DE102019122325A1

DE102019122325A1 - Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Doppelkurbeltrieb und variablen Steuerzeiten

Info

Publication number: DE102019122325A1
Application number: DE102019122325.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2021-02-25
Anticipated expiration: 2039-08-21
Also published as: DE102019122325B4

Abstract

Mit der Erfindung wird erstmalig eine Hubkolbenbrennkraftmaschine (2) mit Doppelkurbeltrieb (24) angegeben, bei der während des Betriebs der Hubkolbenbrennkraftmaschine (2) eine Verstellung der Steuerzeiten für einen Ladungswechsel mit einfachen Mitteln realisiert wird. Insbesondere wird die Verstellung der Steuerzeiten durch eine spezielle Anordnung von miteinander verbindbaren Kanälen (Steuerschlitzen) (60a, 60b, 70a, 70b) in Kolben (8) und Zylinderwand (6) und eine entsprechende Verstellbarkeit einer Drehstellung des Kolbens (8) durch Drehung um seine Bewegungsachse erreicht. Hierdurch wird eine besonders effiziente Hubkolbenbrennkraftmaschine (2) mit Doppelkurbeltrieb (24) angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Doppelkurbeltrieb. Erstmals wird eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Doppelkurbeltrieb angegeben, bei der die Steuerzeiten für den Ladungswechsel, d.h. für einen Einlass und Auslass von Gas in den und aus dem Brennraum einstellbar, d.h. variabel sind.
Eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Doppelkurbeltrieb ist beispielsweise aus der DE 102 47 196 B4 bekannt. In der dort beschriebenen Hubkolbenbrennkraftmaschine wird oberhalb eines in einem Zylinder geführten Kolbens ein Brennraum zur Verbrennung eines Luft-Kraftstoffgemisches und unterhalb des Kolbens ein Pumpraum ausgebildet, mittels dessen des Luft-Kraftstoffgemisch mit Druck beaufschlagt werden kann. Die Hubkolbenbrennkraftmaschine weist weiterhin einen den unteren Bereich des Zylinderraums teilweise umgebende Überströmeinrichtung auf, die ein Überströmen des Luft-Kraftstoffgemisches aus dem Pumpraum in den Brennraum ermöglicht, wenn der Kolben sich im Bereich seines unteren Totpunktes befindet. Das Überströmen wird durch einen den Pumpraum und Brennraum verbindenden Kanal ermöglicht, der einen Eingang unterhalb des im unteren Totpunkt befindlichen Kolbens und einen Ausgang oberhalb desselben aufweist. Weiter ist in der Zylinderwand ein Auslasskanal mit Auslassventil in einen Abgasstrang vorgesehen, der freigegeben wird, wenn der Kolben sich im Bereich des unteren Totpunktes befindet. Die in der DE 102 47 196 B4 offenbarte Brennkraftmaschine kann daher einfach und effektiv im 2-Takt-Verfahren betrieben werden.
Gegenüber konventionellen Hubkolbenbrennkraftmaschinen, bei denen ein Kolben über jeweils ein Pleuel mit einer Kurbelwelle verbunden ist, haben Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Doppelkurbeltrieb zahlreiche Vorteile. Vom Doppelkurbeltrieb her werden auf den Kolben während seiner Bewegung keinerlei Seitenkräfte ausgeübt, wodurch die Reibung vermindert wird, die Schwingungsanregung geringer ist und der Kolben flach und ohne oder kleinem Hemd ausgeführt sein kann, was für die Schmierung der Gleitberührung Kolbenring / Zylinderwand vorteilhaft ist bzw. eine Kolbenschmierung überflüssig machen kann. Aufgrund des seitlichen Versatzes der Drehachsen der gegenläufig drehenden Kurbelscheiben relativ zur linearen Bewegung der Kolbenstange ist der Drehwinkel der Kurbelscheiben bei Bewegung des Kolbens vom OT zum UT ungleich dem Drehwinkel bei der anschließenden Bewegung des Kolbens vom UT zum OT. Dies kann bei der Verbrennung vorteilhaft genutzt werden.
Die Drehmomentabgabe wird vergleichmäßigt, was zusätzlich dadurch unterstützt wird, dass im Vergleich zu herkömmlichen Motoren bei gleichem Kolbenhub kleinere Kurbelradien der Doppelkurbeln erforderlich sind. Im Vergleich zu herkömmlichen 2-Takt-Hubkolbenbrennkraftmaschinen kann der Pumpraum ölfrei gehalten werden, wodurch die Abgasqualität verbessert ist.
Aus der DE 10 2015 013 489 A1 ist weiterhin eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Doppelkurbeltrieb bekannt, bei der eine Position der Anlenkung der Pleuel an der Kolbenstange in der Längsrichtung der Kolbenstange einstellbar ist. Hierdurch ist es möglich, das Verdichtungsverhältnis einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Doppelkurbeltrieb je nach Anforderung während des Betriebs der Hubkolbenbrennkraftmaschine einzustellen.
Für alle Motoren gilt, dass nur ein optimal auf den Motor und die Drehzahl abgestimmter Ladungswechsel (Austausch des Abgases mit Frischladung) effizienten Betrieb ermöglicht. Maßgebliche Kenngrößen eines Ladungswechsels sind dabei die Steuerzeiten, zu denen der Einlass von Frischladung in den Brennraum geöffnet und wieder geschlossen wird, die Steuerzeiten, zu denen der Auslass von Abgas aus dem Brennraum geöffnet und wieder geschlossen wird, die Strömungsquerschnitte der Ein- und Auslässe und entsprechende Drücke. Diese Kenngrößen werden für den jeweiligen Einsatzzweck des Motors konzipiert. In diesem Zusammenhang ist spielt auch die Ventilüberschneidung, das ist der Kurbelwinkel, der zwischen den Steuerzeiten „Einlass öffnet“ und „Auslass schließt“ verstreicht, maßgebend für die Menge an verbranntem Gas, die im Brennraum verbleibt. Geringe Abgasmengen im Brennraum sind durchaus erwünscht, wohingegen große Menge den Motorlauf negativ beeinflussen zu einem Anstieg der Emission führen können. Bei herkömmlichen Hubkolbenbrennkraftmaschinen werden diese Problemstellungen beispielsweise durch eine vollvariable Ventilsteuerung, die aufwendig und teuer ist, gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weiter verbesserte Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Doppelkurbetrieb anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Mit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 ist es erstmals möglich, verschiedene Steuerzeiten für einen Ladungswechsel, das heißt einen Ein- und Auslass von Gas (Fluid) in den und aus dem Brennraum während des Betriebs der Brennkraftmaschine einzustellen bzw. diesen zu verstellen. Hierdurch kann neben der Spät- oder Frühverstellung des Einlasses und/oder Auslasses von Gas und auch eine Ventilüberschneidung (Zeitspanne, in der Einlass und Auslass gleichzeitig offen sind) verstellt werden. Bei Teillast und niedriger Drehzahl kann beispielsweise eine Spätverstellung und bei Volllast und hoher Drehzahl eine Frühverstellung eingestellt werden.
Wie bei Hubkolbenbrennkraftmaschinen üblich, ist der Zylinder in einem Motorblock aus beispielsweise Aluminium ausgebildet und auf der Brennraumseite durch einen Zylinderkopf, der an dem Motorblock befestigt wird, verschlossen. Vorzugsweise ist in dem Zylinderkopf zum Zünden des Gemisches aus Luft und Kraftstoff eine Zündkerze vorgesehen, welche über eine entsprechende Steuerung gezündet wird, wenn sich der Kolben im Bereich des oberen Totpunktes befindet. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Zylinderkopf keine im oberen Bereich des Zylinders bzw. im Zylinderkopf angeordneten Ventile auf, wie sie üblicherweise in Hubkolbenbrennkraftmaschinen vorhandenen sind. Der Zylinderkopf ist also als geschlossenes Bauteil ausgebildet. Dennoch sind auch Ausführungsformen möglich, bei dem ein oder mehrere solcher Ventile vorgesehen sind.
Ein auf der entgegengesetzten Seite des Kolbens vorgesehener Pumpraum ist bevorzugt aber nicht zwingend. Alternativ zu einem Pumpraum kann im Ansaugtrakt eine Aufladevorrichtung (beispielsweise ein Abgasturbolader oder Kompressor) vorgesehen sein.
Vorzugsweise weist die Hubkolbenbrennkraftmaschine eine Luft-Kraftstoff-Gemisch Erzeugungsvorrichtung auf. Beispielsweise wird eine übliche Einspritzanlage im Luftansaugtrakt vor dem Pumpraum vorgesehen. Alternativ ist beispielsweise eine Einspritzung im Pumpraum oder direkt in den Brennraum (Direkteinspritzung) vorgesehen. Es können auch Vergaseranlagen oder Ähnliches zum Einsatz kommen.
Der Kolben ist vorzugsweise gegenüber der Zylinderwand abgedichtet, beispielsweise durch entsprechende Passung, übliche Kolbenringe oder andere Dichtmittel oder spezielle Beschichtung. Bei Verwendung von Kolbenringen werden bevorzugt zwei oder mehr Kolbenringe verwendet. Die Ein- und Auslässe der Kolbenströmungskanäle öffnen sich bzw. enden normalerweise oberhalb der Kolbenringe. Ein leichtes Überströmen/Ausströmen erfolgt daher in der ersten Drehstellung bereits nachdem die Kolbenringe die jeweiligen Öffnungen überfahren haben. Dies ist jedoch signifikant kleiner als das Überströmen durch entsprechende Kolbenströmungskanäle. Alternativ sind auch Ausführungsformen denkbar, bei denen sich die Ein- und Auslässe der Kolbenströmungskanäle zwischen zwei Kolbenringen öffnen.
Unterhalb des Kolbens, d.h. auf der dem Brennraum bezüglich des Kolbens entgegengesetzten Seite ist bevorzugt der Pumpraum vorgesehen, dessen Volumen sich mit der Bewegung des Kolbens gegenläufig zu dem des Brennraums ändert. Der Pumpraum wird vorzugsweise wie der Brennraum innerhalb des Motorblocks ausgebildet. Alternativ wird er beispielsweise durch ein separates Teilgehäuse ausgebildet, welches am Motorblock angebracht wird. Je nach Anforderung kann der Pumpraum ein größeres oder kleineres Totvolumen (Volumen des Pumpraums bei im unteren Totpunkt befindlichen Kolben) aufweisen. Bei großem Totvolumen hat die Verdichtung im Pumpraum ein geringeres Verdichtungsverhältnis.
Die Kolbenstange, die insbesondere die durch die Verbrennung entstehende Kraft auf den Kolben an den Kurbeltrieb überträgt, ist am Kolben bevorzugt starr oder beweglich, bevorzugt längsfest bezüglich der Bewegungsrichtung des Kolbens, gelagert. Beispielsweise weist der Kolben auf der Seite des Pumpraums eine entsprechende Aufnahme für die Kolbenstange auf und wird die Kolbenstange am Kolben nach dem Einsetzen in die Aufnahme mittels beispielsweise eines Bolzens gesichert. Die Kolbenstange insgesamt oder nur teilweise ausgehend von dem zum Kolben entgegengesetzten Ende ist bevorzugt hohl ausgebildet. An ihrem unteren, d.h. dem Kolben abgewandten Ende ist die Kolbenstange bevorzugt zur Befestigung des Pleuelverbindungsbauteils ausgebildet. Beispielsweise weist die Kolbenstange an ihrem unteren Ende einen Befestigungsbereich für das Pleuelverbindungsbauteil auf. Die Abdichtung der Kolbenstange in dem Durchgang durch die Wand des Pumpraums erfolgt bevorzugt durch bekannte Abdichtmitteln (z.B.: O-Ring). Bevorzugt weist die Kolbenstange im Bereich der Abdichtung eine zur Abdichtung geeignete Oberfläche auf.
Die Kurbeln des Doppelkurbeltriebs sind bevorzugt als Kurbelscheiben ausgebildet, welche auf zueinander parallelen Abtriebswellen (Kurbelwellen) gegensinnig zueinander rotieren. Bevorzugt weist jede Kurbelscheibe außenseitig eine Umfangsverzahnung auf, die mit der Umfangsverzahnung der anderen Kurbelscheibe kämmt. Die Abtriebswellen bzw. Kurbelwellen sind bevorzugt senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens und bevorzugt symmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene angeordnet, in der auch die Bewegungsachse des Kolbens liegt. Die Kurbelscheiben sind bevorzugt so ausgebildet und miteinander verzahnt, dass sie mit gleicher Drehzahl gegensinnig zueinander rotieren, bevorzugt gleichen die Kurbelscheiben einander. Jede der Kurbelscheiben weist bevorzugt einen innerhalb der Umfangsverzahnung und exzentrisch zu den Wellen angeordneten Pleuelzapfen auf. Bevorzugt erstreckt sich die Kolbenstange bis unterhalb der Ebene, in der die Abtriebswellen der Kurbelscheiben liegen, derart, dass das untere Ende der Kolbenstange auch bei im oberen Totpunkt befindlichen Kolben unterhalb der Abtriebswellen liegt. Der untere Endbereich der Kolbenstange ist mit dem Pleuelverbindungsbauteil verbunden, welches über die Pleuel jeweils gelenkig mit den Pleuelzapfen verbunden ist. Die Pleuel, das Pleuelverbindungsbauteil und die Kurbeln sind bevorzugt im Wesentlichen symmetrisch bezüglich der oben genannten Symmetrieebene ausgebildet. Die bevorzugte Drehrichtung der Kurbeln ist derart, dass im Betrieb die dem Kolben zugewandten Seiten (Oberseiten) der Kurbelscheiben aufeinander zu bewegt werden.
Die Kolbenverdrehvorrichtung dient zum Verdrehen des Kolbens relativ zu dem Zylinder um die Bewegungsachse des Kolbens bzw. die Längsachse des Zylinders. Die Verstellung zwischen der ersten Drehstellung und der zweiten Drehstellung erfolgt bevorzugt innerhalb einer 360 Grad Kurbeldrehung noch bevorzugter innerhalb einer 180 Grad Kurbeldrehung, und noch bevorzugter innerhalb einer 90 Grad Kurbeldrehung einer der Kurbeln, jeweils bevorzugt bei Nenndrehzahl des Motors.
Der Kolbenströmungskanal ist ein Kanal, der dazu ausgebildet ist, von Gas durchströmt zu werden. Insbesondere ist er dazu ausgebildet, dass Gas, welches über den seitlichen Öffnungsbereich (Eingang/Ausgang) eingeströmt wird, in den Pump- oder Brennraum ausgeströmt wird, und umgekehrt. Der Kanal ist nicht auf geschlossene Kanäle beschränkt. Beispielsweise ist der Kanal als offener Kanal in Form eines schräg zur Bewegungsrichtung des Kolbens verlaufender geraden oder gekrümmten Schlitzes oder als Einschnitt in den Kolbenkörper ausgebildet. Ein solcher Kanal weist also ausgehend von der Seitenwand eine sich vergrößernden Tiefe auf und sowohl der Öffnungsbereich zur Seitenwand als auch in den Brenn- oder Pumpraum sind nicht von allen Seiten begrenzt, sondern gehen unmittelbar ineinander über.
Der Zylinderwandströmungskanal ist ein Kanal, der dazu ausgebildet ist, von Gas durchströmt zu werden. Insbesondere ist er dazu ausgebildet, dass Gas, welches über den ersten Ein- oder Auslass in oder aus dem Zylinderinnenraum, bevorzugt Brennraum, ein- oder ausströmt, durch den Zylinderwandströmungskanal zu einem zweiten Ein- oder Auslass strömt, oder umgekehrt. Der Zylinderwandströmungskanal ist beispielsweise als offener oder geschlossener Kanal ausgebildet. Ähnlich wie bei dem Kolbenströmungskanal sind der erste oder zweite Ein- und Auslass zumindest im Falle eines vollständig geöffneten Kanals nicht von allen Seiten von der Zylinderwand umschlossen, sondern gehen in Richtung des Kanals ineinander über. Der zweite Ein- oder Auslass ist bevorzugt ein Ein- oder Auslass der in den Innenraum des Zylinders, bevorzugt Pumpraum, geöffnet ist oder ein Auslass in einen Abgasstrang. Im letzteren Fall erstreckt sich der Zylinderwandströmungskanal bevorzugt durch die Zylinderwand hindurch.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der erste Ein- oder Auslass des Zylinderwandströmungskanals in der Bewegung des Kolbens vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt auch in der oder einer ersten Drehstellung des Kolbens ab einer ersten bestimmten Position (zu einer ersten Steuerzeit) des Kolbens beginnend von dem Kolben freigegeben. Bevorzugt überfährt also zumindest ein oberer Endbereich des Kolbens, der zur Abdichtung gegenüber der Kolbenwand dient, den ersten Ein- oder Auslass des Zylinderwandströmungskanals und gibt ihn zum Zylinderinnenraum, insbesondere Brennraum, frei. Erst in der sich anschließenden Bewegung des Kolbens von seinem unteren Totpunkt zu dem oberen Totpunkt wird der erste Ein- oder Auslass des Zylinderwandströmungskanals wieder von dem Kolben überfahren (zweite Steuerzeit), so dass der Zylinderwandströmungskanal von dem Brennraum getrennt wird.
In der ersten Drehstellung des Kolbens liegt keine Überlappung zwischen dem seitlichen Öffnungsbereich des Kolbenströmungskanals und dem Zylinderwandströmungskanal vor, so dass die beiden Kanäle unabhängig von der Position des Kolbens zwischen seinem oberen und seinem unteren Totpunkt zu keiner Zeit einen durchgehenden Strömungskanal ausbilden.
In der oder einer zweiten Drehstellung des Kolbens wird der erste Ein- oder Auslass des Zylinderwandströmungskanals in der Bewegung des Kolbens vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt bevorzugt ab einer zweiten bestimmten Position (dritte Steuerzeit) des Kolbens beginnend in Überlappung mit dem seitlichen Öffnungsbereich des Kolbenströmungskanals gebracht, so dass der seitlichen Öffnungsbereich und der erste Ein- oder Auslass des Zylinderwandströmungskanals, gesehen in radialer Richtung des Kolbens, einander überlappen.
Hierdurch wird der Kolbenströmungskanal mit dem Zylinderwandströmungskanal verbunden, so dass diese einen gemeinsamen Strömungskanal für Gas in oder aus dem Zylinderinnenraum, bevorzugt der Brennkammer ausbilden.
In der weiteren Bewegung vom oberen zum unteren Totpunkt erreicht der Kolben wieder die erste bestimmte Position, wodurch der Zylinderwandströmungskanal bevorzugt unabhängig von dem Kolbenströmungskanal zum Zylinderinnenraum hin freigegeben wird. In der Bewegung nach oben ist der Ablauf entsprechend umgekehrt.
Es gibt also in der ersten Drehstellung Kolbens bevorzugt im Wesentlichen einen ersten Bewegungsbereich des Kolbens, in dem der Zylinderinnenraum, bevorzugt Brennraum, nicht in Verbindung mit dem Zylinderwandströmungskanal steht und einen zweiten Bewegungsbereich, in dem der Zylinderinnenraum, bevorzugt Brennraum, in Verbindung mit dem Zylinderwandströmungskanal steht. In der zweiten Drehstellung ist der erste Bewegungsbereich im Vergleich zur ersten Drehstellung verkleinert, die Steuerzeit der Öffnung des Kanals ist früher, die Steuerzeit des Schließens später. In der zweiten Drehstellung ist der Kanal also länger geöffnet.
In weiteren möglichen Ausgestaltungen wird der Zylinderwandströmungskanal in der ersten Drehstellung in keiner Position des Kolbens zwischen seinem oberen Totpunkt und seinem unteren Totpunkt freigegeben. Ein Über- oder Ausströmen kann bei solchen Ausgestaltungen über andere Kanäle erfolgen, die unabhängig von den oben beschriebenen vorgesehen sein können. Weiterhin ist es möglich, dass Zylinderwandströmungskanal in der zweiten Drehstellung des Kolbens nur abschnittsweise, also nur in einem bestimmten Bewegungsbereich in Überlappung mit dem Kolbenüberströmungskanal gebracht wird, wodurch ein beispielsweise ein Über- oder Ausströmpuls erzeugt werden kann. Die vollständige Öffnung erfolgt dann wieder später über die von der Drehstellung des Kolbens sich unabhängig öffnender Kanäle.
In weiteren möglichen Ausgestaltungen sind mindestens zwei Zylinderwandströmungskanäle, mindestens zwei Kolbenüberströmungskanäle und mindestens zwei zweite Drehstellungen vorgesehen. In jeder der zweiten Drehstellungen können jeweils unterschiedliche Anzahlen an Überlappungen zwischen Zylinderwandströmungskanälen und Kolbenüberströmungskanälen vorliegen. Alternativ und/oder zusätzlich können die Zylinderwandströmungskanäle und/oder Kolbenüberströmungskanäle zueinander unterschiedliche Querschnitte aufweisen, die in entsprechenden verschiedenen zweiten Drehstellungen unterschiedlich miteinander kombiniert werden können. Durch diese Merkmale können unterschiedliche Steuerzeiten und Steuermengen an Aus- oder Überströmung eingestellt werden. Beispielsweise weist der Zylinderwandüberströmungskanal einen größeren Querschnitt auf als der Kolbenüberströmungskanal, was dazu führt, dass in der zweiten Drehstellung zuerst eine geringe Menge an Gas durch den Kolbenüberströmungskanal strömt und bei Erreichen des unteren Totpunkts eine größere Menge an Luft direkt überströmt.
Mit den mit Anspruch 2 beanspruchten Merkmalen wird durch den Kolbenüberströmungskanal und den Zylinderwandüberströmungskanal bei Überlappung der beiden insgesamt ein Überströmungskanal ausgebildet, der ein Überströmen von Gas (Beispielsweise Luft oder Luft-Kraftstoff-Gemisch) aus dem Pumpraum in den Brennraum erlaubt.
Der Überströmungseinlass ist bevorzugt so ausgebildet und angeordnet, dass er in keiner Position des Kolbens zwischen seinem oberen Totpunkt und seinem unteren Totpunkt von dem Kolben (der Kolbenseitenwand) verschlossen bzw. überdeckt wird. Er befindet sich also unterhalb der Seitenwand des im unteren Totpunkt befindlichen Kolbens. Hierdurch wird erreicht, dass der Zylinderwandüberströmungskanal auch bei in der ersten Drehstellung befindlichem Kolben ab der oben genannten ersten bestimmten Kolbenposition in der Bewegungsrichtung des Kolbens zur Überströmung genutzt wird. Mit anderen Worten: bevorzugt ist der Zylinderwandüberströmungskanal so ausgebildet, dass er eine Überströmung von Gas aus dem Pumpraum in den Brennraum sowohl in der ersten Drehstellung als auch der zweiten Drehstellung erlaubt. Hierfür weist der Zylinderwandüberströmungskanal mindestens eine Erstreckungslänge in der Bewegungsrichtung des Kolbens auf, die länger als die Erstreckung des zur Abdichtung gegenüber der Zylinderwand dienenden Kolbenbereichs (Seitenwandbereichs) selbst ist. Bei im unteren Totpunkt befindlichen Kolben ist der Überströmungseinlass bevorzugt unterhalb des abdichtenden Bereichs des Kolbens und ist der Überströmungsauslass bevorzugt oberhalb des abdichtenden Bereichs des Kolbens (bevorzugt Oberkante des Kolbens) angeordnet, so dass der Überströmungseinlass unabhängig von der Drehstellung des Kolbens immer zum Zylinderinnenraum, hier dem Pumpraum, geöffnet ist und der Überströmungsauslass zumindest bei im unteren Totpunkt befindlichen Kolben zum Brennraum hin geöffnet ist. So ist in der ersten Drehstellung ein Überströmen alleine durch den Zylinderwandüberströmungskanal möglich. Der Bewegungsbereich des Kolbens, bei dem ein Überströmen in der ersten Drehstellung möglich ist, kann vergrößert werden, indem der Zylinderwandüberströmungskanal entsprechend nach oben verlängert wird.
In der zweiten Drehstellung erfolgt ab einer zweiten bestimmten Kolbenposition (Steuerzeit) in seiner Bewegung von dem oberen zu dem unteren Totpunkt die Überlappung des Überströmungsauslasses des Zylinderwandüberströmungskanal mit dem Eingang des Kolbenüberströmungskanals, wodurch mit der Verbindung von Zylinderwandüberströmungskanal mit dem Kolbenüberströmungskanal ein Überströmungskanal hergestellt wird. Hierdurch kann ein Überströmen schon zu einem früheren Zeitpunkt (einer früheren Steuerzeit) in der Bewegung des Kolbens von dem oberen zu dem unteren Totpunkt erfolgen. Umgekehrt erfolgt das Schließen in dieser Drehstellung auch zu einem späteren Zeitpunkt.
Bevorzugt sind der Zylinderwandüberströmungskanal und der Kolbenüberströmungskanal, insbesondere deren in Überlappung zu bringenden Öffnungen bzw. Ein- und Ausgänge derselben derart ausgebildet, dass in der weiteren Bewegung des Kolbens (ab dem Beginn des Überströmens durch den Zylinderwandüberströmungskanal und den Kolbenüberströmungskanal) die Verbindung (die Überlappung) derselben bestehen bleibt, bis der Überströmungsauslasses frei in den Zylinderinnenraum geöffnet ist, d.h. der Kolben sich unterhalb des Überströmungsauslass befindet. Hierfür sind die überlappenden Öffnungen der Kanäle beispielsweise ausreichend groß, als offener Kanal und/oder nutförmig ausgebildet. Hierdurch wird sichergestellt, dass zum einen ab der Verbindung der Kanäle die Öffnung durchgehend erhalten bleibt und gleichzeitig durch denselben Zylinderwandströmungskanal auch in der ersten Drehstellung zum Überströmen verwendet wird.
Ähnlich einer Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß den Ansprüchen 2 und 3 ist bei einer Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß den Ansprüchen 4 und 5 ein Zylinderwandausströmungskanal bevorzugt derart angeordnet, dass seine Ausströmungsauslass oberhalb des im Bereich des unteren Totpunkts befindlichen Kolbens, bevorzugt seines gegenüber der Zylinderwand abdichtenden Seitenwandbereichs, ist, so dass er bei im unteren Totpunkts und befindlichen Kolben zum Zylinderinnenraum, hier Brennraum, hin geöffnet ist, unabhängig davon, ob der Kolben sich in der ersten oder zweiten Drehstellung befindet.
In der zweiten Drehstellung erfolgt ab einer bestimmten Kolbenposition in seiner Bewegung von dem oberen zu dem unteren Totpunkt die Überlappung des Ausströmungsauslass mit dem Ausgang, wodurch mit der Verbindung von Zylinderwandausströmungskanal und Kolbenausströmungskanal ein Ausströmungskanal hergestellt wird. Hierdurch kann ein Ausströmen schon zu einem früheren Zeitpunkt in der Bewegung des Kolbens von dem oberen zu dem unteren Totpunkt erfolgen.
Bevorzugt sind der Zylinderwandausströmungskanal und der Kolbenausströmungskanal, insbesondere deren in Überlappung zu bringenden Öffnungen bzw. Ein- und Ausgänge derselben derart ausgebildet, dass in der weiteren Bewegung des Kolbens ab dem Beginn des Ausströmens durch den Zylinderwandausströmungskanal und den Kolbenausströmungskanal die Verbindung (die Überlappung) derselben bestehen bleibt, bis der Ausströmungsauslass frei in den Zylinderinnenraum geöffnet ist, d.h. der Kolben sich unterhalb des Ausströmungsauslass befindet. Hierfür sind die überlappenden Öffnungen der Kanäle beispielsweise ausreichend groß, als offener Kanal und/oder nutförmig ausgebildet.
Gemäß den Ansprüchen 2 bis 5 gibt es also mindestens zwei Typen von Zylinderwandströmungskanälen. Als erster Typ sind ein oder mehrere Überströmungskanäle (Zylinderwandüberströmungskanal) aus Richtung des Ansaugtraktes/Pumpraums in Richtung des Brennraums vorgesehen. Als zweiter Typ sind ein oder mehrere Ausströmungskanäle (Zylinderwandausströmungskanal) von dem Brennraum in den Abgasstrang vorgesehen. Alternativ ist nur einer der beiden Typen vorhanden. Wie oben angegeben, können unterschiedliche Anzahlen und Querschnitte, die verschieden miteinander kombiniert werden können, vorgesehen sein.
Bevorzugt ist je ein Kolbenströmungskanal (Kolbenüberströmungskanal) für je einen Überströmungskanal und je ein Kolbenströmungskanal (Kolbenausströmungskanal) für je einen Ausströmungskanal vorgesehen.
In bevorzugten Ausführungsformen sind mindestens zwei Zylinderwandüberströmungskanäle und/oder mindestens zwei Kolbenüberströmungskanäle und/oder mindestens zwei Zylinderwandausströmungskanäle und/oder mindestens zwei Kolbenausströmungskanälen vorgesehen, die so angeordnet sind, dass mehrere zweite Drehstellung einstellbar sind, in denen unterschiedliche Anzahlen an Zylinderwandüberströmungskanälen mit Kolbenüberströmungskanälen und/oder unterschiedliche Anzahlen an Zylinderwandausströmungskanälen mit Kolbenausströmungskanälen in Überlappung sind. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung agiert ein Kolbenströmungskanal sowohl als Kolbenüberströmungsströmungskanal als auch Kolbenausströmungsströmungskanal, je nach eingestellter zweiter Drehstellung.
Eine zweite Drehstellung ist bevorzugt immer eine Drehstellung, in der wenigstens eine Überlappung zwischen einem Kolbenströmungskanal und einem Zylinderwandströmungskanal herstellbar ist. Eine erste Drehstellung ist bevorzugt immer eine Drehstellung bei der unabhängig von der Längsposition des zwischen seinem oberen Totpunkt und seinem unteren Totpunkt keine Überlappung herstellbar ist.
Bevorzugt sind mehrere zweite Drehstellungen vorgesehen, bei denen in der Bewegung des Kolbens von seinem oberen Totpunkt zu seinem unteren Totpunkt sowohl die Steuerzeit für den Beginn des Auslasses als auch die Steuerzeit für den Beginn der Überströmung nach früh verstellt sind, oder nur eines von der Überströmung oder dem Auslass nach früh verstellt sind. Des Weiteren gibt es beispielsweise Ausführungsformen, bei denen mehrere Zylinderwandüberströmungskanäle und entsprechend mehrere Kolbenüberströmungskanäle vorgesehen sind, aber in verschiedenen zweiten Drehstellungen des Kolbens unterschiedliche Anzahlen von Zylinderwandüberströmungskanälen und Kolbenüberströmungskanälen in Überlappung gebracht sind. Beispielsweise können in einer ersten zweiten Drehstellung nur ein einziger Zylinderwandüberströmungskanal mit einem einzigen Kolbenüberströmungskanal in Überlappung gebracht werden wohingegen in einer zweiten Drehstellung zwei oder mehr Zylinderwandüberströmungskanäle und Kolbenüberströmungskanäle in Überlappung gebracht sind. Im letzteren Fall ist der verfügbare Strömungsquerschnitt der in der Frühverstellung zur Verfügung steht erhöht bezüglich des ersteren Falles, was eine weitere Feinjustierung des Ladungswechsels ermöglicht.
Gemäß Anspruch 7 ist das Pleuelverbindungsbauteil bevorzugt am unteren Ende der Kolbenstange um die Längsachse frei drehbar aber in der Bewegungsrichtung des Kolbens längsfest gelagert. Beispielsweise ist hierfür der Endbereich der Kolbenstange mit einem geringeren Durchmesser ausgebildet, das vom Pleuelverbindungsbauteil umgriffen wird. Die Sicherung in Längsrichtung kann beispielsweise über ein Befestigungsmittel mit größerem Durchmesser (Mutter) auf der dem Kolben abgewandten Seite des Pleuelverbindungsbauteils erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Nutbereich oder ein Bereich mit erweitertem Durchmesser in der Außenumfangsseite der Kolbenstange vorgesehen sein, der von dem Pleuelverbindungsbauteil umschlossen wird, so dass das Pleuelverbindungsbauteil längsfest aber drehbar an der Kolbenstange befestigt ist. Bevorzugt wird das Pleuelverbindungsbauteil über ein Axial- und/oder Radiallager oder ein Schräglager an der Kolbenstange gelagert.
Gemäß Anspruch 8 ist das Pleuelverbindungsbauteil derart an der Kolbenstange angebracht, dass ein Verdrehen der Kolbenstange bevorzugt auch zu einer Längsverstellung des Pleuelverbindungsbauteils an der Kolbenstange führt. Die Längsposition des Pleuelverbindungsbauteils an der Kolbenstange ist also durch Verdrehen der Kolbenstange möglich. Hierdurch kann das Verdichtungsverhältnis der Hubkolbenbrennkraftmaschine (=Verhältnis des gesamten Brennraums vor der Verdichtung (Gesamtvolumen) zum verbliebenen Raum nach der Verdichtung (Restvolumen)) eingestellt werden. Beispielsweise wird eine solche Längsverstellung über einen Gewindeeingriff des Pleuelverbindungsbauteils mit der Kolbenstange erreicht, die wiederum relativ zu dem Pleuelverbindungsbauteils verdreht werden kann. Das Verhältnis des Längsverstellwegs zu erforderlichem Drehwinkel der Kolbenstange lässt sich beispielsweise über die gewählte Gewindesteigung einstellen.
Bei der Ausgestaltung gemäß Anspruch 9 ist die Steigung des Gewindes bevorzugt so gewählt, dass bei Verstellung zwischen einer der ersten Drehstellungen und einer der zweiten Drehstellungen im Wesentlichen keine oder nur eine vernachlässigbare Verstellung des Verdichtungsverhältnisses bewirkt. Erst durch ganzzahlige Umdrehungen erfolgt eine merkliche Verstellung des Verdichtungsverhältnisses. So kann eine Verstellung der Steuerzeiten durch Verstellung zwischen erster Drehstellung und zweiter Drehstellung unabhängig von einer Verstellung des Verdichtungsverhältnisses erfolgen.
Bevorzugt kann die Steigung so ausgebildet sind, dass eine zu der jeweiligen Drehstellung passendes Verdichtungsverhältnis realisiert wird.
Bei der Ausgestaltung gemäß Anspruch 10 ist die Verstellstange in der Kolbenstange bevorzugt mit geringer oder keiner Reibung bei Relativbewegung in der Längsrichtung gelagert. Beispielsweise gleitet Verstellstange in der Kolbenstange. Alternativ können Rollen oder Kugellager zur Führung der Verstellstange in der Kolbenstange vorgesehen sein. Durch die kraftfreie Lagerung wird die Kolbenstange in der Bewegung des Kolbens zwischen seinem oberen Totpunkt und seinem unteren Totpunkt möglichst wenig behindert. Bevorzugt ist die Führung der Verstellstange so ausgebildet, dass auch bei einer Verdrehung der Kolbenstange während der Hubbewegung des Kolbens keine oder nur geringe Längskräfte zwischen der Kolbenstange und der Verstellstange auftreten. Hierdurch kann eine Verstellung während des Betriebs der Hubkolbenbrennkraftmaschine sichergestellt werden.
Der Aktuator ist beispielsweise ein Schrittmotor, Elektromotor, mit oder ohne Getriebe, ein pneumatischer Motor oder Ähnliches.
Bei den gemäß Anspruch 11 oder 12 ausgebildeten Hubkolbenbrennkraftmaschinen sind offene Kolbenströmungskanäle (Rinnen) beispielsweise durch schräges Einschneiden in den oder Ausschleifen bzw. Ausfräsen oder Aussägen des Randbereichs des Kolbens zwischen Seitenwand und Bodenwand des Kolbens ausgebildet. Im Falle eines teilweise oder ganz geschlossenen Kolbenkanals wird der Kanal beispielsweise auch Bohren oder Fräsen ausgebildet. Zylinderwandkanäle können auf dieselbe Art und Weise ausgebildet werden. Alternativ kann der Kolben mit den Kanälen geformt werden.
Mit dem Pumpraum nach Anspruch 13 eine Ansaugung und Aufladung erreicht, so dass nach dem Öffnen des Auslasses und Überströmers ein Spülen der Brennkammer und damit einhergehend ein Ladungswechsel stattfinden kann. In Anspruch 2 und 3 kann bevorzugt Ansaugtrakt durch Pumpraum ersetzt werden.
Der gemäß Anspruch 15 vorgesehene Hemdbereich des Kolbens ist bevorzugt ein seitlicher Kolbenwandbereich, der sich auf der dem Pumpraum zugewandten Seite des Kolbens vom Kolbenboden ausgehend erstreckt und in dem der Kolben bevorzugt nicht als Vollkolben sondern als hohler Kolben ausgebildet ist. Bevorzugt ist er nur über einen Umfangsbereich des Kolbens vorgesehen, der im Wesentlichen einem erforderlichen Verstellwinkel zur Verstellung zwischen der ersten Drehstellung und der zweiten Drehstellung entspricht, so dass er den Ausströmungsauslass sowohl in der ersten Drehstellung als auch der oder den zweiten Drehstellungen abdeckt bzw. verschließt. Die Länge des Hemdbereichs in der Bewegungsrichtung des Kolbens ist bevorzugt so gewählt, dass der Ausströmungsauslass unabhängig vom Verdichtungsverhältnis und unabhängig von der Kolbenposition in der Längsrichtung zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt durch den Hemdbereich oder den Bereich, in dem der Kolben als Vollkolben ausgebildet ist, verschlossen bleibt. Die Länge ist also bevorzugt so gewählt, dass der Ausströmungsauslass in keiner Position des Kolbens zum Pumpraum freigeben wird. D.h., das Kolbenhemd und der Ausströmungsauslass sind so angeordnet bzw. ausgebildet, dass der Ausströmungsauslass bevorzugt nur bei im Bereich des unteren Totpunkts befindlichen Kolben in die Brennkammer freigegeben ist.
Bei der gemäß Anspruch 16 ausgebildeten Hubkolbenbrennkraftmaschine ist das Einlassventil beispielsweise ein selbsttätiges Ventil, z.B. ein Rückschlagventil oder ein Flatterventil. Alternativ kann ein über einen Aktuator gesteuertes Ventil zum Einsatz kommen. Je nachdem ob eine zusätzliche Aufladung vor dem Einlassventil vorgesehen ist oder nicht, wird das Gas (Frischgas bzw. Gas-Kraftstoffgemisch) durch das Einlassventil mit der Bewegung des Kolbens nach oben in den Pumpraum hineingedrückt oder, wenn keine Aufladung vorhanden ist, durch den sich nach oben bewegenden Kolben in den Pumpraum eingesaugt.
Bevorzugt ist der Pumpraum derart dimensioniert, dass bei Öffnung des Überströmungskanals der Brennraum ausreichend mit Frischladung (Luft-Kraftstoffgemisch oder Luft) gespült oder versorgt wird, so dass ausreichend Luft-Kraftstoffgemisch oder Luft für die nächste Verbrennung zur Verfügung steht. Bevorzugt sind die Überströmungskanäle gegenüber und/oder schräg gegenüber dem oder den Auslassöffnungen angeordnet, so dass ein möglichst großer Teil der Abgase im Brennraum in die Auslassöffnungen transportiert wird.
Die Zündung eines Gas-Kraftstoff-Gemisches, welches bereits vor dem Pumpraum aufbereitet ist, erfolgt bevorzugt zwischen (während) einem Kurbelwinkel von 330 Grad Kurbelwinkel (= 30 Grad vor dem oberen Totpunkt) bis 20 Grad beispielsweise 350 Grad nach dem oberen Totpunkt und kann bevorzugt je nach Anforderung auf einen früheren oder späteren Zeitpunkt verstellt werden.
Bei Direkteinspritzung in den Brennraum erfolgt die Einspritzung bevorzugt zwischen (während) einem Kurbelwinkel von 260 Grad Kurbelwinkel (= 100 Grad vor dem oberen Totpunkt) bis 10 Grad nach dem oberen Totpunkt, beispielsweise bei 280 Grad, und kann bevorzugt je nach Anforderung auf einen früheren oder späteren Zeitpunkt verstellt werden.
Durch die Anordnung nach Anspruch 18 wird bevorzugt eine wahlweise Früh-SpätVerstellung der Überströmung und/oder Ausströmung, je nach Drehstellung des Kolbens erreicht.
Die Hubkolbenbrennkraftmaschine kann mit flüssigem oder gasförmigem Kraftstoff betrieben werden. Die Hubkolbenbrennkraftmaschine wird bevorzugt im 2-Takt Verfahren betrieben, kann aber beispielsweise auch im 4-Takt Verfahren betrieben werden. Je nach Anwendungsfall können hierfür weitere ggfs. gesteuerte Ventile vorgesehen sein, beispielsweise im Zylinderkopf.
Ein Verhältnis zwischen Kolbenhub zu Zylinderbohrung ist bevorzugt zwischen 0,4 und 1,2, noch bevorzugter zwischen 0,5 und 0,7. Aufgrund der Konstruktion der Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Doppelkurbeltrieb ist der Kurbelwinkel, der für eine Bewegung vom oberen Totpunkt des Kolbens zum unteren Totpunkt des Kolbens benötigt wird, bevorzugt im Bereich von 190 Grad bis 225 Grad Kurbelwinkel, beispielsweise 215 Grad und damit bevorzugt größer als der Kurbelwinkel, der für eine Bewegung vom unteren Totpunkt des Kolbens zum oberen Totpunkt des Kolbens benötigt wird (bevorzugt im Bereich von 135 Grad bis 170 Grad Kurbelwinkel). Hierdurch wird eine lange Expansionsphase möglich, was zu einem verbesserten Wirkungsgrad führt.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt wird der Ausströmungsauslass bei dem Kolben in einer ersten Drehstellung bevorzugt bei einem Kurbelwinkel zwischen 140 Grad und 200 Grad, bevorzugt bei beispielsweise 170 Grad, freigegeben und entsprechend der Geometrie des Kurbeltriebs und des Hub zu Bohrungsverhältnis bei einem Kurbelwinkel zwischen 230 Grad bis 278 Grad, bevorzugt bei beispielsweise 255 Grad, wieder durch den Kolben geschlossen (nach Festlegen des Auslassöffnungswinkels ergibt sich der Winkel bei dem geschlossen wird aus der Geometrie des Doppelkurbeltriebs automatisch, und umgekehrt). Der Ausströmungsauslass bei dem Kolben in einer zweiten Drehstellung wird bevorzugt bei einem Kurbelwinkel zwischen 120 Grad bis 180 Grad freigegeben und entsprechend bei einem Kurbelwinkel zwischen 248 Grad bis 287 Grad wieder durch den Kolben geschlossen. Bevorzugt wird der Ausströmungsauslass in der zweiten Drehstellung um 2 Grad bis 20 Grad früher, noch bevorzugter um 5 Grad bis 15 Grad, beispielsweise 10 Grad früher in Bezug auf die erste Drehstellung geöffnet. Ein Überströmen von dem Pumpraum in den Brennraum wird, sowohl in der ersten als auch der zweiten Drehstellung, bevorzugt ermöglicht, während der Ausströmungsauslass bereits freigegeben ist. Bevorzugt wird der Überströmungskanal nach dem Ausströmungsauslass geöffnet und vor diesem verschlossen. Die Einlassöffnungsdauer (Überströmungsdauer) ist somit bevorzugt kürzer als die Auslassöffnungsdauer. Bevorzugt erfolgt die Öffnung des Überströmungskanals in einer ersten Drehstellung bei einem Kurbelwinkel zwischen 2 Grad bis 25 Grad Kurbelwinkel, bevorzugter zwischen 5 Grad und 20 Grad, beispielsweise 5 Grad, später als die Öffnung des Ausströmungsauslasses. Entsprechend erfolgt die Schließung früher (nach Festlegen des Öffnungswinkels ergibt sich der Winkel bei dem geschlossen wird aus der Geometrie des Doppelkurbeltriebs automatisch, und umgekehrt). Weiterhin erfolgt die Öffnung des Überströmungskanals in der zweiten Drehstellung, je nach Ausbildung des Kanals, bevorzugt um 2 Grad bis 20 Grad früher, noch bevorzugter um 5 Grad bis 15 Grad, beispielsweise 10 Grad früher in Bezug auf die erste Drehstellung. Der Winkel, um den die Öffnung des Überströmkanals in der zweiten Drehstellung früher stattfindet als in der ersten Drehstellung ist nicht zwingend identisch zu dem Winkel, zu dem die Öffnung des Ausströmungsauslasses sich zwischen der zweiten Drehstellung und der ersten Drehstellung unterscheidet.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren erläutert.
Die Figuren zeigen in

1 eine Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einer ersten Ausführungsform mit im unteren Totpunkt befindlichem Kolben in einer zweiten Drehstellung,
2 die Hubkolbenbrennkraftmaschine nach der ersten Ausführungsform mit im oberen Totpunkt befindlichem Kolben in einer zweiten Drehstellung,
3 die Hubkolbenbrennkraftmaschine nach der ersten Ausführungsform mit dem Kolben in einer Bewegungsposition, bei der der Auslass in der zweiten Drehstellung öffnet,
4 die Hubkolbenbrennkraftmaschine nach der ersten Ausführungsform mit dem Kolben in einer Bewegungsposition, bei der Einlass in der zweiten Drehstellung öffnet,
5 eine detaillierte perspektivische Ansicht von Teilen der Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einer ersten Ausführungsform,
6 eine Querschnittsansicht der 2, bei der die Bewegungsachse des Kolbens in der Querschnittsebene liegt,
7 eine teilweise Querschnittsansicht der 1, bei der die Bewegungsachse des Kolbens senkrecht zur Querschnittsebene liegt und bei der der Kolben sich in einer ersten Drehstellung im unteren Totpunkt befindet,
8 eine teilweise Querschnittsansicht der 1, bei der die Bewegungsachse des Kolbens senkrecht zur Querschnittsebene liegt und bei der der Kolben sich in der ersten Drehstellung im unteren Totpunkt befindet,
9 eine detaillierte perspektivische Ansicht von Teilen einer Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einer zweiten Ausführungsform,
10 eine Querschnittsansicht der 6, bei der die Bewegungsachse des Kolbens in der Querschnittsebene liegt,
11 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Kolbenstange, des Pleuelverbindungsbauteils und der Verstellstange gemäß einer weiteren Ausführungsform,
12 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Kolbenstange, des Pleuelverbindungsbauteils und der Verstellstange gemäß einer weiteren Ausführungsform, und
13 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Kolbenstange, des Pleuelverbindungsbauteils und der Verstellstange gemäß einer weiteren Ausführungsform.

1 zeigt eine Hubkolbenbrennkraftmaschine 2 mit einem Motorblock 3, in dem ein Zylinder 4, der eine Zylinderwand 6 aufweist, ausgebildet ist. In dem Zylinder 4 ist ein Kolben 8 in einer Bewegungsrichtung Y entlang einer Bewegungsachse beweglich angeordnet.
Oberhalb des Kolbens 8 wird ein Brennraum 10 ausgebildet, der von der Zylinderwand 6, dem Kolben 8 und einem auf den Motorblock 3 aufgesetzten Zylinderkopf 12 begrenzt wird. Der Zylinderkopf 12 ist mit dem Motorblock 3 beispielsweise verschraubt. In den Zylinderkopf 12 ist auf bekannte Weise eine Zündkerze 14 eingesetzt, die derart in den Brennraum vorsteht, dass mit ihr ein im Brennraum 10 vorhandenes Luft-Kraftstoff-Gemisch gezündet werden kann. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird hier beispielhaft durch Direkteinspritzung mittels der Einspritzdüse 15 erreicht.
An dem dem Zylinderkopf 12 entgegengesetzten Ende des Motorblocks 4 ist ein Pumpraumgehäuse 16 vorgesehen, welches mit dem Zylinderkopf 12 beispielsweise verschraubt ist. Das Pumpraumgehäuse 16 bildet in der vorliegenden Ausführungsform auch einen Teil des Zylinders 4 aus. Unterhalb des Kolbens 8 wird ein Pumpraum 18 ausgebildet, der (abhängig von der Position den Kolbens 8) von der Zylinderwand 6, dem Kolben 8 und dem Pumpraumgehäuse 16 begrenzt wird. Das Volumen des Pumpraums 28 ändert sich in der Bewegung des Kolbens 8 gegenläufig zu dem des Brennraums 10.
Der Kolben 8 weist auf der dem Brennraum 10 abgewandten Seite eine in 1 nicht dargestellte Aufnahme für eine Kolbenstange 20 auf. Die Kolbenstange 20 ist über ein in 1 nicht dargestelltes Befestigungsmittel dreh- und längsfest, bevorzugt starr, am Kolben 8 befestigt. Die Kolbenstange 20 erstreckt sich entlang der Bewegungsachse des Kolbens 8 durch den Pumpraum 18 und eine Wand 22, die den Pumpraum 18 von einem Doppelkurbetrieb 24 trennt. Die Kolbenstange 20 ist mittels einem Dichtmittel 26, beispielsweise einer O-Ring Dichtung, gegenüber der Wand 22 abgedichtet.
Die Kolbenstange 20 ist ausgehend von dem dem Kolben 8 abgewandten Ende der Kolbenstange 20 über eine erste Länge in Längsrichtung der Kolbenstange 20 hohl ausgebildet. Die erste Länge ist größer dem maximalen Kolbenhub. Der von der Kolbenstange 20 umgrenzte hohle Querschnitt ist in der vorliegenden Ausführungsform quadratisch ausgebildet. Alternativ kann dieser irgendeine andere nicht-rotationssymmetrische Form aufweisen.
Unterhalb des Pumpraums 18 ist ein Kurbeltriebgehäuse 28 für den Doppelkurbeltrieb 24 vorgesehen. Der Doppelkurbeltrieb 24 weißt zwei Kurbeln 30 auf, die jeweils eine Kurbelscheibe 32 und einen Kurbelwelle 34 aufweisen, auf der die Kurbelscheibe 32 drehfest gelagert ist. Die Kurbelscheiben 32 liegen in einer Ebene, die parallel zu der Ebene ist, in der die Bewegungsachse des Kolbens liegt. Die Kurbelwellen 34 sind als von den Kurbelscheiben 32 in einer Richtung entgegengesetzt zu der Kolbenstange 20 vorstehende Lagerzapfen ausgebildet und sind im Kurbeltriebgehäuse 28 gelagert. Die Wellenachsen der Kurbelwellen 34 sind senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens 8 und symmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene angeordnet, in der die Bewegungsachse des Kolbens 8 liegt. Die einander im Wesentlichen gleichenden Kurbelscheiben 32 weisen jeweils eine Außenverzahnung auf und sind so angeordnet, dass sie miteinander im Bereich der oben genannten Symmetrieebene verzahnt sind und miteinander kämmen. Jede der Kurbelscheiben 32 weist einen Pleuelzapfen 36 auf, der von der Kurbelscheibe parallel zu den Wellenachsen auf der entgegengesetzten Seite der Kurbelwelle 34 hervorsteht.
Die Kolbenstange 20 weist an ihrem unteren Ende einen Befestigungsbereich 38 auf, der einen größeren Außendurchmesser als der darüber liegende Bereich der Kolbenstange 20 aufweist. Es ist zu beachten, dass dieser Befestigungsbereich in 1 bis 4 nicht oder falsch dargestellt ist. Eine korrekte Darstellung findet sich in 6.
An dem Befestigungsbereich 38 ist ein Pleuelverbindungsbauteil 40 befestigt. Das Pleuelverbindungsbauteil 40, welches später unter Bezugnahme auf 2 näher beschrieben wird, ist längsfest, aber um die Längsachse der Kolbenstange 20 (Bewegungsachse des Kolbens 8) drehbar, an der Kolbenstange 20 befestigt. Hierfür weist es ein zentrales Durchgangsloch bzw. einen zentralen Muffenbereich auf, das den Befestigungsbereich 38 umschließt. Die längsfest der Lagerung in Richtung zu dem Zylinder 8 erfolgt durch die Umschließung des Befestigungsbereichs 38 von oben und unten. Zur Montage ist das Pleuelverbindungsbauteil zweiteilig, beispielsweise aus zwei Halbschalen, ausgebildet.
Alternativ zu dem Bereich mit größerem Durchmesser kann auch ein nutförmiger Befestigungsbereich vorgesehen sein. Als weitere Alternative kommt ein Endbereich mit verringertem Durchmesser in Betracht, an dessen Ende ein Außengewindebereich 39 ausgebildet ist, wobei die längsfeste Lagerung in Richtung entgegengesetzt zu dem Zylinder durch eine Mutter erfolgen kann. Das Pleuelverbindungsbauteil 40 weist weiterhin zwei radial bezüglich der Kolbenstange 40 entgegengesetzt vorstehende Ansätze 41 mit jeweils einem Durchgangsloch senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens 8 auf.
Des Weiteren sind zwei Pleuel 42 vorgesehen. Jedes der Pleuel 42 weist an einem ersten Ende ein Durchgangsloch zur Aufnahme des an der jeweiligen Kurbelscheibe vorgesehenen Pleuelzapfens 36 und an einem zweiten Ende ein Durchgangsloch zur Aufnahme eines Verbindungsbolzens 44 auf. Der Verbindungsbolzen 44 ist jeweils in das Durchgangsloch am zweiten Ende des Pleuels 42 und das Durchgangsloch im vorstehenden Ansatz 42 des Pleuelverbindungsbauteils 40 eingesetzt und verbindet somit der Pleuel 42 mit dem Pleuelverbindungsbauteil 40.
Der Kolben 8, die Kolbenstange 20, das Pleuelverbindungsbauteil 40, die Pleuel 42 und die Kurbeln 30 sind so ausgebildet und angeordnet, dass bei einer 360 Grad Drehung einer bzw. beider der Kurbeln 30 bzw. Kurbelscheiben 32 der Kolben eine Längsbewegung zwischen einem oberen Totpunkt OT und einem unteren Totpunkt UT durchläuft. Für die weitere Beschreibung sei angenommen, dass der Kurbelwinkel im oberen Totpunkt OT des Kolbens 8 als null Grad definiert ist. In 1 ist der Kolben 8 in seinem unteren Totpunkt UT gezeigt. Die Bewegungsrichtung der Kurbelscheiben 32 im Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine ist derart, dass sich die dem Kolben zugewandten Bereiche der Kurbelscheiben 32 aufeinander zu drehen/bewegen. Die in 1 linke Kurbelscheibe dreht sich also im Uhrzeigersinn und die in 1 rechte Kurbelscheibe dreht sich gegen den Uhrzeigersinn. Aufgrund der Konstruktion ist der Kurbelwinkel, der für eine Bewegung vom oberen Totpunkt des Kolbens zum unteren Totpunkt des Kolbens benötigt wird (im Bereich von 190 Grad bis 225 Grad), größer als der Kurbelwinkel, der für eine Bewegung vom unteren Totpunkt des Kolbens zum oberen Totpunkt des Kolbens benötigt wird (im Bereich von 135 Grad bis 170 Grad). Hierdurch wird eine lange Expansionsphase möglich, was zu einem verbesserten Wirkungsgrad führt.
Des Weiteren ist eine Kolbenverdrehvorrichtung 46 vorgesehen, die eine Verstellstange 48, eine Verstellstangenlagerung 50, einen Aktuator 52, und ein Getriebe mit einem ersten Zahnrad 54 und einem zweiten Zahnrad 56 aufweist. Ein erstes Ende der Verstellstange 48 ist über die Verstellstangenlagerung 50 an einer gehäusefesten Wand 58 um ihre Längsachse drehbar gelagert und gehalten. Die Verstellstange 48 ist so angeordnet, dass sie mit ihrem anderen Ende in das hohle Ende der Kolbenstange 20 hineinragt. Die erste Länge des hohlen Bereichs der Kolbenstange bestimmt sich aus dem Kolbenhub plus einer minimalen Einstecktiefe der Verstellstange 48, mit der ein sicheres Drehen der Kolbenstange 20 ermöglicht wird. Die Querschnittsform der Verstellstange 48 ist so ausgebildet, dass ihr Querschnitt komplementär zu dem hohlen Querschnitt der Kolbenstange 20 ist, gleichzeitig in der Längsrichtung in der Kolbenstange 20 gleiten kann und drehfest in der Kolbenstange gelagert ist. Der Querschnitt ist also bevorzugt nicht rotationssymmetrisch. Hierdurch ist es möglich, dass die Kolbenstange 20 in ihrer Bewegung zwischen dem oberen Totpunkt OT und dem unteren Totpunkt UT relativ zu der Verstellstange 48, die an der Wand 58 längsfest angebracht ist, bewegt werden kann. Die Verstellstange 48 ragt also je nach Kolbenposition mal mehr und mal weniger in die Kolbenstange 20 ein.
Eine Verdrehung der Verstellstange 48 kann über den Aktuator 52, beispielsweise ein Elektromotor erfolgen. Eine Kopplung des Aktuators 52 mit der Verstellstange 48 erfolgt beispielhaft über je ein am Aktuator 52 und ein an der Verstellstange 48 vorgesehenes Zahnrad 54, 56.
Der Kolben 8 weist in der ersten Ausführungsform mehrere Kolbenströmungskanäle auf. Insbesondere weist der Kolben als Kolbenströmungskanäle, wie aus 2 ersichtlich ist, drei Kolbenüberströmungskanäle 60a und einen Kolbenausströmungskanal 60b auf. Jeder der Kolbenüberströmungskanäle 60a ist als offener, rinnenförmiger Kanal ausgebildet, der sich von einem seitlichen Öffnungsbereich 62a, der sich zur Zylinderwand 6 öffnet, in Richtung zu dem Öffnungsbereich 64a, der im Kolbenboden 66 vorgesehen ist und sich zum Brennraum 10 hin öffnet, erstreckt.
Der Kolbenausströmungskanal 60b ist ähnlich zu den Kolbenüberströmungskanälen 60a als offener, rinnenförmiger Kanal ausgebildet, der sich von einem seitlichen Öffnungsbereich 62b, der sich zur Zylinderwand 6 öffnet, in Richtung zu dem Öffnungsbereich 64b, der im Kolbenboden 66 vorgesehen ist und sich zum Brennraum 10 hin öffnet, erstreckt.
Weiterhin sind in der Zylinderwand 6 vier Zylinderwandströmungskanäle vorgesehen. Insbesondere weist die Zylinderwand 6 als Zylinderwandströmungskanäle drei Zylinderwandüberströmungskanäle 70a und einen Zylinderwandausströmungskanal 70b auf. Jeder der Zylinderwandüberströmungskanäle 70a ist als offener, rinnenförmiger Kanal ausgebildet, der sich zwischen einem Überströmungsauslass 72a (= erster Ein- oder Auslass), der sich in den Zylinderinnenraum öffnet, und einem Überströmungseinlass 74a (=zweiter Ein- oder Auslass), der sich in den Zylinderinnenraum öffnet, erstreckt. Der Überströmungsauslass 72a ist bezüglich des Überströmungseinlass 74a auf der dem Doppelkurbetrieb 24 abgewandten Seite des Überströmungsauslass 72a, also weiter oben, vorgesehen.
Der Zylinderwandausströmungskanal 70b erstreckt sich in der Zylinderwand zwischen einem Ausströmungsauslass 72b, der in den Zylinderinnenraum geöffnet ist, und einem Auslass 74b, der in einen nur in 1 dargestellten Abgasstrang 75 geöffnet ist.
Die zur Überströmung dienenden Zylinderwandüberströmungskanäle 70a und Kolbenüberströmungskanäle 60a können auch als Überströmungskanäle bezeichnet werden, der zur Ausströmung dienende Zylinderwandausströmungskanal 70b und Kolbenausströmungskanal 60b können als Ausströmungskanal bezeichnet werden.
Wie in den 7 und 8 gezeigt ist, sind in der vorliegenden Ausführungsform die Kolbenüberströmungskanäle 60a, der Kolbenausströmungskanal 60b, die Zylinderwandüberströmungskanäle 70a und der Zylinderwandausströmungskanal 70b so angeordnet, dass eine erste Drehstellung des Kolbens (7) vorhanden ist, in der unabhängig von der Bewegungsposition des Kolbens zwischen seinem oberen Totpunkt OT und seinem unteren Totpunkt UT keine radiale Überlappung zwischen einem der Kanäle vorliegt. In einer zweiten Drehstellung (8) hingegen überlappen die Überströmungskanäle 60a, 70a und die Ausströmungskanäle 60b, 70b in einer bestimmten Bewegungsposition bzw. einem bestimmten Bewegungsbereich zwischen dem oberen Totpunkt OT und unteren Totpunkt UT des Kolbens (bevorzugt im Bereich des unteren Totpunkts). In der vorliegenden Ausführungsform sind insbesondere drei umfangsmäßig im Abstand von 90 Grad angeordnete Kolbenüberströmungskanäle 60a und Zylinderwandüberströmungskanäle 70a vorgesehen. Zwischen den im Abstand von 180 Grad angeordneten Zylinderwandüberströmungskanälen 70a sind drei Zylinderwandausströmungskanäle 70b vorgesehen, von denen ein Äußerer in der zweiten Drehstellung mit dem Kolbenausströmungskanal 60b in Überlappung gebracht werden kann (siehe 7 und 8).
Der Kolben 8 weist, wie aus den 1 bis 6 unmittelbar ersichtlich ist, im Bereich des Kolbenausströmungskanals 60b ein nach unten erweitertes Kolbenhemd 76. Das Kolbenhemd 76 steht auf der dem Brennraum 10 entgegengesetzten Seite von dem Kolben 8 in Richtung des Pumpraums 18 vor und erstreckt sich über einen Umfangswinkelbereich. In Richtung des Pumpraums 18 steht das Kolbenhemd 76 derart vor, dass der Zylinderwandausströmungskanal 70b, insbesondere der Ausströmungsauslass 72b auch bei im oberen Totpunkt befindlichen Kolben 8 von dem Kolbenhemd 76 verschlossen bzw. abgedeckt ist. Der vorbestimmte Umfangswinkelbereich ist so bestimmt, dass das Verschließen bzw. Abdecken bei im oberen Totpunkt befindlichen Kolben 8 sowohl in der ersten Drehstellung (keine Überlappung der Kanäle) als auch der zweiten Drehstellung (Überlappung der Kanäle) vorliegt. Der Umfangswinkelbereich entspricht daher mindestens dem Winkel zwischen der ersten Drehstellung und der zweiten Drehstellung des Kolbens 8.
Der detaillierte Aufbau des oben genannten Pleuelverbindungsbauteils 40 mit seinen Ansätzen 41 wird mit Bezug auf 5 beschrieben. Das Pleuelverbindungsbauteil 40 ist beispielhaft aus zwei Hälften (Schalen) ausgebildet, welche miteinander durch nicht dargestellte Schrauben oder anders geartet verbunden werden. Die erlaubt die einfache Montage des Pleuelverbindungsbauteils 40 an der Kolbenstange 20 im eingebauten Zustand der Kolbenstange 20 auch das Pleuel 42 kann, wie in 5 dargestellt, mehrteilig ausgebildet sein. Alternativ kann der Pleuel integral bzw. einteilig ausgebildet sein, beispielsweise als Gussbauteil (je nach Befestigungsmöglichkeit).
Die Befestigung der Pleuel 42 an dem Pleuelzapfen 32 kann beispielsweise dadurch erfolgen, das ein Lösen der Pleuel 42 von den Pleuelzapfen 32 durch Anlage der Pleuel 42 an einer vorderen, parallel zur oder in der Zeichenebene der 1 verlaufenden Wand des Kurbeltriebgehäuses 28 verhindert wird. Auch die Verbindungsbolzen 44 sind beispielsweise so ausgebildet, dass sie nur aus der Zeichenebene der 1 heraus entnommen werden können, was durch die durch Anlage an der Wand verhindert wird. Alternativ sind die Verbindungsbolzen 44 auf herkömmliche Weise gesichert, beispielsweise durch Verschraubung oder durch Splinte. Zur Verringerung der Reibung können die Verbindungen Pleuel zu Pleuelzapfen 36 und/oder Verbindungsbolzen 44 über spezielle Lager (Kugellager etc.) gestaltet sein.
6 zeigt die Befestigung des Pleuelverbindungsbauteils 40 an dem Befestigungsbereich 38 der Kolbenstange 20, der einen größeren Außendurchmesser als der darüber liegende Bereich der Kolbenstange 20 aufweist. Das Pleuelverbindungsbauteil 40 umschließt den Befestigungsbereich für eine längsfeste Lagerung. Da das Pleuelverbindungsbauteil 40 drehbar relativ zur Kolbenstange 20 gelagert sein muss, ist bevorzugt ein nicht dargestelltes Lager (Kugellager, Nadellager, Gleitlager) vorgesehen, dass die längsfeste axiale Lagerung bei drehbarer radialer Lagerung erlaubt.
Weiterhin weist die Hubkolbenbrennkraftmaschine 2 ein Einlassventil 83 (in 1 bis 4 nicht repräsentativ für die Kolbenposition in geöffneter Stellung gezeigt) auf, durch das Frischluft (bei Direkteinspritzung Frischluft, bei anderer Einspritzung auch Gas-Kraftstoffgemisch) in den Pumpraum 18 einströmen kann. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Einlassventil 83 als Rückschlagventil bzw. Flatterventil ausgebildet, das in einer Seitenwand des Pumpraumgehäuses 16 angeordnet ist. Es ist so ausgebildet, dass das Gas in Richtung des Pumpraums 18 einströmen aber nicht ausströmen kann.
Die einzelnen Bauteile sind aus üblichen Materialien, wie beispielsweise Metalllegierungen Kohlenstoffen, Kunststoffen etc. ausgebildet.
In der vorliegenden Ausführungsform wird über eine nicht vollständig gezeigtes Einspritzsystem Kraftstoff über die Einspritzdüse 15 direkt in den Brennraum eingespritzt (Direkteinspritzung). Alternativ kann auch ein Luft-Kraftstoffgemisch im Ansaugtrakt erzeugt werden und über das Einlassventil 83 zugeführt werden. Eine entsprechende Gemischaufbereitungsvorrichtung ist nicht gezeigt.
Im Folgenden werden beispielhaft anhand der 1 bis 4 bestimmte Bewegungspositionen des Kolbens 8 in seiner Bewegung zwischen seinem oberen Totpunkt und seinem unteren Totpunkt, und zurück, erläutert.
Wie oben angegeben, zeigt 1 die Hubkolbenbrennkraftmaschine bei im unteren Totpunkt befindlichen Kolben 8. In dieser Position, welche im allgemeinen Teil der vorliegenden Anmeldung auch als erste bestimmte Position bezeichnet ist, befindet sich der Kolbenboden 66 (der obere Teil des Kolbens 8 bzw. der obere Rand des abdichtenden Seitenwandbereichs) unterhalb der oberen Ränder der Zylinderwandüberströmungskanäle 70a und des Zylinderwandausströmungskanals 70b. Hierdurch sind die beiden Zylinderwandströmungskanäle 70a, 70b vom Kolben freigegeben und in die Brennkammer geöffnet, unabhängig von der Drehstellung des Kolbens 8.
In der dargestellten Ausführungsform wird der Strömungsquerschnitt zur Überströmung von dem Pumpraum 18 in den Brennraum 10 in der dargestellten zweiten Drehstellung dennoch durch die Überlappung der Zylinderwandüberströmungskanäle 70a mit den Kolbenüberströmungskanälen 60a erweitert gegenüber einem Kolben 8 der ersten Drehstellung.
2 zeigt die Hubkolbenbrennkraftmaschine bei im oberen Totpunkt befindlichen Kolben 8. Wie unmittelbar ersichtlich ist, ist der Ausströmungsauslass 72b auch in dieser Bewegungsposition des Kolbens 8 von dem Kolbenhemd 76, unabhängig von der Drehstellung des Kolbens 8, verschlossen. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Pumpraum 18 nicht mit der Umgebung verbunden wird. Die Zylinderwandüberströmungskanäle 70a, insbesondere die Überströmauslässe 72a, sind zum Pumpraum 18 hin mangels Kolbenhemd in diesem Bereich geöffnet, ebenfalls unabhängig davon, ob der Kolben 8 sich in der ersten oder zweiten Drehstellung gemäß den 7 und 8 befindet.
3 zeigt die Hubkolbenbrennkraftmaschine in einem Zustand, in dem der Kolben sich, in seiner zweiten Drehstellung, in einer Bewegungsposition zwischen seinem oberen Totpunkt zu seinem unteren Totpunkt befindet, in der in einer Bewegung von oben nach unten eine Überlappung des Kolbenausströmungskanals 60b mit dem Zylinderwandausströmungskanal 70b beginnt. Mit anderen Worten, das untere Ende bzw. der untere Rand des Ausgangs 62b des Kolbenausströmungskanals 60b befindet sich unterhalb des oberen Endes bzw. oberen Rands des Ausströmungsauslasses 72b des Zylinderwandausströmungskanal 70b, so dass ein Ausströmungskanal hergestellt wird und ein Ausströmen von Gas im Brennraum in den Abgasstrang 75 ermöglicht wird. Die Zylinderwandüberströmungskanäle 70a und die Kolbenüberströmungskanäle 60a sind noch nicht verbunden bzw. überlappen noch nicht. Das Ausströmen von Gas aus der Brennkammer wird also ermöglicht, bevor ein Einströmen von Gas über die Überströmungskanäle ermöglicht wird.
4 zeigt die Hubkolbenbrennkraftmaschine in einem Zustand, in dem der Kolben sich, in seiner zweiten Drehstellung, in einer Bewegungsposition zwischen seinem oberen Totpunkt zu seinem unteren Totpunkt weiter unten im Vergleich zu 3 befindet. In dieser Bewegungsposition beginnt eine Überlappung der Zylinderwandüberströmungskanäle 70a und der Kolbenüberströmungskanäle 60a. Die unteren Enden bzw. die unteren Ränder der Eingänge 62a der Kolbenüberströmungskanäle 60a befinden sich unterhalb der oberen Enden bzw. oberen Ränder der Überströmungsauslässe 72a der Zylinderwandüberströmungskanäle 70a, so dass ein Überströmungskanal hergestellt wird und ein Überströmen von Gas von dem Pumpraum in den Brennraum ermöglicht wird. Der Kolbenausströmungskanal 60b überlappt weiterhin mit dem Zylinderwandausströmungskanal 70b, sodass ein Ausströmen von Gas aus der Brennkammer nach wie vor möglich isr. Hierdurch kann eine gute Spülung des Brennraums 18 erreicht werden.
Der Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine 2 gemäß der ersten Ausführungsform ist wie folgt: die Hubkolbenbrennkraftmaschine wird im 2-Takt-Verfahren betrieben. Zunächst sei angenommen, der Kolben befindet sich in seiner ersten Drehstellung, bei der keine Überlappung vorliegt. In einer Bewegung des Kolbens von dem unteren Totpunkt zu dem oberen Totpunkt, werden zuerst die Überströmauslässe 72a der Zylinderwandüberströmungskanäle 70a vom Kolben überfahren und dadurch geschlossen (erste Bewegungsposition des Kolbens zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt). In der ersten Drehstellung liegt keine Überlappung der Überströmauslässe 72a mit den Kolbenüberströmungskanälen 60a vor, so dass die Zylinderwandüberströmungskanäle 70a durch die Außenfläche der Seitenwand des Kolbens 8, ausgehend vom oberen Rand des Kolbenbodens 66, verschlossen werden. Hierdurch wird der Pumpraum vom Brennraum strömungstechnisch getrennt. Beispielsweise schließen die Zylinderwandüberströmungskanäle 70a bei einem Kurbelwinkel 270 Grad, wobei hier und im Weiteren der Kurbelwinkel bei im oberen Totpunkt befindlichen Kolben als 0 Grad festgelegt ist.
In der weiteren Bewegung des Kolbens 8 von unten nach oben wird also einerseits das Volumen des Pumpraums 18 vergrößert. Da die einzige Öffnung des Pumpraums 18 in diesem Zustand das Einlassventil 83 ist, wird ein Unterdruck erzeugt, der durch Einsaugen von Gas in den Pumpraum 18 ausgeglichen wird. In der Bewegung überfährt der Kolben 8 auch den Ausströmungsauslass 72b des Zylinderwandausströmungskanals 70b (zweite Bewegungsposition des Kolbens 8), so dass auch dieser verschlossen wird. Auch hier liegt keine Überlappung mit dem Kolbenausströmungskanal 60b vor, so dass der Zylinderwandausströmungskanal 70b durch die Außenfläche der Seitenwand des Kolbens 8, ausgehend vom oberen Rand des Kolbenbodens 66, verschlossen wird. Der Brennraum 10 ist also nicht mehr mit dem Abgasstrang verbunden. Beispielsweise schließt der Zylinderwandausströmungskanal 70b bei einem Kurbelwinkel von 275 Grad.
In der weiteren Bewegung des Kolbens 8 wird das in der Brennkammer befindliche Gas komprimiert. Weiterhin werden die Zylinderwandüberströmungskanäle 70a wieder von dem Kolben 8 freigegeben, dessen Seitenwand sich nun vollständig oberhalb der Zylinderwandüberströmungskanäle 70a befindet. Da diese nun mit ihren beiden Enden in den Pumpraum 18 geöffnet sind, ergibt sich keine wesentliche diesbezügliche Änderung. Der Zylinderwandausströmungskanal 70b hingegen bleibt durch das verlängerte Kolbenhemd, das eine Verlängerung der Seitenwand nach unten darstellt, verschlossen.
In der weiteren Bewegung des Kolbens 8 wird eingespritzt und das Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Brennklammer kurz bevor der Kolben 8 seinen oberen Totpunkt erreicht, gezündet (Kurbelwinkel 355 Grad). Nach Erreichen des oberen Totpunkts bewegt sich der Kolben 8 unter Expansion des gezündeten Gases wieder nach unten in Richtung seines unteren Totpunkts. Von diesem Zeitpunkt an wird kein Gas mehr in den Pumpraum 18 eingesaugt und wird das Einlassventil 83 geschlossen.
In der weiteren Bewegung wird nun das im Pumpraum vorhandene Gas komprimiert (aufgeladen). Umgekehrt zur Bewegung zwischen dem unteren Totpunkt und dem oberen Totpunkt werden, in im Wesentlichen derselben zweite Bewegungsposition, in der der obere abdichtende Rand des Kolbens 8 sich an dem Ausströmungsauslässen 72b vorbei bewegt, diese wieder zum Brennraum hin freigegeben. Der Auslass in den Abgasstrang wird also geöffnet und das verbrannte Gas (Abgas) strömt aus den Ausströmungsauslässen 72b in den Abgasstrang. Die Zylinderwandausströmungskanäle 70b öffnen sich bei einem Kurbelwinkel, der sich bei obigen Schließwinkel aus der verwendeten Geometrie ergibt.
In der weiteren Bewegung zwischen dem unteren Totpunkt und dem oberen Totpunkt werden, in im Wesentlichen derselben ersten Bewegungsposition, in der der obere abdichtende Rand des Kolbens 8 sich an den Überströmauslässen 72a vorbei bewegt, diese wieder zum Brennraum hin freigegeben. Das verdichtete (aufgeladene) Gas im Pumpraum 18 strömt also in den Brennraum 10 unter Verdrängung des Abgases ein. Beispielsweise öffnen sich die Zylinderwandüberströmungskanäle 70a bei einem Kurbelwinkel, der sich bei obigen Schließwinkel aus der verwendeten Geometrie ergibt.
Anschließend erreicht der Kolben wieder seinen unteren Totpunkt und bewegt sich, wie oben beschrieben zurück in Richtung des oberen Totpunkts.
In der zweiten Drehstellung des Kolbens liegt eine Überlappung der Zylinderwandströmungskanäle 70a, 70b mit den Kolbenströmungskanälen 60a, 60b je nach Bewegungsposition in der Längsrichtung des Kolbens vor. In der Bewegung des Kolbens 8 von seinem unterem Totpunkt UT zu seinem oberen Totpunkt OT werden wieder zuerst der Überströmauslässe 72a der Zylinderwandüberströmungskanäle als 70a vom Kolben überfahren und dadurch geschlossen. Dies findet aber im Vergleich zu der Situation, in der der Kolben in der ersten Drehstellung ist, zu einem späteren Zeitpunkt (einer bezüglich der ersten Bewegungsposition nach oben versetzten dritten Bewegungsposition) statt, da die Kolbenüberströmungskanäle 60a mit den Zylinderwandüberströmungskanälen 70a überlappen und somit länger ein Überströmen ermöglichen. Der gegenüber der Zylinderwand 6 dichtende Bereich (obere Rand) des Kolbens 8 ist durch die Kolbenüberströmungskanäle 60a hier also nach unten verschoben. Beispielsweise schließen die Zylinderwandüberströmungskanäle 70a in der zweiten Drehstellung 5 Grad früher als in der ersten Drehstellung.
In der weiteren Bewegung des Kolbens 8 nach oben schließt auch der Ausströmungsauslass 72b. Auch dies findet im Vergleich zu der Situation, in der der Kolben in der ersten Drehstellung ist, zu einem späteren Zeitpunkt (einer bezüglich der zweiten Bewegungsposition nach oben versetzten vierten Bewegungsposition) statt, da der Kolbenausströmungskanal 60b mit dem Zylinderwandausströmungskanal 70b überlappt und somit länger ein Ausströmen ermöglicht. Der gegenüber der Zylinderwand 6 dichtende Bereich (obere Rand) des Kolbens 8 ist durch den Kolbenausströmungskanal 60b hier also nach unten verschoben.
Umgekehrt wird in der Bewegung des Kolbens 8 von seinem oberen Totpunkt zu seinem unteren Totpunkt ein Ausströmen durch den Kolbenausströmungskanal 60b und den Zylinderwandausströmungskanal 70b in der vierten Bewegungsposition zu einem im Vergleich zur ersten Drehstellung früheren Kurbelwinkel ermöglicht. Auch das Überströmen durch die Kolbenüberströmungskanäle 60a und die Zylinderwandüberströmungskanäle 70a in der dritten Bewegungsposition wird zu einem im Vergleich zur ersten Drehstellung früheren Kurbelwinkel ermöglicht.
Es können also durch die Verstellung des Kolbens zwischen einer ersten Drehstellung und einer zweiten Drehstellung verschiedene Steuerzeiten realisiert werden.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Brennkraftmaschine beispielhaft mit einem Zylindervolumen von 85ccm, einem Bohrungsdurchmesser von 60mm, einem Hub s von 30mm, einem s/D Verhältnis (=Hub-Bohrungsverhältnis) von 0,5 ausgebildet. Weiterhin wird der UT bei 215 Grad Kurbelwinkel erreicht.
Es versteht sich von selbst, dass die genannten vier Bewegungspositionen jeweils den Übergang von geschlossen zu offen und umgekehrt bezeichnen und damit für beide Bewegungsrichtungen gelten.
Im Weiteren werden alternative Ausgestaltungen von Teilen der Hubkolbenbrennkraftmaschine beschrieben.
9 und 10 zeigen im Bereich des Kolbens 9 beispielhaft mögliche alternative Ausgestaltungen von Kolbenströmungskanälen 60a oder 60b. Wie ersichtlich ist, sind die Kolbenüberströmungskanäle in dieser Ausführungsform nicht als offene rinnenförmige Kanäle ausgebildet, sondern als geschlossene Kanäle, die sich in geschlossener Form zwischen einem Eingang und einem Ausgang erstrecken. Jeder der Kanäle weist also einen ersten Eingang bzw. Ausgang (je nach Funktion) in der Seitenwand des Kolbens auf, der zur Zylinderwand hin geöffnet ist. Weiter weiß jeder der Kanäle einen zweiten Eingang bzw. Ausgang (je nach Funktion) in dem Kolbenboden auf, der zum Brennraum hin geöffnet ist. Zwischen diesen Ein- und Ausgängen erstreckt der Kanal sich hier beispielhaft in Form eines Viertels eines Rings. Alternativ kann der Kanal auch geradlinig oder irgendwie anders geartet gestaltet sein.
Weiter zeigen 9 und 10 im unteren Bereich eine alternative Ausgestaltung der Kolbenstange 20 mit daran angebrachtem Pleuelverbindungsbauteil 40. Diese alternative Ausgestaltung ist unabhängig von der alternativen Ausgestaltung der Kanäle und hier zur zu Veranschaulichungszwecken gemeinsam gezeigt. In dieser Ausführungsform ist der Befestigungsbereich der Kolbenstange 20 für das Pleuelverbindungsbauteil 40 an ihrem unteren, dem Kolben 8 abgewandten Ende insgesamt ein Außengewindebereich 84. Das Pleuelverbindungsbauteil 40 weist ein entsprechendes Innengewinde 86, mit dem das Pleuelverbindungsbauteil 40 auf den Außengewindebereich 84 im Eingriff ist. Durch Verdrehen der Kolbenstange 20 relativ zum Pleuelverbindungsbauteil 40 wird also die Längsposition des Pleuelverbindungsbauteils 40 an der Kolbenstange 20 verstellt. In dieser Ausführungsform muss die erste Länge des hohlen Bereichs der Kolbenstange entsprechend der möglichen Verstellung des Pleuelverbindungsbauteils länger ausgebildet sein. Der Außengewindebereich 84 weist, um eine ausreichende Verstellung bei vollem Eingriff der Gewinde zu gewährleisten, eine Länge auf, die größer der Länge des Innengewindes 86 ist. Bevorzugt sind der Außengewindebereich 84 und das Innengewindes 86 so aufeinander abgestimmt, dass eine Verstellung von beispielsweise bevorzugt bis zu 0,1 mm bis 20 mm erreicht wird.
Die Verstellung erfolgt durch Verdrehen der Kolbenstange 20 mittels der Verstellvorrichtung, d.h. der oben beschriebenen Verstellstange 48 mit derem Antrieb. Eine Verstellung der Drehstellung des Kolbens 8 führt in dieser Ausführungsform also zwangsweise auch zu einer Verstellung der Längsposition des Pleuelverbindungsbauteils 40 an der Kolbenstange 20. Dies wiederum führt zu einer Verstellung des Verdichtungsverhältnisses (Verhältnis des Volumens des Brennraums beim unteren Totpunkt UT befindlichem Kolben zu dem Volumen des Brennraums beim oberen Totpunkt befindlichen Kolben). Die maximal eingeschraubt Position, d.h. wenn das Pleuelverbindungsbauteil 40 möglichst weit oben an der Kolbenstange 20 angeordnet ist, ist die Position mit dem größte Verdichtungsverhältnis. Umgekehrt ist die Position, an der das Pleuelverbindungsbauteil 40 möglichst weit unten an der Kolbenstange 20 angeordnet ist (bei noch sicher ineinandergreifenden Gewinden), die Position mit dem kleinsten Verdichtungsverhältnis.
Je nach Ausführungsform kann die Gewindesteigung so gewählt werden, dass eine Verstellung zwischen der ersten Drehstellung und der zweiten Drehstellung des Kolbens 8 im Wesentlichen nicht zu einer (oder nur zu einer sehr geringen) Verstellung des Verdichtungsverhältnisses führt und eine merkliche Verstellung des Verdichtungsverhältnisses nur durch beispielsweise ganzzahlige Umdrehungen der Kolbenstange 20 relativ zum Pleuelverbindungsbauteil 40 vorgenommen wird.
Statt dem Vorsehen eines Innengewindes am Pleuelverbindungsbauteil und eines darin eingreifenden Außengewindes an der Kolbenstange können auch, wie es beispielhaft in 11 gezeigt ist, ein oder mehrere Führungsbolzen 120 oder Führungsvorsprünge, die von der Kolbenstange 20 radial nach außen vorstehen, und entsprechend ein oder mehrere Führungsnuten 122 im Pleuelverbindungsbauteil 40 oder umgekehrt vorgesehen sein. Die Führungsnuten 122 haben bevorzugt einen stufenförmigen Verlauf, dem der entsprechende darin eingesetzte Führungsbolzen 120 folgt. Durch die Führungsnut 122 kann eine gegenüber einem Standardgewinde größere Verstellung des Pleuelverbindungsbauteils an der Kolbenstange in deren Längsrichtung mit Bezug den Winkel, um den die Kolbenstange gedreht wird, erreicht werden. Durch den stufenförmigen Verlauf kann bevorzugt eine vollständige Selbsthemmung erreicht werden, so dass ein selbstständiges Rückdrehen vermieden wird. Des Weiteren erläutert der stufenförmige Verlauf ein Verstellen der Drehstellung des Kolbens bei gleichbleibendem Verdichtungsverhältnis. Bevorzugt können zur weiteren Absicherung gegen ungewolltes Rückdrehen an den Rändern der Stufen Wulste 124 vorgesehen sein, die der Führungsbolzen 120 überlaufen muss, bevor er sich auf die darunter liegende Stufe bewegt.
In einer weiteren in 11 gezeigten Ausgestaltung endet die Kolbenstange an ihrer Unterseite in einem zahnförmigen Berührbereich 126 und hat das Pleuelverbindungsbauteil 40 auf der der Kolbenstange 20 zugewandten Seite einen Berührbereich 130 mit einer dazu bevorzugt komplementären Form. Der Berührbereich 126 der Kolbenstange 20 bildet in dieser Ausführungsform das untere Ende der Kolbenstange 20 und ist derart ausgebildet, dass die Kolbenstange 20 an verschiedenen Umfangspositionen verschiedene Längen in der Längsrichtung hat. Die dem Pleuelverbindungsbauteil 40 zugewandte Oberfläche des Berührbereichs liegt somit in verschiedenen Ebenen senkrecht zu der Längsrichtung der Kolbenstange 20.
In der in 12 gezeigten Ausführungsform weist das Pleuelverbindungsbauteil 40 einen zentralen rohrförmigen (muffenförmigen) Bereich 128 auf. Auf der Innenseite des rohrförmigen Bereichs 128 ist der auf die Innenseite vorstehende Berührbereich 130 vorgesehen, mit dem der Berührbereich 126 der in den rohrförmigen Bereich 128 eingesteckten Kolbenstange 20 wenigstens teilweise in Berührung kommt. Die der Kolbenstange 20 zugewandte Oberfläche des Berührbereichs 130 liegt somit in verschiedenen Ebenen senkrecht zu der Längsrichtung der Kolbenstange 20. Der Innendurchmesser des zentralen röhrenförmigen Bereichs 128 ist in seinem oberen Bereich, in dem der Berührbereich 130 nicht vorgesehen ist, so bemessen, dass das untere Ende der Kolbenstange 20 einsteckbar und darin drehbar ist, wohingegen der Innendurchmesser des Berührbereichs 130 zumindest abschnittsweise kleiner als der der Kolbenstange 20 ist. Die Konturen der Berührbereiche 126 und 130 sind so ausgebildet, dass es bevorzugt wenigstens eine Position gibt, in der das untere Ende der Kolbenstange 20, d.h., der Berührbereich 126 vollständig (mehr oder weniger lückenlos) auf dem Berührbereich 130 über den gesamten Umfang zum liegen kommt (vollständige Verzahnung). Zumindest muss die Kontur so ausgebildet sein, dass ein Grad der Verzahnung (Überlappung in Umfangsrichtung gesehen) der Berührbereiche 126, 130 durch Drehen der Kolbenstange 20 um seine Längsachse variiert werden kann. Im normalen Betrieb des Motors wird die Kolbenstange 20 immer auf das Pleuelverbindungsbauteil 40 gedrückt.
In einer nicht dargestellten Alternative ist das Pleuelverbindungsbauteil 40 so ausgebildet, dass das untere Ende der Kolbenstange 20 direkt auf einem entsprechend konturierten oberen Rand des Pleuelverbindungsbauteils 40 zum Liegen kommt. In einer solchen Alternative wird die Kolbenstange somit nicht in das Pleuelverbindungsbauteil eingesteckt und ist kein Berührbereich, der nach innen vorsteht, in dem Pleuelverbindungsbauteil vorgesehen. Entsprechend weist auch das Pleuelverbindungsbauteil 40 an verschiedenen Umfangspositionen verschiedene Höhen/Längen in der Längsrichtung auf.
Durch die komplementäre bzw. aufeinander abgestimmte Form der Berührbereiche können die Kolbenstange und das Pleuelverbindungsbauteil in einer ersten Endposition (oberster Angriffspunkt des Pleuelverbindungsbauteils an der Kolbenstange) mit einem ersten Grad ineinandergreifen. Wird nun die Kolbenstange verdreht, wird der Eingriff bzw. die Überlappung der Bauteile senkrecht zu der Längsrichtung bzw. in Umfangsrichtung gesehen unter gleichzeitiger Bewegung der Kolbenstange vom Pleuelverbindungsbauteil weg verringert oder ganz aufgehoben. Hierdurch wird die Position des Pleuelverbindungsbauteils an der Kolbenstange nach unten verschoben. Je nach Grad der Verdrehung bezüglich der Eingriffsposition, in der beide Bauteile vollständig oder möglichst weit ineinandergreifen, können somit unterschiedliche Positionen erreicht werden. Gleichzeitig können aufgrund des unmittelbaren Kontaktes zwischen Kolbenstange und Pleuelverbindungsbauteil hohe Kräfte zwischen denselben übertragen werden.
Bei der in 12 gezeigten Ausführungsform ist ein Abheben der Kolbenstange vom Pleuelverbindungsbauteil möglich. Um dies zu verhindern kann, wie es in 13 gezeigt ist, die Kolbenstange 20 in ihrer Relativbewegung zu dem Pleuelverbindungsbauteil 40 an demselben geführt sein, so dass ein Abheben der Kolbenstange verhindert wird. In der in 8 gezeigten Ausführungsform wird dies dadurch realisiert, dass die Kolbenstange 20 einen innerhalb des Berührbereichs 126 der Kolbenstange 20 nach unten vorstehenden Bereich 132 mit einem Außendurchmesser aufweist, der kleiner als der Innendurchmesser des Berührbereichs 130 des Pleuelverbindungsbauteils 40 ist. An diesem nach unten vorstehenden Bereich 132 ist ein radial nach außen vorstehender Führungsvorsprung 134 vorgesehen. Für diesen weist das Pleuelverbindungsbauteil 40 in seinem unteren Bereich (unterhalb des Berührbereichs 130) eine Führungsnut 136 auf. Die Führungsnut 136 ist in der Wand des Pleuelverbindungsbauteils 40 so ausgebildet, dass der Führungsvorsprung 134 darin entsprechend der durch die Berührbereiche 126, 130 vorgegebenen Bewegungsbahn beim Verdrehen der Kolbenstange 20 zu dem Pleuelverbindungsbauteil 40 geführt wird. Durch den Führungsvorsprung 134 werden bevorzugt im Wesentlichen nur Kräfte aufgenommen, die die Kolbenstange 20 von dem Pleuelverbindungsbauteil 40 zu entfernen versuchen, wohingegen durch die Berührbereiche die zwischen diesen wirkenden Druckkräfte aufnehmen.
Neben den dargestellten Mechanismen können auch alternative, nicht gezeigte Mechanismen zum Einsatz kommen, bei denen die Verstellung des Angriffspunktes des Pleuelverbindungsbauteils bzw. der Pleuel an der Kolbenstange beispielsweise durch aufeinander gleitende schräge, stufenförmige, wellige oder irgendwie geartete Ebenen, Verzahnungen, oder Berührungsbereiche sichergestellt wird. Zur Verhinderung einer ungewollten Rückstellung und/oder zur Sicherstellung, dass im stationären Betrieb nicht dauerhaft Rückstellkräfte auf die Verstellstange wirken, können auch Klemmmechanismen oder das Vorsehen einer erhöhten Reibung zur Anwendung kommen.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
Die hier verwendeten Begriffe „ungefähr“, „etwa“, „circa“, „im Wesentlichen“ oder „im Allgemeinen“, die in Zusammenhang mit einem messbaren Wert wie beispielsweise einem Parameter, einer Menge, einer Form, einer zeitlichen Dauer oder dergleichen verwendet werden, schließen Abweichungen oder Schwankungen von ± 10% oder weniger, vorzugsweise :L 5% oder weniger, weiter vorzugsweise ± 1% oder weniger und weiter vorzugsweise ± 0,1% des jeweiligen Wertes oder von dem jeweiligen Wert mit ein, sofern diese Abweichungen bei der Umsetzung der offenbarten Erfindung in die Praxis noch technisch sinnvoll sind. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass der Wert, auf den sich der Begriff „ungefähr“ bezieht, als solcher ausdrücklich und im Besonderen offenbart ist. Die Angabe von Bereichen durch Anfangs- und Endwerte umfasst all diejenigen Werte und Bruchteile dieser Werte, die von dem jeweiligen Bereich eingeschlossen sind, wie auch dessen Anfangs- und Endwerte.
Bezugszeichenliste

2: Hubkolbenbrennkraftmaschine
3: Motorblock
4: Zylinder
6: Zylinderwand
8: Kolben
10: Brennraum
12: Zylinderkopf
14: Zündkerze
15: Einspritzdüse
16: Pumpraumgehäuse
18: Pumpraum
20: Kolbenstange
22: Wand
24: Doppelkurbeltrieb
26: Dichtmittel
28: Kurbeltriebgehäuse
30: Kurbel
32: Kurbelscheibe
34: Kurbelwelle
36: Pleuelzapfen
38: Befestigungsbereich
39: Außengewindebereich
40: Pleuelverbindungsbauteil
41: Ansatz
42: Pleuel
44: Verbindungsbolzen
46: Kolbenverdrehvorrichtung
48: Verstellstange
50: Verstellstangenlagerung
52: Aktuator
54, 56: Zahnrad
58: Wand
60a: Kolbenüberströmungskanal
60b: Kolbenausströmungskanal
62a: Eingang
62b: Ausgang
64a: Ausgang
64b: Eingang
66: Kolbenboden
70a: Zylinderwandüberströmungskanal
70b: Zylinderwandausströmungskanal
72a: Überströmungsauslass
72b: Ausströmungsauslass
74a: Überströmungseinlass
74b: Auslass
75: Abgasstrang
76: Kolbenhemd
83: Einlassventil
84: Außengewindebereich
86: Innengewinde
120: Führungsbolzen
122: Führungsnut
124: Wulst
126: Berührbereich
128: rohrförmiger Bereich
130: Berührbereich
132: vorstehender Bereich
134: Führungsvorsprung
136: Führungsnut

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10247196 B4 [0002]
DE 102015013489 A1 [0005]

Claims

Hubkolbenbrennkraftmaschine (2) mit mindestens einem Zylinder (4) mit einer Zylinderwand (6), einem Kolben (8), der in dem Zylinder (6) entlang einer Bewegungsachse bewegbar ist, wobei von der Zylinderwand (6) und dem Kolben (8) oberhalb des Kolbens (8) mindestens ein Teil eines Brennraums (10), in dem ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff unter Erzeugung einer Expansion eines Brenngases verbrennbar ist, ausgebildet ist, einer auf der von dem Brennraum (10) abgewandten Seite des Kolbens (8) am Kolben (8) angebrachten oder ausgebildeten Kolbenstange (20), und einem Doppelkurbeltrieb (24) mit zwei gegensinnig mit gleicher Drehzahl drehenden Kurbeln (30), die jeweils über ein Pleuel (50, 52) mit einem Pleuelverbindungsbauteil (40) verbunden sind, welches mit der Kolbenstange (20) verbunden ist, so dass der Kolben mit dem Doppelkurbeltrieb derart gekoppelt ist, dass der Kolben bei Drehung des Doppelkurbeltriebes um 360 Grad Kurbelwinkel von einem oberen Totpunkt (OT) zu einem unteren Totpunkt (UT) und wieder zu dem oberen Totpunkt (OT) zurück bewegt wird, und einer Kolbenverdrehvorrichtung (46), mit der der Kolben (8) relativ zu dem Zylinder (4) um die Bewegungsachse des Kolbens (8) zwischen mindestens einer ersten Drehstellung und mindestens einer zu der ersten verschiedenen zweiten Drehstellung verdrehbar ist, bei der der Kolben (8) mindestens einen Kolbenströmungskanal (60a, 60b) aufweist, der sich zwischen einem seitlichen Öffnungsbereich (62a, 62b) zur Zylinderwand (6) und einem Öffnungsbereich (64a, 64b) in den Brennraum (10) oder einen Raum (18) auf der dem Brennraum (10) abgewandten Seite des Kolbens erstreckt, in der Zylinderwand (6) mindestens ein Zylinderwandströmungskanal (70a, 70b), der sich zwischen einem ersten Ein- oder Auslass (72a, 72b) in den oder aus dem Zylinderinnenraum und einem zweiten Ein- oder Auslass (76a, 76b) erstreckt, ausgebildet ist, und in der mindestens einen ersten Drehstellung des Kolbens (8) keine zumindest teilweise Überlappung, gesehen in radialer Richtung des Kolbens (8), zwischen dem seitlichen Öffnungsbereich (62a, 62b) des Kolbenströmungskanals (60a, 60b) und dem ersten Ein- oder Auslass (72a, 72b) des Zylinderwandströmungskanals (70a, 70b) unabhängig von der Position des Kolbens zwischen dem oberen Totpunkt (OT) und dem unteren Totpunkt (UT) vorliegt, und in der mindesten einen zweiten Drehstellung eine zumindest teilweise Überlappung, gesehen in radialer Richtung des Kolbens (8), zwischen dem seitlichen Öffnungsbereich (62a, 62b) des Kolbenströmungskanals (60a, 60b) und dem ersten Ein- oder Auslass (72a, 72b) des Zylinderwandströmungskanals (70a, 70b) an mindestens einer Position des Kolbens (8) zwischen dem oberen Totpunkt (OT) und dem unteren Totpunkt (UT) vorliegt.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, bei der der mindestens eine Kolbenströmungskanal einen Kolbenüberströmungskanal (60a) aufweist ist, dessen seitlicher Öffnungsbereich als ein zu der Zylinderwand (6) hin geöffneter Eingang (62a) in den Kolbenüberströmungskanal (60a) ausgebildet ist und der einen Ausgang (64a) zum Brennraum in der Wand des Kolbens (8) aufweist, die den Brennraum (10) definiert, der mindestens eine Zylinderwandströmungskanal einen Zylinderwandüberströmungskanal (70a) aufweist, bei dem der erste Ein- oder Auslass als Überströmungsauslass (72a) zum Auslassen von Gas aus dem Zylinderwandüberströmungskanal (70a) und der zweite Ein- oder Auslass als Überströmungseinlass (74a) zum Einlassen von Gas in den Zylinderwandüberströmungskanal (70a) aufweist, und der Kolbenüberströmungskanal (60a) und der Zylinderwandüberströmungskanal (70a) so ausgebildet sind, dass in der mindestens einen zweiten Drehstellung bei zumindest teilweiser Überlappung, gesehen in radialer Richtung des Kolbens (8), des Eingangs (62a) des Kolbenüberströmungskanals (60a) oder eines Teils des Kolbenüberströmungskanals (60a) mit mindestens dem Überströmungsauslass (72a) des Zylinderwandüberströmungskanals (70a) oder einem Teil des Zylinderwandüberströmungskanals (70a) ein Überströmen von Gas aus einem Ansaugtrakt in den Brennraum (10) durch den Kolbenüberströmungskanal (60a) und den Zylinderwandüberströmungskanal (70a) möglich ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 2, bei der der Zylinderwandüberströmungskanal (70a) so ausgebildet sind, dass in der ersten Drehstellung des Kolbens (8) ein Überströmen von Gas aus dem Ansaugtrakt in den Brennraum (10) mindestens bei um unteren Totpunkt befindlichen Kolben (8) möglich ist und bezogen auf die Bewegung des Kolbens vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt später erfolgt als in der mindesten einen zweiten Drehstellung.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Anspruch 1 bis 3, bei der der mindestens eine Kolbenströmungskanal einen Kolbenausströmungskanal (60b) aufweist, dessen seitlicher Öffnungsbereich zur Zylinderwand als ein zu der Zylinderwand hin geöffneter Ausgang (62b) aus dem Kolbenausströmungskanal (60b) ausgebildet ist und der einen Eingang (64b) zum Brennraum (10) in der Wand des Kolbens (8) aufweist, die den Brennraum (10) definiert, der mindestens eine Zylinderwandströmungskanal einen Zylinderwandausströmungskanal (70b) aufweist, bei dem der erste Ein- oder Auslass als ein in den Zylinderinnenraum geöffneter Ausströmungsauslass (72b) in der Zylinderwand (6) ausgebildet ist und der zweite Ein- oder Auslass als Auslass (74b) in einen Abgasstrang (38) ausgebildet ist, und der Kolbenausströmungskanal (60b) und der Zylinderwandausströmungskanal (70b) so ausgebildet sind, dass in der mindestens einen zweiten Drehstellung bei zumindest teilweiser Überlappung, gesehen in radialer Richtung des Kolbens (6), des Ausgangs (62b) des Kolbenüberströmungskanals (60b) oder eines Teils des Kolbenausströmungskanals (60b) mit mindestens dem Ausströmungsauslass (72b) des Zylinderwandausströmungskanals (70b) oder einem Teil des Zylinderwandausströmungskanals (70b) ein Ausströmen von Gas aus dem Brennraum (10) in den Abgasstrang (75) durch den Kolbenausströmungskanal (60b) und den Zylinderwandausströmungskanal (70b) möglich ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 4, bei der der Zylinderwandausströmungskanal (70b) so ausgebildet sind, dass in der ersten Drehstellung des Kolbens (8) ein Ausströmen von Gas aus dem Brennraum (10) in den Abgasstrang (75) mindestens bei um unteren Totpunkt befindlichen Kolben (8) möglich ist und bezogen auf die Bewegung des Kolbens (8) vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt später erfolgt als in der mindestens einen zweiten Drehstellung.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der die Zylinderwandströmungskanäle (70a, 70b) und die Kolbenströmungskanäle (60a, 60b) so ausgebildet sind, dass in mindestens einer zweiten Drehstellung des Kolbens (8) sowohl die Überlappung des Kolbenausströmungskanals (60b) und des Zylinderwandausströmungskanals (70b) als auch die Überlappung des Kolbenüberströmungskanals (60a) und des Zylinderwandüberströmungskanals (70a) vorliegt, und/oder die Zylinderwandströmungskanäle (70a, 70b) und die Kolbenströmungskanäle (60a, 60b) so ausgebildet sind, dass in mindestens einer zweiten Drehstellung des Kolbens (8) nur eine von der Überlappung des Kolbenausströmungskanals (60b) und des Zylinderwandausströmungskanals (70b) und der Überlappung des Kolbenüberströmungskanals (60a) und des Zylinderwandüberströmungskanals (70a) vorliegt.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 6, bei der das Pleuelverbindungsbauteil (40) an der Kolbenstange (20) längsfest entlang der Bewegungsachse der Kolbenstange (20) aber frei um die Bewegungsachse drehbar gelagert ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Position des Pleuelverbindungsbauteils (64) an der Kolbenstange (20) in Längsrichtung derselben durch Drehen der Kolbenstange (20) um ihre Längsachse relativ zu dem Pleuelverbindungsbauteil (64) zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses veränderbar ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 8, bei der die Verstellung des Verdichtungsverhältnisses durch ganzzahlige Umdrehungen der Kolbenstange (20) ausgehend von der ersten oder zu der ersten verschiedenen Drehstellung erfolgt.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Kolbenverdrehvorrichtung (46) aufweist eine Verstellstange (48) zum Verdrehen der Kolbenstange (20), und einen Aktuator (52) zum Verdrehen der Verstellstange (48), und das dem Kolben (8) abgewandten Ende der Kolbenstange (20) über eine Länge, die größer dem Kolbenhub ist, hohl ausgebildet ist, und die Verstellstange (48) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass ihr dem Kolben (8) zugewandtes Ende in dem hohlen Ende der Kolbenstange (20) aufgenommen wird und in der Kolbenstange (20) in der Längsrichtung der Verstellstange (48) bewegbar und um die Bewegungsachse der Kolbenstange drehfest gelagert ist, so dass eine Rotation der Verstellstange (48) um die Bewegungsachse zu einer Rotation der Kolbenstange (20) relativ zu dem Pleuelverbindungsbauteil (40) führt, und die Verstellstange (48) mittels des Aktuators (52) verdrehbar ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der der Zylinderwandüberströmungskanal (70a) als ein zum Zylinderinnenraum zumindest teilweise offener rinnenförmiger Kanal ausgebildet ist, mit dem Überströmungseinlass (74a) unterhalb des zur Abdichtung gegenüber der Zylinderwand (6) vorgesehen Kolbenbereichs bei im unteren Totpunkt befindlichen Kolben (8) und mit dem Überströmungsauslass (72a) oberhalb des zur Abdichtung gegenüber der Zylinderwand (6) vorgesehen Kolbenbereichs bei im unteren Totpunkt befindlichen Kolben (8), oder der Zylinderwandüberströmungskanal (70a) ein geschlossener Kanal ist, mit dem Überströmungseinlass (74a) unterhalb des zur Abdichtung gegenüber der Zylinderwand (6) vorgesehen Kolbenbereichs bei im unteren Totpunkt befindlichen Kolben (8), und mit dem Überströmungsauslass (72a) oberhalb des zur Abdichtung gegenüber der Zylinderwand vorgesehen Kolbenbereichs bei im unteren Totpunkt befindlichen Kolben (8).
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der der Kolbenüberströmungskanal (60a) als offener rinnenförmiger Kanal ausgebildet ist, der sich in der Kolbenseitenwand ausgehend von dem dem Brennraum (10) zugewandten Kolbenboden (66) über nur einen Teil der Seitenwand des Kolbens (8) erstreckt, mit dem Eingang (62a) unterhalb des übrigen zur Abdichtung gegenüber der Zylinderwand (6) vorgesehen Kolbenbereichs, oder der Kolbenüberströmungskanal (60a) ein geschlossener Kanal ist, der sich ausgehend von dem dem Brennraum (10) zugewandten Kolbenboden (66) durch den Kolben (8) erstreckt und in die Seitenwand des Kolbens (8) öffnet, mit dem Eingang (62a) unterhalb des übrigen zur Abdichtung gegenüber der Zylinderwand (6) vorgesehen Kolbenbereichs.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der von der Zylinderwand (8) und dem Kolben (8) auf der dem Brennraum abgewandten Seite des Kolbens (8) wenigstens ein Teil eines Pumpraums (18) ausgebildet ist, der in der Bewegung des Kolbens vom unteren Totpunkt (UT) zum oberen Totpunkt (OT) mit Luft gefüllt wird und in dem die Luft in der Bewegung vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT) komprimiert wird, die Kolbenstange (20) sich durch den Pumpraum (18) entlang der Bewegungsachse des Kolbens erstreckt und abgedichtet durch eine Wand (22) des Pumpraums (18) geführt ist, und der Doppelkurbetrieb unterhalb der Durchführung durch die Wand (22) des Pumpraums (18) vorgesehen ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 13, soweit auf Anspruch 2 rückbezogen, bei der der Überströmungseinlass (74a) in den Pumpraum (18) geöffnet ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 13 oder 14, bei der der Kolben (8) auf der Seite des Pumpraums (18) einen Kolbenhemdbereich (76) aufweist, der so ausgebildet ist, dass er den Ausströmungsauslass (72b) gegenüber dem Pumpraum (18) bei im oberen Totpunkt befindlichen Kolben (8) sowohl in der mindestens einen ersten als auch der mindestens einen zweiten Drehstellung abdichtet.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei der der Ausströmungsauslass (72b) so angeordnet ist, dass er von einem Kolbenseitenwandbereich unabhängig von der Drehstellung des Kolbens (8) während eines großen Teils von dessen Bewegung zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt verschlossen wird und nur in einem Bereich der Kolbenbewegung um den unteren Totpunkt für ein Ausströmen von Gas aus dem Brennraum (10) freigegeben wird, und/oder der Kolbenüberströmungskanal (60a) und der Zylinderwandüberströmungskanal (70a) nur im Bereich der Kolbenbewegung um den unteren Totpunkt in Überlappung bringbar sind und in diesem Bereich der Kolbenbewegung der Überströmungsauslass (72a) je nach Drehstellung und Längsposition des Kolbens direkt zum Brennraum und/oder in den Kolbenüberströmungskanal geöffnet ist und der Überströmungseinlass (74a) unterhalb des Kolbens zum Pumpraum geöffnet ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 13 bis 16, die weiter aufweist ein Einlassventil (83) in einem Lufteinlass in dem Pumpraum (18) zum Einlassen von Gas in den Pumpraum, wobei die Hubkolbenbrennkraftmaschine derart ausgebildet ist, dass in einer Bewegung des Kolbens (8) von dem unteren Totpunkt zu dem oberen Totpunkt nach dem Schließen des Zylinderwandüberströmungskanals (70a) Gas durch das Einlassventil (83) in dem Pumpraum (18) gelangt und nach dem Schließen des Ausströmungsauslasses (2b) Gas im Brennraum (10) komprimiert wird, in der weiteren Bewegung des Kolbens (8) bei im Bereich des oberen Totpunkts befindlichen Kolben das Gas gezündet wird, der Kolben (8) unter Expansion des Gases in Richtung des unteren Totpunktes bewegt wird, wobei in der Abwärtsbewegung das Gas im Pumpraum (18) bei geschlossenem Einlassventil (83) komprimiert wird, und in der weiteren Bewegung nach unten der Ausströmungsauslass (72b) geöffnet wird und das Gas aus dem Brennraum (10) ausströmt und in der weiteren Bewegung nach unten der Zylinderwandüberströmungskanal (70a) geöffnet wird und das im Pumpraum (18) komprimierte Gas in den Brennraum (10) einströmt und das Abgas aus diesem herausspült, wobei durch Veränderung der Drehstellung des Kolbens (8) ein Zeitpunkt, zu dem das Abgas aus dem Brennraum (10) in den Abgasstrang strömt und/oder ein Zeitpunkt, zu dem das Gas aus dem Pumpraum (18) in den Brennraum (10) strömt, verstellbar ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 15, soweit auf Anspruch 2 zurückbezogen, bei der der Kolbenüberströmungskanal (60a) und/oder der Zylinderwandüberströmungskanal (70a) mindestens teilweise in dem jeweiligen Bereich, der zum Überströmen in den jeweils anderen Bereich mit dem jeweils anderen Bereich in Überlappung gebracht werden kann, als schräg zur Bewegungsrichtung des Kolbens (8) verlaufender Schlitz ausgebildet ist, so dass ausgehend von einer mittleren Drehstellung des Kolbens (8) um seine Bewegungsachse eine Verstellung auf ein Überströmen zu einem früheren oder späteren Zeitpunkt einstellbar ist, und/oder der Kolbenausströmungskanal (60b) und der Zylinderwandausströmungskanal (70b) mindestens teilweise in dem jeweiligen Bereich, der zum Ausströmen in den jeweils anderen Bereich mit dem jeweils anderen Bereich in Überlappung gebracht werden kann, als schräg zur Bewegungsrichtung des Kolbens (8) verlaufender Schlitz ausgebildet ist, so dass ausgehend von einer mittleren Drehstellung des Kolbens (8) um seine Bewegungsachse eine Verstellung auf ein Ausströmen zu einem früheren oder späteren Zeitpunkt einstellbar ist.