DE69628845T2 - Schwimmende kolben, zylindermaschine - Google Patents

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B41/00Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Erfindungsaebiet
  • Die Erfindung ist ein neuer Innenverbrennungsmotor, der die Bildung von NOx reduziert und den Kraftstoffenergie-Verwendungswirkungsgrad erhöht. Das primäre Gebiet der Anmeldung sind Kraftfahrzeugmotoren.
  • Der Stand der Technik
  • Die wachsende Verwendung an Fahrzeugen trägt im großen Maße zum Vorhandensein verschiedener Verschmutzungsstoffe in der Atmosphäre einschließlich Oxiden von Stickstoff und Treibgasen wie beispielsweise Kohlendioxid bei. Innenverbrennungsmotoren, die in Personenfahrzeugen verwendet werden, haben etwa einen Durchschnittswert von 15% eines Wärmewirkungsgrads im Stadtverkehr und Spitzenwirkungsgrade von etwa 35%. Selbst wenn man den Spitzenwirkungsgrad betrachtet, scheiden aktuelle Motoraufbauten beinahe zwei Drittel der zugeführten Wärmeenergie über das Motorkühlsystem oder die Abgase wird aus.
  • Die im Kraftstoff enthaltene chemische Energie wird in Wärmeenergie umgewandelt, wenn sie in einem Motor verbrannt wird. Da diese Verbrennung in einem geschlossenen Raum (der Brennkammer des Motors) stattfindet, führt die gestiegene Temperatur der Verbrennungsgase (und in einigen Fällen die erhöhte Anzahl von Molen Verbrennungsgase, verglichen mit den Reaktionspartnern) zu einem erhöhten Druck des Systems. Wenn sich das Volumen der Brennkammer ausdehnt, z. B. sich der Kolben bewegt, wird eine Arbeit durchgeführt. Die aus der Verbrennung resultierende erhöhte Temperatur, die erfolgt, bevor der Kolben seine schnelle Expansion startet, führt zur Oxidation von atmosphärischen Stickstoff, um NOx zu bilden.
  • Die Eigenschaften der herkömmlichen Motoren führen dazu, dass viel von der verfügbaren Wärmeenergie über drei Wege vergeudet wird. Als erstes wird die Brennkammer durch eine Flüssigkeit oder Luft gekühlt, womit der Druck und das Arbeitspotential reduziert werden. Als zweites expandiert der Expansionsvorgang nicht vollständig, um voll und ganz den Druck der Brennkammer zu verwenden, da das Expansionsverhältnis für gewöhnlich vom Kompressionsverhältnis eingeschränkt wird. Als drittes verbleibt viel Wärme im Abgas.
  • Das US-Patent Nr. 1 564 009 offenbart einen Kolbenventilmotor derselben Art wie die im Oberbegriff des Anspruchs 1 dargelegte.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, den Wirkungsgrad der Kraftstoffverwendung für Automobil- Kraftübertragungswege bedeutend zu verbessern, während dennoch geringe Pegel einer NOx-Emission erreicht werden.
  • Die vielen Nachteile von herkömmlichen Innenverbrennungsmotoren, denen die gegenwärtige Erfindung begegnet, sind: (1) die hohen Temperaturen der Verbrennung bilden Stickstoffoxide und fördern den Verlust der Wärmeenergie an die Brennkammernwände und an die Motorkühlung (womit der Kraftstoffwirkungsgrad reduziert wird); (2) der mit den Spitzenbrenntemperaturen verknüpfte hohe Druck erzeugt große Spitzenkräfte an den Brennkammerwänden, die die strukturellen Aufbauerfordernisse bedingen, und dies beeinflusst unmittelbar die Motorkosten; diese Kräfte wirken auch auf (den) die Kolben (eine der Brennkammernwände), womit verschiedene strukturelle Aufbauerfordernisse der Lager vorgegeben und solchermaßen die Lagergröße direkt beeinflusst wird (ansteigende Kosten und Reibungsverlust); (3) die Tellerventile, die verwendet werden, um das Ansaugen der Luft und das Ablassen der Abgase zu regeln, sind teuer, erzeugen Einschränkungen in Bezug auf den Fluss der Gase (und senken solchermaßen den Motorwirkungsgrad), öffnen sich nach innen zur Brennkammer hin und sind solchermaßen schwer zu kühlen, womit sie Motorentwürfe mit reduziertem Wärmeverlust erschweren (für gewöhnlich die beschränkenden Komponente); und (4) die feste Geometrie herkömmlicher Kolbenmotoren erschwert das Erzielen eines höheren Expansionsverhältnisses als ein Kompressionsverhältnis (für den verbesserten Wirkungsgrad).
  • Entsprechend stellt die vorliegende Erfindung einen verbesserten Triebstrang zum Antreiben der Antriebsräder eines Fahrzeugs bereit, der aufgebaut ist, um die oben erwähnten Nachteile zu überwinden. Der verbesserte Triebstrang der vorliegenden Erfindung schließt einen Motor ein, der mindestens einen Arbeitszylinder mit einem Arbeitskolben hat, der für die Hin- und Herbewegung darin angebracht ist. Der Arbeitskolben wird auf eine herkömmliche Weise mit einer Kurbelwelle verbunden, damit die Hin- und Herbewegung des Arbeitskolbens in eine Drehung der Kurbelwelle übertragen wird, die wiederum auf eine herkömmliche Art und Weise an die Antriebsräder des Fahrzeugs übertragen wird. Für das Zuführen des Kraftstoffs in eine innerhalb des Arbeitszylinders befindliche Brennkammer werden Vorkehrungen getroffen, und zwar für bestimmte Ausführungsformen an einer Seite des Arbeitskolbens. Einlass- und Auslassventile in Fluidverbindung mit der Brennkammer dienen jeweils dazu, das Ansaugen von Luft während eines Ansaughubs des Arbeitskolbens und das Ablassen von Verbrennungsprodukten während eines Ablasshubs des Arbeitskolbens zu erlauben. Ein schwimmender Kolben verschließt zumindest teilweise die Brennkammer gegenüber dem Arbeitskolben und wird für die Hin- und Herbewegung relativ zur Brennkammer angebracht. Die Hin- und Herbewegung des schwimmenden Kolbens schließt einen Druckablasshub ein, in dem sich der schwimmende Kolben als Reaktion auf einen durch die Verbrennung innerhalb der Brennkammer erzeugten vorbestimmten Druck von der Brennkammer wegbewegt, um den Spitzenbrenndruck und die Temperatur zu reduzieren.
  • Wahlweise ist ein Nockenmechanismus für die Steuerung von zumindest der Stellung des schwimmenden Kolbens während eines Abschnitts des Betriebszyklus eingeschlossen. In solchen Ausführungsformen liegt eine Federvorrichtug zwischen dem Nockenmechanismus und dem schwimmenden Kolben, um den Spitzenbrenndruck zu absorbieren, und eine Haltevorrichtung wird am schwimmenden Kol-ben, wahlweise mittels der Federvorrichtung, befestigt, um mit dem Nockenmechanismus in Eingriff zu treten. In diesen Ausführungsformen dient der schwimmende Kolben als ein Ventilmechanis mus, um die Ansaug- und Ablassöffnung der Brennkammer abwechselnd abzudecken und freizugeben.
  • In einer anderen Ausführungsform schließt die Erfindung einen Hilfszylinder ein, der den schwimmenden Kolben unterbringt und der mit der Brennkammer in Fluidverbindung steht. In dieser letzteren Ausführungsform wird der schwimmende Kolben starr an einem Pumpenkolben befestigt, der sich innerhalb eines Pumpengehäuses hin- und herbewegt, damit ein Fluiddruck abgelassen wird, der z. B. verwendet werden kann, um für eine Servovorrichtung zu sorgen.
  • Die Terminologie "Federstahl" und "Federmittel", wie hierin verwendet, ist eine Verallgemeinerung für ein Mittel zum "augenblicklichen" Reagieren/Antworten auf den mit der Verbrennung verknüpften schnellen Druckanstieg, wenn man dies mit der langsameren Bewegung des Kolbens auf festgelegter Bahn vergleicht.
  • Beiläufig fängt die Verbrennung für gewöhnlich an, bevor der Kolben seine obere Totpunkt-(TDC)-Stellunn im Kompressionshub erreicht, und der Höchstdruck erfolgt unmittelbar nach dem TDC, jedoch bevor der Kolben seine schnelle Bewegung nach unten im Expansions- oder Arbeitshub beginnt. Die langsamste Änderungsrate der Brennkammer oder des Systemvolumens erfolgt nahe am Kolben-TDC und dem unteren Totpunkt (BDC). Die schnellste Änderungsrate des Systemsvolumen erfolgt bei 90° nach dem TDC und 90° vor dem TDC. Solchermaßen wird der Druckanstieg vorher erfolgen und er muss erhalten bleiben, bis der Kolben und der Kurbelmechanismus "bereit" sind, um das Expansionsverfahren zu beginnen.
  • Der "Federstahl" beginnt damit, die Energie der Expansion "sofort" zu absorbieren, wenn der Brenndruck einmal über einen eingestellten Wert steigt, der höher als der Brenndruck ist. Diese absorbierte Energie wird entweder direkt verwendet oder freigegeben, wenn der Kolben mit seiner schnellen Expansion beginnt, und wird mittels des herkömmlichen Expansionsverfahren als erhöhte Wellenleistung wiedergewonnen.
  • Durch das "sofortige" Expandieren der Verbrennungsgase sind, wenn der Brennvorgang erfolgt (wenn es der "Federstahl" erlaubt), die System-Spitzentemperatur und der Druck begrenzt.
  • 3 zeigt den Zylinderdruck in einem typischen Motor als eine Funktion der Zylindergröße (d. h. Kolbenbewegung). Der vom Graph der 3 dargestellte "typische Motor" hat einen Hub von 86,4 mm und eine Bohrung von 79,5 mm. Die obere Linie A stellt den Arbeitshub und die untere Linie B den Kompressionshub für den herkömmlichen Motor dar, wohingegen die Linie C veranschaulicht, wie der Graph durch den Motor gleicher Größe modifiziert wird, der in Übereinstimmung mit der Ausführungsform aus der 1 aufgebaut ist. Die fettgedruckte Linie D wird bei 60 Bar Druck angezeigt, um einen Beispiel-Sollwert für den "Federstahl" zu zeigen, damit die Absorption der Energie startet, d. h. unmittelbar nach dem Beginn der Verbrennung. Die Zylinder-Gastemperatur folgt dem Druck und wird ebenfalls eingeschränkt. Dieses Merkmal der Erfindung (1) begrenzt den Spitzendruck ein, was die mechanischen Lasten vermindert und daher die Motorkosten und die Reibung reduziert; und (2) begrenzt die Spitzentemperatur ein, was die Bildung von NOx und den Wärmeenergieverlust an den Motorkühler reduziert.
  • Die "schwimmende Oberseite" 5 der Ausführungsform aus den 1 und 2a, 2b und 2c dient zwei Funktionen. Zunächst als ein Ring-abgedichteten Gleitkolbenmechanismus dient sie als ein Ventilmechanismus zum Regeln der Strömung der Ansaug- und Ablassgase. Dieses Merkmal der Erfindung ersetzt die Tellerventile der herkömmlichen Motoren und begegnet den zuvor beschriebenen Nachteilen.
  • Das zweite Merkmal der "schwimmenden Oberseite" r in der Ausführungsform der 1 liegt darin, dass sie während des Ansaughubs, z. B. bei 90° nach dem TDC an einer Sollwert-Stelle gelöst werden kann. Die "schwimmende Oberseite" 5 versperrt dann die Einführung von mehr Luft durch den Einlass 3 und wandert mit dem Arbeitskolben 4, wenn er seinen Abwärts-Hub beendet. Der Zeitpunkt der Lösung der "schwimmenden Oberseite" steuert die durch den Einlass 3 eingelassene Luftmenge. Wenn der Kolben 4 seinen Aufwärts-Kompressionshub startet, wird die Bewegung nach unten der "schwimmenden Oberseite" 5 durch den absteigenden Druck der komprimierten Ansaugluft gestoppt, und dann beginnt er ihre Aufwärts-Bewegung, bis er die obere Kompressionshubstellung erreicht (2c). Der Arbeitskolben 4 führt dann seinen Kompressionshub vollständig aus. Indem eine geringere als die volle Luftladung erlaubt wird, kann das Kompressionsverhältnis des Motors irgendein Bruchteil des Expansionsverhältnisses sein. Wenn z. B. das Expansionsverhältnis 30 zu 1 ist und die "schwimmende Oberseite" derart gelöst wurde, dass nur eine Hälfte der normalen Luftladung eingeführt wurde, dann wäre das Kompressionsverhältnis 15 zu 1. Die vorliegende Erfindung stellt vorzugsweise ein Expansionsverhältnis bereit, das mindestens 1,2 und am bevorzugtesten 1,2–1,5 Male das Kompressionsverhältnis beträgt. 4 zeigt, dass bedeutende Wirkungsgradgewinne erreicht werden, wenn das Expansions(exp.)verhältnis das Kompressionsverhältnis übersteigt. In der 4 stellt die untere Linie E das herkömmliche Kompressionsverhältnis dar, das für gewöhnlich mit dem Expansionsverhältnis gleich ist, wohingegen die obere Linie F die Expansionsverhältnisse mit der vollen Expansion darstellt.
  • In der Ausführungsform aus 5 fehlt dieses Merkmal, da sich die schwimmende Oberseite 5 nie löst. Jedoch hält die Ausführungsform der 5 die Funktion der Stahlfeder beim Absorbieren und Lösen des Spitzenbrenndrucks bei und bewahrt die Ventilfunktion der schwimmenden Oberseite.
  • In der Ausführungsform aus den 68 funktioniert der schwimmende Kolben 48 auf eine Art und Weise, die analog zur schwimmenden Oberseite 5 und zur Federstahl 7 in anderen Ausführungsformen ist, um den Spitzenbrenndruck zu "absorbieren". Die Ausführungsformen der 68 weist auch das Merkmal eines Expansionsverhältnisses auf, das das Kompressionsverhältnis übersteigt, aber ihnen fehlt das Ventilmerkmal.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2a ist eine schematische Darstellung der Stellungen der Schlüsselkomponenten der ersten Ausführungsform während eines ersten Abschnitts des Ansaughubs und während des Ablasshubs;
  • 2b ist eine schematische Darstellung der Stellungen der Schlüsselkomponenten der ersten Ausführungsform zu Beginn des zweiten Abschnitts des Ansaughubs;
  • 2c ist eine schematische Darstellung der Stellungen der Schlüsselkomponenten der ersten Ausführungsform während der endgültigen Stadien des Kompressionshubs, während der Verbrennung und für das Anfangsstadium des Arbeitshubs;
  • 3 ist ein Graph des Zylinderdrucks versus Zylindervolumens, der den Betrieb über einen gesamten Betriebszyklus eines herkömmlichen Motors und eines Motors der ersten Ausführungsform darstellt;
  • 4 ist ein Graph des Motorwirkungsgrads versus Kompressions- und Expansionsverhältnisse;
  • 5 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 6 ist eine schematische Darstellung, die eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Seitenansicht zeigt;
  • 7 ist eine schematische Darstellung, die die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht zeigt; und
  • 8 ist eine untere Ansicht des Zylinders 50 der dritten Ausführungsform.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die in den 1, 2a, 2b und 2c gezeigte Ausführungsform verwendet einen Viertaktzyklus und die herkömmliche sich hin- und herbewegende Kolbenmotorbewegung und und den Antriebsmechanismus 1, um mittels eines Getriebes 14 ein Paar von Rädern 12, 12' anzutreiben. Während des ersten Teils des Ansaughubs wird Luft ("Luft" wie hierin verwendet, sollte verstanden werden, als sei sie entweder eine atmosphärische Luft oder ein Gemisch aus atmosphärischer Luft und rückgeführtem Abgas) mittels der Ansaugöffnung 3 in die Brennkammer 2 eingeführt, wenn der Arbeitskolben 4 von seiner oberen Hubstellung zu irgendeinem Punkt vor seiner unteren Hubstellung wandert. Während des ersten Teils des Ansaughubs (und anfänglich während des Ablasshubs) wird die schwimmende Oberseite 5, wie in der 2a gezeigt, durch die Nocke 9 und die Halterung 10 in ihrer am weitesten oben befindlichen Stellung gehalten. Einfache Einwege-Ventile 16 und 18 werden entfernt vom heißen Brennvorgang jeweils in der Ansaug- und der Auslassöffnung enthalten, um den richtigen Strom der Gase zu gewährleisten. Die Positionierung der Ansaug- und der Auslassöffnung an unterschiedlichen Ebenen würde das Wegfallen von einem Ausgangsventil erlauben, würde jedoch die höhere Komplexität einer zusätzlichen Oberseiten-Stellung des "schwimmenden Oberseiten"-Positionierungsmechanismus erfordern. Entsprechend ist die bevorzugte Ausführungsform wie in der 1 gezeigt, worin die Ansaug- und Auslassöffnung durch eine einzige Ebene, die sich senkrecht zur Achse des Zylinders 20 befindet, zweigeteilt sind. Der Beginn des zweiten Teils des Ansaughubs wird durch das Lösen des "schwimmenden Oberseiten"-Kolbens 5 aus der Halterung 10 markiert, wie in der 2b gezeigt wird. Die "schwimmende Oberseite" 5 wandert mit dem Kolben 4, wenn er seinen Abwärtshub beendet, kehrt die Richtung mit dem Kolben 4 um, wenn er den Kompressionshub beginnt, und wandert während des ersten Abschnitts des Kompressionshubs mit dem Kolben 4 zur in der 2c gezeigten Stellung. Der Arbeitskolben 4 beendet dann, wie zuvor beschrieben, den Kompressionshub. Kraftstoff wird mittels der Kraftstoffeinspritzdüse 6 eingespritzt und durch die Kompressionstemperatur oder durch die Zündkerze 21 (bzw. Glühkerze oder ein anderes Mittel) gezündet. Der erhöhte Druck des Systems komprimiert als erstes die Feder 7, womit der Systemdruck und die Temperatur eingeschränkt werden. Wenn der Kolben 4 mit seinem Abwärtshub einsetzt, überführen die druckbeaufschlagten Gase die in der komprimierten Feder 7 gelagerte Energie an den Kolben 4, wenn die Feder 7 dekomprimiert wird, und schließlich beenden die druckbeaufschlagten Gase ihre Expansion, wenn der Kolben 4 seine untere Hubstellung erreicht. Wenn der Kolben 4 zu seiner nächsten oberen Hubstellung wandert, bewegt sich die "schwimmende Oberseite" 5 zu der in der 2a gezeigten Stellung. Die Ablasshubstellung der schwimmenden Oberseite 5 – dieselbe Stellung, die sie für den ersten Teil des nächsten Ansaughubs einhält – erlaubt, dass die Abgase durch die Ruslassöffnung 8 ausgestoßen werden.
  • Wie oben angemerkt, liegen die Ansaugöffnung und die Auslassöffnung vorzugsweise in einer Ebene, d. h. durch eine einzige Ebene zweigeteilt, und zwar senkrecht zur mittleren Achse des Zylinders 20. Die Kraftstoffeinspritzdüse 6 wird in der 2c gezeigt, wie sie axial von der Ansaug- und der Auslassöffnung 3 und 8 beabstandet ist, könnte aber im Einlass 3 liegen.
  • Der Zylinder 20 wird unter dem Kolben 4 durch eine Lüftung 22 zum atmosphärischen Druck im Kurbelkasten (nicht gezeigt) belüftet.
  • Das "schwimmende Oberseiten"-Stellung-Stellglied wird als eine Nocke 9 gezeigt, kann aber alternativ eine Drehkurbel oder ein anderer mechanischer Mechanismus, ein hydraulischer Antriebsmechanismus oder ein anderes ähnliches Mittel zum Regeln der Stellung der "schwimmenden Oberseite" sein. In der in den 1 und 2a2c dargestellten Ausführungsform befindet sich die Nocke 9 auf einer Nockenwelle 13, die mittels eines Steuerriemens oder Zahnrads versetzt von der Kurbelwelle angetrieben wird. An der schwimmenden Oberseite (mittels der Feder 7 in der Ausführungsform der 1) ist eine Halterung 10 angebracht, die einen gebogenen (bei 90°) distalen Armabschnitt 10a hat, der von der Nocke 9 eingegriffen wird, um die schwimmende Oberseite 5 während einer anfänglichen Stellung des Ansaug- und während des Auslasshubs zu halten. Das Federmittel kann irgendeines von verschiedenen Mitteln zum Erreichen einer schnellen Energiespeicherung und zur schnellen Lösung sein, die Schraubenfedern, Faltfedern, einen "freien Kolben" ("free piston") zum Komprimieren eines geschlossenen Gasvolumens (detaillierter in Verbindung mit den 68 in einer Ausführungsform einer Hydraulikpumpe zu beschreiben), und andere schnell komprimierbare/ausdehnbare Mechanismen einschließen.
  • 5 zeigt eine Ausführungsform, die sich von der Ausführungsform der 1, 2a, 2b und 2c darin unterscheidet, dass die "schwimmende Oberseite" im gesamten Zyklus von Hüben begrenzt wird. In dieser Ausführungsform hat die Halterung 10' einen rechtwinkligen distalen Armabschnitt 10a', der länger als 10a der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist, so dass der Kontakt zwischen 10a' und der Nocke 9 in dem Viertaktzyklus beibehalten wird.
  • Die 6, 7 und 8 veranschaulichen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, worin eine schwimmende- Oberseite 48 mit einem "freien" oder "schwimmenden" Kolben 62 einer Hydraulikpumpe verkettet ist. Eine Pumpenkammer 64 empfängt eine Flüssigkeit durch den Einlass 60, und die Pumptätigkeit des Kolbens 62 liefert den Fluiddruck durch den Auslass 58, um einen Hydraulikmotor anzutreiben oder in einem Akkumulator gespeichert zu werden. Der Kolben 62 ist mittels der Kolbenstange 63 starr am Kolben 48 befestigt. Der Kolben 48 bewegt sich in einem Zylinder 50 hin und her, der durch die Lüftung 54 den Kurbelkasten (nicht gezeigt) belüftet wird. Der Kolben 48 ist dem Kolben 4 der zuvor beschriebenen Ausführungsformen insoweit analog, dass er dazu dient, den in der Brennkammer 36 erzeugten (Dämpfer)-Spitzendruck zu "absorbieren".
  • Diese Ausführungsform der 6-8 verwendet einen Viertaktzyklus und den herkömmlichen sich hin- und herbewegenden Kolbenmotorantriebsmechanismus 30, der eine Kurbelwelle 31 einschließt, deren Ausgabe mittels eines herkömmlichen Getriebes 40 an die Räder 42, 42' geht. Der sich im Zylinder hin- und herbewegende Arbeitskolben 32 zieht bei seinem Ansaughub Luft durch das Einlassventil 38 ein und stößt die gasförmigen Brennprodukte bei seinem Auslasshub durch das Auslassventil 42 aus. Während des Ansaughubs wird Luft durch die offene Einlassöffnung und das Ventil 38 in die Systemkammer (Brennkammer) 36 eingeführt. Mit dem geschlossenen Einlassventil 38 komprimiert der Arbeitskolben 32 daraufhin die Ladung. Am oder nahe am TDC wird Kraftstoff mittels der Kraftstoffeinspritzdüse 44 eingespritzt und mittels einer Zündkerze 46 oder einer Glühkerze bzw. eines anderen Zündmittels einschließlich der bloßen Kompressionstemperatur gezündet. Der erhöhte Druck des Systems beginnt den freien Kolben 48 zu bewegen, wenn der Brenndruck einen vorbestimmten oder voreingestellten Wert übersteigt. Dieser voreingestellte Wert wird (1) durch die Verhältnisse der Fläche des Arbeitskolbens 32, die Gasseite des freien Kolbens 48 und die Flüssigkeitsseite (obere Seite) des freien Kolbens 62 und (2) durch den Ablassdruck der Flüssigkeit bei 58 bestimmt. Wenn die Verbrennung fortfährt, beschleunigt der steigende Systemdruck weiterhin die freien Kolben 48 und 62, wobei die Verbrennungsgase (zum Unterdrücken des steigenden Systemsdrucks und der Temperatur) expandiert werden und wobei die in der Pumpenkammer 64 enthaltene Flüssigkeit durch das Hochdruck-Flüssigkeit-Austrittsventil 58 komprimiert/gepumpt wird. Wenn das System den voreingestellten Druckwert erreicht, hört die positive Beschleunigung der freien Kolben 48 und 62 auf, und der verbliebene Systemdruck und die kinetische Energie der sich bewegenden freien Kolben 48 und 62 fährt mit der Tätigkeit des Pumpens der Flüssigkeit fort, bis die Netto-Kraft an den freien Kolben 48 und 62 ihre Geschwindigkeit bis auf Null verlangsamt hat. Zu diesem Zeitpunkt schließt das Hochdruck-Flüssigkeit-Ventil 58. Die weitere Expansion der Verbrennungsgase erfolgt, wenn der herkömmliche Expansionshub fortfährt. Wenn der Arbeitskolben 32 den BDC erreicht, wurde auch ein größeres Expansionsverhältnis als das Kompressionsverhältnis erreicht. Auch in diesem Sinne funktioniert der schwimmende Kolben 48 auf eine analoge Art und Weise mit dem schwimmenden Kolben 5 in der Ausführungsform der 1 und 2. Das Auslassventil 42 öffnet sich nahe am BDC, und wenn der Arbeitskolben 32 zum TDC zurückkehrt, werden verbrauchte Verbrennungsgase abgelassen. Während des Auslasshubs liegt der Systemkammerdruck nur leicht über dem atmosphärischen, und eine Förderflüssigkeit tritt unter mäßigem Ladedruck durch das Flüssigkeit-Einlassventil 60 ein, wobei sie die Pumpenkammer 64 neu auflädt und den freien Kolben 62/48 für den nächsten Arbeitshub neu-positioniert. Jener Abschnitt des freien Kolbens 48, der die Brennkammer 36 nicht überlagert (Abschnitt 52 der 6 und 8) scheint den freien Kolben 48 auf einen "sanften Stopp" zu verlangsamen, wenn die Abgase in die Brennkammer 36"gequetscht" werden. Das Verfahren wiederholt sich danach.
  • Die aus der Kammer 64 gepumpte Flüssigkeit kann direkt in einem Hydraulikmotor (nicht gezeigt) verwendet werden, um wir kungsvoll Wellenleistung zu erzeugen, oder die Flüssigkeit kann in einem herkömmlichen Akkumulator (nicht gezeigt) gespeichert werden, indem ein geschlossenes Gasvolumen komprimiert wird. Dieser gespeicherte Druck kann zu irgendeinem späteren Zeitpunkt zurückgewonnen und direkt in einem Hydraulikmotor verwendet werden, um z. B. eine Hilfs-Wellenleistung zu erzeugen, und zwar auf eine Art und Weise, die von Charles L. Gray, Jr., et al., in ihrer ebenfalls anhängigen Anmeldung, Seriennr. 08/253.944, am 3. Juni 1994 eingereicht, unter dem Titel "Hybrid Powertrain Vehicle", offenbart wird, deren Lehren unter Bezugnahme hierin eingeschlossen sind.
  • Diese Erfindung kann an alle Kompressions/Brenn/Expansionstaktmotoren mit geschlossenem System einschließlich von Zwei- und Viertaktmotoren angelegt werden. Zusätzlich zur direkten Kraftstoffeinspritzung oder an ihrer Stelle, kann der Kraftstoff mit der Luftladung in allen Anordnungen eingeführt werden. Dichtungsringe (in den Figuren nicht gezeigt) können für alle Kolben in allen Anordnungen verwendet werden.
  • Die Erfindung kann in anderen spezifischen Formen verkörpert werden, ohne sich von ihrem Geist oder ihren wesentlichen Merkmalen zu lösen. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher als in jeder Hinsicht darstellend und nicht einschränkend anzusehen, wobei der Schutzumfang der Erfindung nicht durch die vorherige Beschreibung sondern durch die anliegenden Ansprüche bestimmt wird; und alle Änderungen, die in die Bedeutung und die Tragweite von Äquivalenten der Ansprüche fallen, sind daher als davon umschlossen beabsichtigt.

Claims (12)

  1. Ein Verfahren zum Antreiben von Antriebsrädern eines Fahrzeugs, das die Schritte zum Bereitstellen von folgendem umfasst: einen Arbeitszylinder (20, 34) und einen Arbeitskolben (4, 32), der im Arbeitszylinder zur Hin- und Herbewegung darin angebracht ist; ein Antriebsmittel (1) zur Umsetzung der Hin- und Herbewegung des Arbeitskolbens in eine Drehung einer Kurbelwelle (13, 31); ein Mittel (14, 40) zur Übertragung der Drehung der Kurbelwelle auf die Antriebsräder (12, 12', 42, 42'); eine Brennkammer (2, 36), die an einer Seite des Arbeitskolbens im Arbeitszylinder bestimmt wird; ein Kraftstoffzuführungsmittel (6, 44) zum Zuführen von Kraftstoff in die Brennkammer; ein Einlassventil (16, 38) zum Hereinlassen von Luft in die Brennkammer während eines Ansaughubs des Arbeitskolbens, um ein Brenngemisch in Kombination mit dem an die Brennkammer geführten Kraftstoff zu bilden; ein Auslassventil (16, 48), um während eines Auslasshubs des Arbeitskolbens die Ausstoßung von durch die Verbrennung des Brenngemischs gebildeten Abgasen aus der Brennkammer zu erlauben; einen schwimmenden Kolben (5, 48), der zumindest teilweise die Brennkammer gegenüber dem Arbeitskolben verschließt, wobei der schwimmende Kolben für die Hin- und Herbewegung relativ zur Brennkammer angebracht ist; ein Mittel (9, 10, 10a, 10', 10a', 7; 62, 63) zum Regeln der oberen Grenzstellung des -schwimmenden Kolbens; und eine Einlassöffnung (3) und eine Auslassöffnung (8), die getrennt im Arbeitszylinder ausgebildet sind, die jeweils mit den Einlass- und Auslassventilen in Verbindung stehen, wobei der schwimmende Kolben die Einlassöffnung während eines ersten Teils des Ansaughubs freilegt und die Auslassöffnung während des Auslasshubs freilegt, wobei sich der schwimmende Kolben während eines zweiten Teils des Ansaughubs in Tandem mit dem Arbeitskolben in eine Stellung bewegt, die die Einlassöffnung verschließt; dadurch gekennzeichnet, dass die Hin- und Herbewegung des Arbeitskolbens einen Kompressionshub einschließt, in dem die eingelassene Luft von einem ersten Volumen V1 zu einem zweiten Volumen V2 komprimiert wird, wodurch ein Kompressionsverhältnis V1/V2 bestimmt wird, und einen von der Verbrennung erzeugter Arbeitshub, worin das Gas innerhalb der Verbrennung auf den Arbeitskolben und den schwimmenden Kolben einwirkt, und worin die Mittel zum Steuern der oberen Grenzstellung des schwimmenden Kolbens derart angeordnet sind, um zuzulassen, dass das Gas von einem Volumen V2 zu einem Volumen V3 expandiert, wodurch ein Expansionsverhältnis V3/V2 bestimmt wird, wobei das Expansionsverhältnis das Kompressionsverhältnis signifikant übersteigt.
  2. Ein Antriebsverfahren in Übereinstimmung mit Anspruch 1, worin das Expansionsverhältnis mindestes 1,2 × das Kompressionsverhältnis ist.
  3. Ein Antriebsverfahren in Übereinstimmung mit Anspruch 2, worin der schwimmende Kolben für die Hin- und Herbewegung im Arbeitszylinder angebracht ist und die Brennkammer gegenüber dem Arbeitskolben ganz verschließt.
  4. Ein Antriebsverfahren in Übereinstimmung mit Anspruch 1, worin das Mittel zum Steuern der oberen Grenzstellung des schwimmenden Kolbens folgendes umfasst: ein Federmittel (7), das mit dem schwimmenden Kolben für die Hin- und Herbewegung damit in Kontakt steht; ein Nockenmittel (9), um das Ausmaß der linearen Bewegung des schwimmenden Kolbens in einer Richtung weg vom Arbeitskolben zu bestimmen, wobei das Federmittel gegen das Nockenmittel auflagert, und zwar während des Arbeitshubs und des Kompressionshubs, in eine Stellung, die die Einlass- und die Auslass öffnung schließt, und ein Haltemittel (10, 10a; 10', 10a'), das in das Nockenmittel eingreift, um den schwimmenden Kolben durch das Eingreifen in das Nockenmittel in eine Richtung vom Arbeitskolben weg zu bewegen, damit die Einlassöffnung während des ersten Teils des Ansaughubs freigelegt wird und damit die Auslassöffnung während des Auslasshubs freigelegt wird.
  5. Ein Antriebsverfahren in Übereinstimmung mit Anspruch 1, worin der Arbeitszylinder eine mittlere Längsachse bestimmt und worin die Einlass- und die Auslassöffnung durch eine einzige Ebene, die senkrecht zur mittleren Längsachse liegt, zweigeteilt werden.
  6. Ein Antriebsverfahren in Übereinstimmung mit Anspruch 4, worin sich das Haltemittel (10, 10a) während des zweiten Teils des Ansaughubs vom Nockenmittel löst, wodurch dem schwimmenden Kolben erlaubt wird, sich im Tandem mit der Bewegung des Arbeitskolbens in die Stellung zu bewegen, die die Einlassöffnung verschließt.
  7. Ein Antriebsverfahren in Übereinstimmung mit Anspruch 1, worin die Mittel zum Steuern der oberen Grenzstellung des schwimmenden Kolbens einen Pumpenyzlinder und einen Pumpenkolben (62) umfassen, der wechselseitig im Pumpenzylinder angebracht ist und eine Pumpenkammer (64) in Zusammenwirkung mit dem Pumpenzylinder bestimmt, wobei der Pumpenkolben starr am schwimmenden Kolben (48) zur Hin- und Herbewegung damit befestigt ist, wobei die Pumpenkammer einen Flüssigkeitseinlass (60) und einen Flüssigkeitsauslass (58) hat und einen kleineren Durchmesser als der Durchmesser der Brennkammer hat.
  8. Ein Antriebsverfahren in Übereinstimmung mit Anspruch 4, worin das Haltemittel (10, 10a) den schwimmenden Kolben während des Ansaughubs an einer vorbestimmten Sollwert-Stelle freigibt, womit dem schwimmenden Kolben erlaubt wird, frei nach unten zu wandern, um die Lufteinlassöffnung zu verschließen, und worin die Abwärtsbewegung des schwimmenden Kolbens durch die während des Kompressionshubs komprimierte Luft gestoppt und umgekehrt wird.
  9. Ein Antriebsverfahren in Übereinstimmung mit Anspruch 1, worin sich die Hin- und Herbewegung des schwimmenden Kolbens als Reaktion auf einen von der Verbrennung des Brenngemischs in der Brennkammer erzeugten vorbestimmten Drucks von der Brennkammer wegbewegt, um den Spitzenbrenndruck zu senken.
  10. Ein Antriebsverfahren in Übereinstimmung mit Anspruch 1, worin das Mittel zum Steuern der oberen Grenzstellung des schwimmenden Kolbens ein Federmittel (70) umfasst, um einen Teil der Brennenergie durch die Tätigkeit des schwimmenden Kolbens (48) zu speichern, indem das Federmittel als Reaktion auf die Verbrennung in der Brennkammer (36) komprimiert wird.
  11. Ein Antriebsverfahren in Übereinstimmung mit Anspruch 1, das weiterhin den Schritt zum Bereitstellen eines Hilfszylinders umfasst, der einen Gasraum bestimmt und den schwimmenden Kolben für die Hin- und Herbewegung darin enthält, wobei der Gasraum einen kleineren Durchmesser als jener der Brennkammer hat und in erste und zweite Gas-enthaltende Hilfskammern unterteilt wird, wobei die ersten Hilfskammern ein darin angebrachtes Federmittel enthalten, um den schwimmenden Kolben in Richtung der Brennkammer vorzuspannen, und wobei die zweite Hilfskammer mit der Brennkammer in Fluidverbindung steht.
  12. Ein Antriebsverfahren in Übereinstimmung mit Anspruch 1, worin das Einlassventil und das Auslassventil Einwegeventile (16, 18) sind.
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