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Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1, mit einer ersten Gruppe von Zylindern,
im folgenden zumeist Verbrennungszylinder genannt, und einer zweiten
Gruppe von Zylindern, im folgenden zumeist Expansionszylinder genannt,
von denen die ersteren im Viertakt-Verfahren und die letzteren im
Zweitakt-Verfahren betrieben werden. Die Erfindung betrifft weiter ein
Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine.
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Heute übliche
Brennkraftmaschinen arbeiten überwiegend im Viertakt-Verfahren,
wobei in einem ersten Ansaugtakt ein Kraftstoff-Luft-Gemisch bzw. bei
der Direkteinspritzung Luft in einen Verbrennungszylinder angesaugt
wird, während sich der Kolben im Zylinder in Richtung seines
unteren Totpunkts bewegt, wobei in einem zweiten Verdichtungstakt das
Kraftstoff-Luft-Gemisch bzw. die Luft im Zylinder verdichtet und
bei der Direkteinspritzung Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt
wird, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen, während
sich der Kolben im Zylinder in Richtung seines oberen Totpunkts
bewegt, wobei in einem dritten Arbeits- oder Expansionstakt nach
der Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs das bei dessen
Verbrennung gebildete, unter Druck stehende Verbrennungsgas den Kolben
im Zylinder in Richtung seines unteren Totpunkts drückt
und mechanische Arbeit leistet, und wobei in einem vierten Ausstoßtakt
das Verbrennungsgas aus dem Zylinder ausgestoßen wird.
Die vier Takte erfolgen im Verlauf von zwei Umdrehungen der Kurbelwelle
und besitzen im Wesentlichen dieselbe Länge.
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Ein
Nachteil der bekannten, im Viertakt-Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschinen
besteht darin, dass das im Ausstoßtakt aus dem Verbrennungszylinder
ausgestoßene Verbrennungsgas noch einen relativ hohen Druck
und eine relativ hohe Temperatur besitzt, so dass ein erheblicher
Anteil der Energie mit dem Abgas ungenutzt durch den Abgastrakt
entweicht bzw. einem Abgasturbolader zugeführt wird.
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Um
dieses Problem zu lösen, wurde bereits vorgeschlagen, Brennkraftmaschinen
neben den im Viertakt-Verfahren arbeitenden Verbrennungszylindern
mit zusätzlichen Expansionszylindern auszustatten, in denen
dem beim Ausstoßtakt aus den Zylindern ausgestoßenen
Verbrennungsgas durch weitere Expansion auf ein niedrigeres Druckniveau
weitere Energie entzogen und in mechanische Kolbenarbeit umgewandelt
wird. Durch diese ”Expansionsverlängerung” kann
bei gleichem Kraftstoffverbrauch die von der Brenn kraftmaschine
geleistete Arbeit und dadurch auch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine
gesteigert werden.
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Aus
der
WO 99/06682 A2 ist
bereits eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art bekannt,
bei der jedem Verbrennungszylinder ein Expansionszylinder zugeordnet
ist, der über ein Auslassventil mit dem Verbrennungszylinder
verbindbar ist, um das aus dem Verbrennungszylinder ausgestoßene
teilweise expandierte und noch unter Druck stehende Verbrennungsgas
für eine Nachexpansion in den Expansionszylinder zuzuführen.
Die bekannte Brennkraftmaschine weist zwei parallele Kurbelwellen
auf, von denen die eine durch Pleuel mit den Kolben in den Verbrennungszylindern
und die andere durch Pleuel mit den Kolben in den Expansionszylindern
verbunden ist. Die Expansionszylinder werden im Zweitakt-Verfahren
betrieben, wobei in einem ersten Arbeits- oder Expansionstakt das
unter Druck stehende Verbrennungsgas aus dem zugehörigen
Verbrennungszylinder den Kolben im Expansionszylinder in Richtung
seines unteren Totpunkts drückt und mechanische Arbeit
leistet, und wobei in einem zweiten Ausstoßtakt das Verbrennungsgas
aus dem Expansionszylinder in einen Abgastrakt ausgestoßen wird.
Um die von den Kolben in den Expansionszylindern geleistete Arbeit
auf die von den Kolben der Verbrennungszylinder angetriebene Kurbelwelle
zu übertragen und zugleich die Bewegung der Kolben in den
Verbrennungszylindern und in den Expansionszylindern zu synchronisieren,
sind die beiden Kurbelwellen durch ein Zahnradgetriebe mit einem Übersetzungsverhältnis
von 2:1 fest miteinander gekoppelt.
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Während
in den meisten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine
die durch die Expansionsverlängerung geleistete zusätzliche
Nutzarbeit größer ist als der Energieverlust infolge
der Reibung der Kolben in den Expansionszylindern, kann es insbesondere
bei geringen bis sehr geringen Lasten vorkommen, dass der Energieverlust
infolge der Reibung der Kolben in den Expansionszylindern die zusätzliche
Nutzarbeit übersteigt. Im Falle einer festen Kopplung zwischen
den Kurbelwellen der Verbrennungszylinder und der Expansionszylinder
hat dies zur Folge, dass der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine
unter den Wirkungsgrad herkömmlicher Brennkraftmaschinen
sinkt.
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Aus
der
DE 10 2006
003 737 B3 und aus der
US 6 453 869 B1 sind bereits Vorrichtungen
an sich bekannt, mit denen sich der Hub eines Kolbens in einem Zylinder
einer Brennkraftmaschine verändern lässt, zum
Beispiel um den Kolbenhub während des Arbeits- oder Expansionstakts
zu vergrößern bzw. während des Ansaug-
und Ausstoßtaktes zu verkleinern.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine
und ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern,
dass bei geringen und sehr geringen Lasten ein Absinken des Wirkungsgrades
der Brennkraftmaschine unter den Wirkungsgrad einer herkömmlichen
Brennkraftmaschine in einem vergleichbaren Betriebszustand vermieden
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird bei der Brennkraftmaschine erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass der Hub der Kolben in den Expansionszylindern
variabel oder veränderbar ist, wobei die im Hinblick auf
das Verfahren erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, dass
die Veränderung des Kolbenhubs in Abhängigkeit
vom jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine erfolgt.
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Durch
die erfindungsgemäße Merkmalskombination lässt
sich der Hub der Kolben in den Expansionszylindern an die Menge
des im jeweiligen Betriebszustand anfallenden Verbrennungsgases
anpassen, indem in den Expansionszylindern bei Volllast der maximale
Kolbenhub eingestellt wird, während bei geringen Lasten
ein kleinerer Kolbenhub und bei sehr geringen Lasten ggf. sogar
ein Nullhub eingestellt wird. Durch den kleineren Kolbenhub kann nicht
nur die Reibung in den Expansionszylindern verringert werden, sondern
auch die Ladungswechselverluste, was auch in thermodynamischer Hinsicht von
Vorteil ist.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kolben
in den Verbrennungszylindern und in den Expansionszylindern mit
einer gemeinsamen Kurbelwelle verbunden sind, wobei diese Verbindung
im Falle der Kolben in den Verbrennungszylindern durch gewöhnliche
Pleuel erfolgt, während die Verbindung im Falle der Kolben
in den Expansionszylindern eine geeignete Vorrichtung umfasst, mit
der sich der Kolbenhub in Abhängigkeit vom Betriebszustand
der Brennkraftmaschine verändern lässt.
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Eine
geeignete Vorrichtung kann beispielsweise eine in Bezug zur Zylinderachse
der Expansionszylinder versetzt angeordnete Kurbelwelle und für jeden
Expansionszylinder einen mit dem Kolben im Expansionszylinder mittelbar
gekoppelten, die Zylinderachse schneidenden Übertragungshebel
umfassen, der einerseits an einer gelenkig mit der Kurbelwelle verbundenen
Pleuelstange und andererseits an einem im Zylinderkurbelgehäuse
der Brennkraftmaschine linear beweglichen Lagerbock angelenkt ist, wie
in der
DE 10 2006
003 737 B3 offenbart.
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Bei
einer anderen geeigneten Vorrichtung können hingegen sowohl
die Kolben in den Verbrennungszylindern und die Kolben in den Expansionszylindern
mit der gemeinsamen Kurbelwelle durch Pleuel verbunden werden, wobei
jedoch zwischen den mit den Kolben der Expansionszylinder verbundenen
Pleueln und den zugehörigen Hubzapfen der Kurbelwelle Exzenterbuchsen
angeordnet sind, die sich in Abhängigkeit vom Betriebszustand
der Brennkraftmaschine gemeinsam durch einen Stellmechanismus verdrehen
lassen, um den Hub der Kolben gleichzeitig in sämtlichen
Expansionszylindern zu verändern, ähnlich wie
in der
US 6 453 869
B1 offenbart, wobei jedoch die Hubzapfen für die
Pleuel der Kolben in den Verbrennungszylindern nicht mit Exzenterbuchsen
ausgestattet sind.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die
Anzahl der Expansionszylinder halb so groß wie die Anzahl
der Verbrennungszylinder ist, und dass jeder Expansionszylinder abwechselnd
aus zwei benachbarten Verbrennungszylindern mit Verbrennungsgas
gespeist wird. Dadurch kann der für die Expansionszylinder
und den Kurbeltrieb erforderliche konstruktive Aufwand erheblich
verringert werden. In diesem Fall kann abwechselnd aus zwei im Gegentakt
arbeitenden Verbrennungszylindern heißes, unter Druck stehendes Verbrennungsgas
in jeden der Expansionszylinder zugeführt werden. Die Expansionszylinder
werden wie bei der Brennkraftmaschine aus der
WO 99/06682 A2 im Zweitakt-Verfahren
betrieben, wobei in einem ersten Arbeits- oder Expansionstakt das
unter Druck stehende Verbrennungsgas aus einem der beiden zugehörigen
Verbrennungszylinder den Kolben im Expansionszylinder in Richtung
seines unteren Totpunkts drückt und mechanische Arbeit
leistet, und wobei in einem zweiten Ausstoßtakt das Verbrennungsgas
aus dem Expansionszylinder ausgestoßen wird. Die zwei Takte
erfolgen im Verlauf von einer Umdrehung der Kurbelwelle und besitzen
im Wesentlichen dieselbe Länge. Bei der nächsten
Umdrehung der Kurbelwelle wird aus dem anderen der beiden zugehörigen
Verbrennungszylinder unter Druck stehendes Verbrennungsgas in den
Expansionszylinder zugeführt.
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Hinsichtlich
der Anordnung der Verbrennungszylinder und der Expansionszylinder
der Brennkraftmaschine gibt es mehrere vorteilhafte Varianten:
Eine
erste Variante und bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht
eine R3- oder V6-Anordnung vor, wobei in der oder jeder Zylinderbank
zwischen zwei im Viertakt-Verfahren betriebenen Verbrennungszylindern
ein im Zweitakt-Verfahren betriebener Expansionszylinder angeordnet
ist, dem abwechselnd Verbrennungsgas aus den beiden Verbrennungszylindern
zugeführt wird.
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Eine
zweite Variante und andere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung
sieht eine Doppel-R-Anordnung vor, bei der eine herkömmliche
Vierzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine mit zwei zusätzlichen
Expansionszylindern ausgestattet wird, die in einer zu der Reihe
von Verbrennungszylindern parallelen Reihe angeordnet sind, wobei
die Expansionszylinder jeweils in Bezug zu den beiden Verbrennungszylindern,
aus denen sie mit Verbrennungsgas gespeist werden, versetzt sind.
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Eine
dritte Variante und noch andere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung
sieht eine VR6-Anordnung vor, die gleichfalls vier Verbrennungszylinder
und zwei Expansionszylinder umfasst, wobei jedoch jede Zylinderbank
insgesamt drei Zylinder aufweist, die in der einen Zylinderbank
sämtlich von Verbrennungszylindern gebildet werden, während
sie in der anderen Zylinderbank von zwei Expansionszylindern und
einem dazwischen angeordneten Verbrennungszylinder gebildet werden.
Die Expansionszylinder werden dort jeweils aus den benachbarten
Verbrennungszylindern mit Verbrennungsgas gespeist.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand einiger in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit zwei
Verbrennungszylindern und einem Expansionszylinder;
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2:
eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit vier
Verbrennungszylindern und zwei Expansionszylindern;
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3:
eine schematische Darstellung einer anderen Brennkraftmaschine mit
vier Verbrennungszylindern und zwei Expansionszylindern.
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Die
in der Zeichnung dargestellten Brennkraftmaschinen 1 umfassen
jeweils eine erste Gruppe 2 von sogenannten Verbrennungszylindern 2a, 2b; 2a, 2b, 2c, 2d,
die nach dem Viertakt-Prinzip arbeiten und jeweils in bekannter
Weise einen im Zylinder auf und ab beweglichen Kolben umfassen,
der durch einen Pleuel mit einer Kurbelwelle 3 der Brennkraftmaschine 1 verbunden
ist. Die Brennkraftmaschinen 1 umfassen weiter eine zweite
Gruppe 4 von sogenannten Expansionszylindern 4a; 4a, 4b,
deren Anzahl halb so groß wie die Anzahl der Zylinder 2a, 2b; 2a, 2b, 2c, 2d der
ersten Gruppe 2 ist. Die Expansionszylinder 4a; 4a, 4b arbeiten
nach dem Zweitakt-Prinzip und umfassen ebenfalls einen in jedem Zylinder 4a; 4a, 4b auf
und ab beweglichen Kolben, der mit der Kurbelwelle 3 der
Brennkraftmaschine 1 verbunden ist. Die Expansionszylinder 4a; 4a, 4b weisen
stets einen größeren Durchmesser als die Verbrennungszylinder 2a, 2b; 2a, 2b, 2c, 2d auf.
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Die
in 1 dargestellte, als R3-Motor ausgebildete Brennkraftmaschine 1 umfasst
einen einzigen Expansionszylinder 4a, der in einer Zylinderbank in
Reihe zwischen zwei Verbrennungszylindern 2a, 2b angeordnet
ist und abwechselnd aus den beiden Verbrennungszylindern 2a, 2b mit
Verbrennungsgas gespeist wird. Eine entsprechende Anordnung ist auch
bei einer als V6-Motor ausgebildeten Brennkraftmaschine (nicht dargestellt)
möglich. In beiden Fällen verläuft die
gemeinsame Kurbelwelle 3 durch die Mittelachsen der Zylinder 2a, 2b, 4a.
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Bei
der in 2 dargestellten, als Doppel-R-Motor ausgebildeten
Brennkraftmaschine 1 sind hingegen vier Verbrennungszylinder 2a, 2b, 2c, 2d und
zwei Expansionszylinder 4a, 4b in zwei parallelen
Reihen angeordnet, wobei die Expansionszylinder 4a, 4b jeweils
versetzt zwischen zwei benachbarten Verbrennungszylindern 2a, 2b; 2c, 2d angeordnet
sind, aus denen sie jeweils mit Verbrennungsgas gespeist werden.
Die gemeinsame Kurbelwelle 3 ist hier gegenüber
den Mittelachsen der Reihe von Verbrennungszylindern 2a, 2b, 2c, 2d und
der Reihe von Expansionszylindern 4a, 4b versetzt,
wobei der Versatz gegenüber der Reihe von Expansionszylindern 4a, 4b größer
als gegenüber der Reihe von Verbrennungszylindern 2a, 2b, 2c, 2d ist.
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Bei
der in 3 dargestellten, als VR-Motor ausgebildeten Brennkraftmaschine 1 sind
vier Verbrennungszylinder 2a, 2b, 2c, 2d und
zwei Expansionszylinder 4a, 4b in zwei Zylinderbänken
angeordnet, die jeweils drei Zylinder umfassen. In einer der beiden
Zylinderbänke befinden sich drei Verbrennungszylinder 2a, 2b, 2c,
während die andere Zylinderbank zwei Expansionszylinder 4a, 4b und
einen dazwischen angeordneten Verbrennungszylinder 2d umfasst.
Die gemeinsame Kurbelwelle 3 verläuft hier durch
die Mittelachsen der Verbrennungszylinder 2a, 2b, 2c und
der Expansions- bzw. Verbrennungszylinder 4a, 2d, 4b.
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Bei
sämtlichen Anordnungen werden die Expansionszylinder 4a; 4a, 4b jeweils
aus zwei benachbarten Verbrennungszylindern 2a, 2b; 2c, 2d mit
Verbrennungsgas gespeist, wie nachfolgend beschrieben wird.
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In
jedem der Verbrennungszylinder 2a, 2b, 2c, 2d wird
in einem Ansaugtakt ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinder 2 angesaugt,
während sich der Kolben (nicht dargestellt) im Zylinder 2 in
Richtung seines unteren Totpunkts bewegt. Anschließend
wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder 2 in einem
Verdichtungstakt verdichtet, während sich der Kolben im
Zylinder in Richtung seines oberen Totpunkts bewegt. Nach der Zündung
des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Zylinder 2 drückt
das bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs gebildete, unter
Druck stehende Verbrennungsgas in einem Arbeits- oder Expansionstakt
den Kolben im Zylinder 2 in Richtung seines unteren Totpunkts,
wobei mechanische Arbeit an der Kurbelwelle 3 geleistet
wird. In einem Ausstoßtakt wird zuletzt das Verbrennungsgas aus
dem Zylinder 2 ausgestoßen, während sich
der Kolben im Zylinder 2 in Richtung seines oberen Totpunkts
bewegt.
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Im
Unterschied zu herkömmlichen Brennkraftmaschinen, bei denen
das Verbrennungsgas beim Ausstoßtakt durch ein geöffnetes
Auslassventil des Zylinders 2 in den Abgastrakt ausgestoßen
wird, wird das noch immer unter einem Druck von mehreren bar stehende
Verbrennungsgas bei den in der Zeichnung dargestellten Brennkraftmaschinen 1 in einen
der Expansionszylinder 4a; 4a, 4b geschoben, wo
das Verbrennungsgas in einem Nachexpansionstakt den Kolben des Expansionszylinders 4 in
Richtung seines unteren Totpunkts drückt. Dem Verbrennungsgas
wird dabei durch die Expansion auf ein niedrigeres Druckniveau weitere
Energie entzogen, die im Expansionszylinder 4 in mechanische
Kolbenarbeit umgewandelt wird. Auf den Expansionstakt folgt im Expansionszylinder 4 ein
Ausstoßtakt, bei dem das expandierte Verbrennungsgas aus
dem Zylinder 4 in einen Abgastrakt (nicht dargestellt)
der Brennkraftmaschine 1 ausgestoßen wird, während sich
der Kolben in Richtung seines oberen Totpunkts bewegt.
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Die
Verbrennungszylinder 2a, 2b; 2c, 2d der Brennkraftmaschine 1 sind
jeweils über ihre Auslassventile paarweise mit einem der
Expansionszylinder 4a; 4b verbindbar, so dass
jedem Expansionszylinder 4a, 4b in zwei aufeinanderfolgenden
Zyklen abwechselnd das unter Druck stehende Verbrennungsgas aus
einem der zwei benachbarten Verbrennungszylinder 2a, 2b; 2c, 2d zugeführt
werden kann, während sich der Kolben im Expansionszylinder 4a, 4b in
Richtung seines unteren Totpunkts bewegt.
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Da
die Kolben in den Verbrennungszylindern 2a, 2b, 2c, 2d und
die Kolben in den Expansionszylindern 4a, 4b mit
der gemeinsamen Kurbelwelle 3 verbunden sind, werden die
Kolben in den Verbrennungszylindern 2a, 2b, 2c, 2d und
die Kolben in den Expansionszylindern 4a, 4b synchronisiert,
so dass während einer Umdrehung der Kurbelwelle 3 jeweils zwei
Takte in einem Paar Verbrennungszylinder 2a, 2b; 2c, 2d mit
zwei Takten in dem zugehörigen Expansionszylinder 4a; 4b zusammenfallen.
Die Takte in dem Paar Verbrennungszylinder 2a und 2b bzw. 2c und 2d sind
dabei gegeneinander versetzt, so dass in einem der Verbrennungszylinder 2a bzw. 2c der
Expansionstakt vorgenommen wird, während in dem anderen 2b bzw. 2d der
Ansaugtakt vorgenommen wird.
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Der
Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 steigt durch die
Expansionsverlängerung nahezu in sämtlichen Betriebszuständen
an, jedoch kann es bei einer sehr geringen Last in Verbindung mit
einer sehr großen Expansionsverlängerung zu einer
Verringerung des Wirkungsgrades kommen, da das unter geringem Druck
stehende Verbrennungsgas durch die lange Expansion auf ein Druckniveau
unterhalb des Atmosphärendrucks expandiert wird.
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Um
dies zu vermeiden, ist der Hub der Kolben in den Expansionszylindern 4a, 4b in
Abhängigkeit vom Betrieszustand der Brennkraftmaschine 1 verstellbar,
so dass bei sehr geringen Lasten an Stelle einer Expansionsverlängerung
von beispielsweise 100% eine Expansionsverlängerung von
beispielsweise etwa 30% eingestellt werden kann, bei der sich noch
eine Wirkungsgradsteigerung ergibt.
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Zur
Verstellung des Hubs der Kolben in den Expansionszylindern
4a,
4b kann
zum Beispiel zwischen jedem Kolben und der Kurbelwelle
3 ein
Hebelmechanismus von der aus der
DE 10 2006 003 737 B3 bekannten Art verwendet
werden, der daher hier nicht näher beschrieben werden soll.
Alternativ kann zwischen die Pleuel der Kolben der Expansionszylinder
4a,
4b und
die zugehörigen Hubzapfen der Kurbelwelle eine bei Bedarf
verdrehbare Exzenterhülse eingesetzt werden, ähnlich
wie in der
US 6,453,869
B1 offenbart, während zwischen den Pleueln der
Kolben der Verbrennungszylinder
2a,
2b,
2c,
2d und
den zugehörigen Hubzapfen der Kurbelwelle
3 keine
Exzenterhülse vorgesehen wird.
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- erste
Gruppe von Zylindern (Verbrennungszylinder)
- 3
- Kurbelwelle
- 4
- zweite
Gruppe von Zylindern (Expansionszylinder)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 99/06682
A2 [0005, 0014]
- - DE 102006003737 B3 [0007, 0012, 0033]
- - US 6453869 B1 [0007, 0013, 0033]