werden, werden Kraftstoff und Luft kombiniert, um ein Luft-Kraftstoff-Gemisch für eine anschließende Zündung und Verbrennung im Innern der Zylinder 24 und 26 zu erzeugen. Die Arbeitskolben 24A und 26A werden durch die fortlaufende Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Innern der jeweiligen Zylinder zu einer anhaltenden Hubbewegung veranlasst.
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Der Motor 18 verwendet zusätzlich drei separate Kurbelwellen 30, 32 und 34, die relativ zueinander längsseitig und parallel angeordnet sind. Die Kurbelwelle 30 ist eine Kompressorzylinder-Kurbelwelle, die mit dem Kolben 22A funktional verbunden und ausgebildet ist, um diesen drehend anzutreiben; die Kurbelwelle 32 ist eine Arbeitszylinder-Kurbelwelle, die mit den Kolben 24A und 26A funktional verbunden ist und durch diese drehend angetrieben wird; und die Kurbelwelle 34 ist eine Expanderzylinder-Kurbelwelle, die mit einem Kolben 28A funktional verbunden ist und durch diesen angetrieben wird. Die drei Kurbelwellen 30, 32 und 34 sind für eine abgestimmte Drehung funktional miteinander verbunden. Die Kurbelwellen 30, 32 und 34 können auch für eine synchrone Drehung verbunden sein. Es ist ebenso ein Motor mit geteiltem Zyklus vorgesehen, der mehr als zwei Arbeitszylinder aufweist. In Abhängigkeit von der tatsächlichen Anzahl verwendeter Arbeitszylinder können entsprechende Kompressor-, Arbeits- und Expanderkurbelwellen ebenso derart verbunden sein, dass sich alle drei Kurbelwellen entweder mit derselben Drehzahl oder mit einem vorbestimmten Drehzahlverhältnis drehen, wie es Fachleute verstehen werden.
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Ein anfänglicher Abwärtshub jedes entsprechenden Kolbens 24A, 26A nach der Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs im Innern der entsprechenden Zylinder 24, 26 erzeugt Leistung, um die Kurbelwelle 32 zu drehen. Folglich erhält jede fortlaufende Zündung im Innern der Zylinder 24, 26 die Drehung der Kurbelwelle 32, und sie überträgt die Drehbewegung mittels der kämmenden Zahnräder 36, 38 und 40 auf die Kurbelwellen 30 und 34. Nach jeder Zündung jedes Arbeitszylinders 24, 26 treibt der entsprechende Arbeitszylinder die Abgase nach der Verbrennung bei seinem Aufwärtshub heraus, und er überträgt diese Gase mittels Auslass-Übertragungsanschlüssen 24C und 26C zu dem Expanderzylinder 28. Der Expanderkolben 28A wird wiederum durch die Ausdehnung der Abgase, die von dem Arbeitszylinder 24, 26 empfangen werden, ausgelenkt oder angetrieben. Folglich wird die Energie, die in den übertragenen Abgasen in der Form von Wärme und Druck enthalten ist, hierdurch verwendet, um zusätzliche mechanische Arbeit durch das Auslenken des Expanderkolbens 28A und die Drehung der Kurbelwelle 34 zu erzeugen.
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Wie in 1 und 2 gezeigt ist, wird die abgestimmte Drehung der drei Kurbelwellen 30, 32 und 34 mittels drei kämmender Zahnräder erreicht, die jeweils mit einer der vorliegenden Kurbelwellen verbunden sind. Das Zahnrad 36 ist mit der Kurbelwelle 30 verbunden; das Zahnrad 38 ist mit der Kurbelwelle 32 verbunden; und das Zahnrad 40 ist mit der Kurbelwelle 34 verbunden. Die Zahnräder 36 und 40 weisen Zähne 36A bzw. 40A auf. Die Zähne 36A und 40A sind durch eine in eine ähnliche Richtung orientierte Helix charakterisiert. Das Zahnrad 38 weist Zähne 38A auf, die durch eine Helix charakterisiert sind, die derjenigen der Zahnräder 36 und 40 entgegengesetzt ist, wodurch ermöglicht wird, dass die drei Zahnräder 36, 38, 40 kämmen, und eine abgestimmte Drehung der Kurbelwellen 30, 32, 34 geliefert wird. Eine Helix wird in den kämmenden Zahnrädern 36, 38, 40 verwendet, um durch einen kontinuierlichen Kontakt zwischen den Zahnrädern und eine Verringerung des Zahnradspiels einen ruhigeren Betrieb des Motors 18 zu ermöglichen, wie in der Technik verstanden wird.
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Die Drehrichtung der Zahnräder 36, 38, 40 kann mit einem Leerlaufzahnrad (nicht gezeigt) modifiziert werden, falls dies erforderlich ist, beispielsweise zu den Zwecken des Ausbalancierens des Motors 18, wie Fachleute verstehen werden. Die abgestimmte Drehung der Kurbelwellen 30, 32, 34 kann auch durch nicht kämmende, nicht in Kontakt stehende Zahnräder erreicht werden, wobei die Distanz zwischen den Zahnrädern durch einen Kettenantrieb überspannt wird (nicht gezeigt, aber von Fachleuten zu verstehen). Ein solcher Kettenantrieb kann ein Spannelement aufweisen, um den Kettenantrieb während des Betriebs des Motors 18 gespannt zu halten.
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3 zeigt einen Motor 18A mit geteiltem Zyklus, der mit dem Motor 18, der in 1 und 2 gezeigt ist, in allen Belangen identisch ist, außer dass er einen Riemenantrieb 42 aufweist, wobei jedes identische Element entsprechend nummeriert ist. Wie in 3 gezeigt ist, kann die abgestimmte Drehung der Kurbelwellen 30, 32, 34 auch durch einen Riemenantrieb 42 erreicht werden. Der Riemenantrieb 42 weist eine Riemenscheibe 44, die mit der Kurbelwelle 30 verbunden ist, eine Riemenscheibe 46, die mit der Kurbelwelle 32 verbunden ist, und eine Riemenscheibe 48 auf, die mit der Kurbelwelle 34 verbunden ist. Ein Riemen 50 überspannt die Distanz zwischen den Riemenscheiben 44, 46 und 48, um dadurch die Kurbelwellen 30, 32 und 34 funktional zu verbinden. Der Riemenantrieb 42 kann ein Spannelement (nicht gezeigt) aufweisen, um den Riemen 50 während des Betriebs des Motors 18A gespannt zu halten. Obgleich nur ein einzelner Riemen 50 gezeigt ist, kann der Riemenantrieb 42 mehrere Riemen aufweisen, wenn es erforderlich ist.
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Wie in 1–3 gezeigt ist, sind der Kolbenkompressor 22 und der Kolbenexpander 28 in den Motoren 18 und 18A an entgegengesetzten Seiten der Arbeitszylinder 24 und 26 und in enger Nachbarschaft zu diesen positioniert. Ein solches Positionieren des Kolbenkompressors 22 und des Kolbenexpanders 28 ermöglicht die kürzeste Länge der Einlass-Übertragungsanschlüsse 24B und 26B und der Auslass-Übertragungsanschlüsse 24C und 26C. Die minimierte Länge der Auslass-Übertragungsanschlüsse 24C und 26C ist besonders vorteilhaft, um einen Wärmeverlust zu verringern und dadurch einen höheren Prozentanteil der Abgasenergie zu dem Zylinderexpander 28 zu übertragen. Eine solche Ausbildung erleichtert die Verringerung der Länge der Motoren 18 und 18A. Darüber hinaus können die Kompressorzylinder- und Expanderzylinder-Kurbelwellen (beispielsweise 30 bzw. 34) zusätzlich als Ausgleichswellen mit speziellem Gewicht ausgebildet sein, um Schwingungen in Motorkonstruktionen auszugleichen, die nicht inhärent ausbalanciert sind, wie beispielsweise bei der Verwendung von zwei oder vier Arbeitszylindern. Das Liefern eines solchen Gegenausgleichs für die Bewegung der Hubzylinder ist ein effektives Verfahren zum Glätten des Betriebs der Motoren 18 und 18A, wie Fachleute verstehen werden.
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Obgleich die besten Weisen zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute, welche diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche auszuüben.
