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Dokumentenidentifikation DE102005018565B4 06.12.2007
Titel Kraftstoffeinspritzung für einen Freikolbenmotor
Anmelder Ford Global Technologies, LLC, Dearborn, Mich., US
Erfinder Peng, Lixin, Rochester Hills, Mich., US;
Hofbauer, Peter, Dr., West Bloomfield, Mich., US;
Yang, Jialin, Canton, Mich., US
Vertreter Viering, Jentschura & Partner, 81675 München
DE-Anmeldedatum 21.04.2005
DE-Aktenzeichen 102005018565
Offenlegungstag 29.12.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 06.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.12.2007
Free division/divided out on the grounds of lack of unity 102005063408.7
IPC-Hauptklasse F02B 71/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Freikolbenmotor. Herkömmlich arbeiteten Verbrennungsmotoren mit der mechanisch festgelegten Kolbenbewegung. Zum Beispiel weist ein herkömmlicher Verbrennungsmotor für ein Motorfahrzeug eine Kurbelwelle und eine Pleuelstangenanordnung auf, welche die Bewegung jedes Kolbens in dessen jeweiligem Zylinder mechanisch bestimmen. Dieser Motortyp ist erwünscht, da die Position jedes Kolbens für jeden vorgegebenen Punkt in dem Motorzyklus bekannt ist, was die Zeitsteuerung und den Betrieb des Motors vereinfacht. Während bei diesen herkömmlichen Motortypen aufgrund des Wesens der Motoren in den letzten Jahren deutliche Verbesserungen in der Effizienz erkennbar waren, ist diese Effizienz noch begrenzt. Insbesondere ist die Leistungsdichte begrenzt, da die mechanisch festgelegte Kolbenbewegung das Verdichtungsverhältnis festlegt. Darüber hinaus erzeugen alle beweglichen Teile, welche die Bewegung der Kolben (und auch der Nockenwellen und Motorventile) führen, eine große Menge an Reibung, wodurch Energie von dem Motor selbst weggenommen wird. Die daraus resultierende geringere Leistungsdichte bedeutet, dass der Motor größer und schwerer wird, als erwünscht ist. Ebenso ist die Flexibilität in der Gestaltung und Unterbringung des Motors wegen allen herzustellenden mechanischen Verbindungen begrenzt.

Einige Kurbelwellenmotoren verwenden die Direkteinspritzung von Kraftstoff in die Zylinder. Während diese Direkteinspritzung vorteilhaft zur weiteren Verbesserung des Motorbetriebs angewendet werden kann, sind die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen und die Einspritzsysteme, welche diese betreiben, im Allgemeinen sehr kostenaufwendig. Insbesondere muss die Einspritzung im Allgemeinen mit einem sehr hohen Kraftstoffdruck durchgeführt werden, was ein kostenaufwendiges System erfordern kann, um den Kraftstoff auf diese hohen Drücke zu bringen und zu steuern. Darüber hinaus ist jede Kraftstoffeinspritzdüse direkt der extremen Hitze und den extremen Drücken während des gesamten Verbrennungsvorgangs in deren Zylinder ausgesetzt, was eine relativ teure Gestaltung der Kraftstoffeinspritzvorrichtung erfordert, um diesen strengen Umgebungsbedingungen standzuhalten.

Demzufolge ist es aus Umwelt- und anderen Gründen erwünscht, einen Motor mit einer höheren Leistungsdichte als diese herkömmlichen Motoren zu schaffen. Die Vorteile von geringerem Relativgewicht, geringerer Gehäusegröße und verbesserter Kraftstoffeffizienz können ein großer Vorteil bei Anwendungen sowohl in der Fahrzeug- als auch Stationärantriebherstellung sein.

Ein anderer Verbrennungsmotortyp ist ein Freikolbenmotor. Dies ist ein Motor, bei dem die Bewegung der Kolben in den Zylindern nicht mechanisch festgelegt ist. Die Bewegung wird durch den Ausgleich von Kräften gesteuert, die auf jeden Kolben in einer vorgegebenen Zeit einwirken. Da die Bewegung nicht festgelegt ist, können die Motoren variable Verdichtungsverhältnisse haben, was mehr Flexibilität in der Gestaltung der Betriebsparameter des Motors ermöglicht. Ebenso tritt, da es keine herkömmlichen Kurbelwellen und an diesen angebrachte Pleuelstangen gibt, was die kolbenseitige Kraft reduziert, insgesamt weniger Reibung auf, die während des Motorbetriebs erzeugt wird. Darüber hinaus ist auch eine Konfiguration eines Freikolbenmotors mit gegenüberliegenden Kolben und Zylindern (OPOC) aufgrund dessen in sich ausgeglichenen Betriebs mit einem kompakten Aufbau erwünscht. Ein besonderer vorteilhafter Weg, einen solchen Motor zu betreiben, ist ein Zweitaktverbrennungszyklus, und noch vorteilhafter ist es, mit einem Verbrennungstyp der homogenen Kompressionszündung (HCCI) zu arbeiten, welcher beste Vorteile in der Fähigkeit bringt, den Motor mit einem variablen Verdichtungsverhältnis zu betreiben, um die Leistungsdichte des Motors weiter zu erhöhen.

Aus der DE 600 22 228 T2 und der US 6 279 517 B1 ist jeweils ein Freikolbenmotor bekannt, der einen Zylinder und einen darin angeordneten Kolben aufweist, wobei die Kraftstoffeinspritzung am Zylinderkopf erfolgt.

Jedoch beschäftigt man sich insbesondere mit der Angelegenheit, wie der Kraftstoff in eine solche Konfiguration unter Beibehaltung der Kraftstoffeffizienz und der Minimierung der Kosten und Komplexität eines solchen Motors einzuspritzen ist.

Die Erfindung stellt einen Freikolbenmotor gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenmotors gemäß Anspruch 10 bereit. Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Freikolbenmotors sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Ein Vorteil einer Ausführungsform der Erfindung ist, dass ein Freikolbenmotor mit einer inhärenten Fähigkeit zum leichteren Variieren der Konfiguration eines Freikolbenmotors mit gegenüberliegenden Kolben und Zylindern (OPOC) einen in sich ausgeglicheneren Freikolbenmotor ermöglicht, während auch ein wirksamer Motorbetrieb mit Verbrennung bei homogener Kompressionszündung (HCCI) möglich ist. Ein solcher Motor kann mit relativ wenig beweglichen Hauptteilen arbeiten, die während des Motorbetriebs im Allgemeinen weniger Gesamtreibung als bei einem Kurbelwellenmotor zu bewältigen haben.

Ein anderer Vorteil einer Ausführungsform der Erfindung ist, dass die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsanordnung den Kraftstoff direkt in einen Motorzylinder einspritzt, während die Kraftstoffeinspritzdüse nicht den extremen Temperaturen und Drücken ausgesetzt ist, die in dem Anfangsabschnitt eines Verbrennungsvorgangs vorhanden sind. Daher kann eine relativ kostengünstigere Kraftstoffeinspritzvorrichtung als bei einem Direkteinspritzungssystem angewendet werden, wo die Kraftstoffeinspritzdüse dem gesamten Verbrennungsvorgang ausgesetzt ist.

Ein weiterer Vorteil einer Ausführungsform der Erfindung ist, dass der Kraftstoff in einen Motorzylinder eines Zweitaktmotors eingespritzt wird, der keine Ansaug- oder Abgasventile benötigt, dennoch minimiert der Motor unverbrannten Kraftstoff, der durch die Abgasöffnungen hindurch entweicht, durch spätere Einspritzung von Kraftstoff gerade vor dem Schließen der Abgasöffnung, wodurch keine Zeit für den Kraftstoff bleibt, die Abgasöffnung vor deren Schließen zu erreichen.

Ein zusätzlicher Vorteil einer Ausführungsform der Erfindung ist, dass eine Einspritzvorrichtung mit feinem Nebel und kurzer Durchdringung verwendet werden kann, um zu ermöglichen, dass sich eine Kraftstoffwolke in der Mitte der Zylinderbohrung bildet, und zu vermeiden, dass Kraftstoff die gegenüberliegende Seitenwand kontaktiert, wodurch ein homogenes Kraftstoff/Luftgemisch begünstigt wird, besonders wenn dies mit einer Luftverwirbelungsbewegung kombiniert wird, die durch die Öffnung induziert wird.

Ein zusätzlicher Vorteil einer Ausführungsform der Erfindung ist, dass bei dem Motor der Kraftstoff und die Luft, die in den Zylinder eingeführt werden, eine relativ lange Mischungszeit haben, wodurch ein homogeneres Kraftstoff/Luftgemisch als bei früheren Motortypen mit Direkteinspritzung sichergestellt wird. Darüber hinaus kann im Allgemeinen der Kraftstoff unter einem relativ niedrigen Druck im Vergleich zu den herkömmlichen Motortypen mit Direkteinspritzung eingespritzt werden.

Die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines Freikolbenmotors mit gegenüberliegendem Kolben und Zylinder mit hydraulischer Steuerung und hydraulischem Abtrieb gemäß der Erfindung;

2 eine Vorderansicht des Motors aus 1;

3A und 3B jeweils eine Draufsicht des Motors aus 1;

4A und 4B jeweils eine Seitenansicht des Motors aus 1;

5A einen Schnitt des Motors entlang der Linie 5A-5A in 3A;

5B einen Schnitt des Motors entlang der Linie 5B-5B in 3B;

6A einen Schnitt des Motors entlang der Linie 6A-6A in 4A;

6B einen Schnitt des Motors entlang der Linie 6B-6B in 4B;

7 eine perspektivische Ansicht eines Teils des Motors aus 1, und insbesondere der Oberseite einer Hydraulikpumpenblockanordnung und einer Innenkolbenanordnung;

8 eine perspektivische Ansicht wie in 7, jedoch von der Unterseite der Hydraulikpumpenblockanordnung und der Innenkolbenanordnung betrachtet;

9 eine perspektivische Ansicht einer Zylinderlaufbuchse des Motors aus 1;

10 eine schematische Ansicht des Hydraulikschaltkreises des Motors aus 1;

11 eine schematische Ansicht eines Teils des Elektronikschaltkreises, der bei dem Motor aus 1 angewendet wird; und

12 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines Teils des Motors aus 1, welche die Kraftstoffeinspritzung von einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung in einen Motorzylinder zeigt.

1 bis 12 zeigen einen hydraulischen Freikolbenmotor 10 mit gegenüberliegenden Kolben und Zylindern. Der Motor 10 weist eine Hydraulikpumpenblockanordnung 12 mit einer ersten Kolben/Zylinderanordnung 14, die sich von dieser erstreckt, und einer zweiten Kolben/Zylinderanordnung 16 auf, die sich von der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 in der entgegengesetzten Richtung erstreckt, so dass diese in einer Linie sind. Die Zeitsteuerung der ersten Kolben/Zylinderanordnung 14 ist entgegengesetzt zu der Zeitsteuerung der zweiten Kolben/Zylinderanordnung 16. Daher ist, wenn die eine Anordnung in dem oberen Totpunkt ist, die andere Anordnung in dem unteren Totpunkt. Darüber hinaus verläuft die Bewegung entlang oder parallel zu einer einzigen Bewegungsachse. Diese Konfiguration des Freikolbenmotors ermöglicht einen in sich ausgeglicheneren Motor.

Außerdem offenbart die folgende Beschreibung einen Motor, der nicht nur Energie speichert, die von dem Motor in der Form von druckbeaufschlagtem Fluid erzeugt wird, sondern nutzt auch etwas von diesem druckbeaufschlagten Fluid zum Starten und unterstützt zeitweise die Steuerung des Motorbetriebs und die Aufrechterhaltung des Motorausgleichs.

Die erste Kolben/Zylinderanordnung 14 weist einen ersten Zylindermantel 18 auf, welcher an der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 montiert ist. Der erste Zylindermantel 18 weist eine erste Abgasspirale 20 auf, welche benachbart zu der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 angeordnet ist. Das Innere der ersten Abgasspirale 20 definiert einen inneren Abgaskanal 22, der sich am Umfang um den ersten Zylindermantel 18 herum und radial nach außen zu einem ersten Abgasflansch 24 erstreckt. Der Abgasflansch 24 ist mit einem Abgassystem (nicht gezeigt) zum Wegführen des Abgases während des Motorbetriebs verbindbar. Das Abgassystem kann von irgendeiner gewünschten Art sein, so lange wie es die Abgase ausreichend behandelt und diese wegführt. Das Abgassystem kann zum Beispiel einen Auspuffkrümmer, einen Schalldämpfer, einen Katalysator, einen Turbolader oder eine Kombination derselben und möglicher anderer Bauteile aufweisen.

Der erste Zylindermantel 18 weist auch eine Kühlmitteleinlassöffnung 26 auf, welche benachbart zu der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 liegt und sich in eine insgesamt am Umfang erstreckende Kühlmittelpassage 28 erstreckt. Die Kühlmitteleinlassöffnung 26 ist mit einem Kühlmittelkühlsystem (nicht gezeigt) verbunden, welches zum Beispiel einen Wärmetauscher, wie einen Kühler, zum Entziehen von Wärme aus dem Motorkühlmittel, eine Wasserpumpe zum Pumpen des Kühlmittels durch das Kühlsystem hindurch, einen Temperatursensor und ein Strömungsventil zum Halten des Kühlmittels in einem gewünschten Temperaturbereich, Kühlmittelleitungen, die sich zwischen den Bauteilen erstrecken, oder eine Kombination dieser und möglicher anderer Bauteile aufweist. Das Kühlsystem kann von irgendeiner gewünschten Art eines Motorkühlsystems sein, so lange wie es die ausreichende Wärmemenge aus dem Motor entzieht.

An dem der Abgasspirale 20 entgegengesetzten Ende des ersten Zylindermantels 18 erstreckt sich am Umfang ein Luftansaugring 30, dessen Inneres einen Luftansaugkanal 31 definiert. Der erste Zylindermantel 18 bildet benachbart zu dem Luftansaugring 30 einen Kraftstoffeinspritzvorrichtungsansatz 32, in dem eine erste Kraftstoffeinspritzvorrichtung 34 montiert ist. Die erste Kraftstoffeinspritzvorrichtung 34 ist mit einer elektronischen Steuereinrichtung 35 elektrisch verbunden, welche ein Signal zur Steuerung des Zeitpunktes und der Dauer des Öffnens der Kraftstoffeinspritzvorrichtung bereitstellt. Die erste Kraftstoffeinspritzvorrichtung 34 ist auch mit einer Kraftstoffeinspritzvorrichtungsschiene 37 verbunden, welche Kraftstoff von einem Kraftstoffsystem 39 zuführt (nur schematisch gezeigt). Das Kraftstoffsystem 39 kann zum Beispiel einen Kraftstoffbehälter, eine Kraftstoffpumpe, Kraftstoffleitungen, die zu der Kraftstoffschiene führen, oder eine Kombination dieser und möglicher anderer Bauteile aufweisen. Irgendeine Art von Kraftstoffsystem, das eine angemessene Menge an Kraftstoff unter dem gewünschten Druck an die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 34 liefern kann, ist generell akzeptabel. Vorzugsweise weist die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsschiene 37 auch einen Kraftstoffdrucksensor 41 auf, der mit der Steuereinrichtung 35 elektrisch verbunden ist. Die Steuereinrichtung 35 wird vorzugsweise von einem elektrischen System mit einer Batterie (nicht gezeigt), einem elektrischen Generator oder einer Lichtmaschine betrieben, welche vorzugsweise durch Energie, die von dem Motor 10 abgegeben wird, oder irgendeiner anderen angemessenen elektrischen Energieversorgung angetrieben wird. Ebenso kann, obwohl die Steuereinrichtung 35 hier in der Einzahl genannt ist, diese mehrere elektronische Prozessoren in Verbindung miteinander aufweisen, wenn es erwünscht ist.

In der Mitte zwischen der ersten Abgasspirale 20 und dem Luftansaugring 30 bildet der erste Zylindermantel 18 einen Drucksensormontageansatz 36, in dem ein erster Zylinderdrucksensor 38 montiert ist. Der erste Zylinderdrucksensor 38 ist vorzugsweise mit der Steuereinrichtung 35 elektrisch verbunden. Sowohl der Kraftstoffeinspritzvorrichtungsansatz 32 als auch der Drucksensormontageansatz 36 erstrecken sich durch den ersten Zylindermantel 18 hindurch zu einer Hauptbohrung 40, die sich längs des ersten Zylindermantels 18 erstreckt. Die Kühlmittelpassage 28, der innere Abgaskanal 22 und der Luftansaugring 30 münden auch alle in die Hauptbohrung 40.

Die erste Kolben/Zylinderanordnung 14 weist auch eine erste Zylinderlaufbuchse 42 auf, welche sich durch die Hauptbohrung 40 des ersten Zylindermantels 18 hindurch erstreckt und vorzugsweise in diese eingepresst ist. Die erste Zylinderlaufbuchse 42 weist eine zylindrisch geformte Hauptbohrung auf, die sich durch diese hindurch erstreckt und den ersten Motorzylinder 44 definiert. Die Mittelachse des ersten Motorzylinders 44 verläuft vorzugsweise längs der Bewegungsachse. Die erste Zylinderlaufbuchse 42 weist auch eine Reihe von am Umfang im Abstand voneinander angeordneten Abgasöffnungen 46 auf, welche sich zwischen dem ersten Motorzylinder 44 und dem inneren Abgaskanal 22 des ersten Zylindermantels 18 erstrecken und diese miteinander verbinden.

Die erste Zylinderlaufbuchse 42 liegt benachbart zu den Abgasöffnungen 46 an der Kühlmittelpassage 28 in dem ersten Zylindermantel 18 an. Die Kühlmittelpassage 28 ist mit einer Reihe von im Abstand voneinander angeordneten schraubenförmigen Rippen 48 verbunden, die sich von der ersten Zylinderlaufbuchse 42 radial nach außen erstrecken und an der Hauptbohrung 40 des ersten Zylindermantels 18 unter Bildung einer Reihe von Zylinderkühlmittelpassagen 50 anliegen. Innerhalb dieser Rippen 48 erstreckt sich ein Zylinderdrucksensorgewindeansatz 52 von dem ersten Motorzylinder 44 zu dem Drucksensormontageansatz 36 an dem ersten Zylindermantel 18. Dadurch kann der erste Zylinderdrucksensor 38 zu dem ersten Motorzylinder 44 freigelegt werden, während der Zylinderdrucksensor 38 von dem Motorkühlmittel abgedichtet ist.

Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung 54 ist zu dem Kraftstoffeinspritzvorrichtungsansatz 32 ausgerichtet und erstreckt sich durch die Rippen 48 hindurch zu dem ersten Motorzylinder 44. Dadurch kann eine Düse 55 der ersten Kraftstoffeinspritzvorrichtung 34 zu dem ersten Motorzylinder 44 freigelegt sein und Kraftstoff 57 (in 12 schematisch gezeigt) direkt in diesen einspritzen.

Die erste Zylinderlaufbuchse 42 weist auch eine Reihe von am Umfang im Abstand voneinander angeordneten Luftansaugöffnungen 56 auf, die zu dem Luftansaugring 30 des ersten Zylindermantels 18 ausgerichtet sind und in den ersten Motorzylinder 44 münden. Die Luftansaugöffnungen 56 sind vorzugsweise benachbart zu der Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung 54 und im weiteren Abstand von den Abgasöffnungen 46 als von der Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung 54 entfernt angeordnet. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung 54 ist vorzugsweise abgewinkelt, so dass die Düse 55 den Kraftstoff 57 in der Hauptrichtung der Luftansaugöffnungen 56 einspritzt. Ebenfalls benachbart zu den Luftansaugöffnungen 56 ist eine Reihe von im Abstand voneinander angeordneten Ölnebellöchern 58, die am Umfang um die erste Zylinderlaufbuchse 42 herum liegen.

Die erste Kolben/Zylinderanordnung 14 weist einen ersten Luftgürtel 60 auf. Der Luftgürtel 60 ist um die erste Zylinderlaufbuchse 42 herum montiert und liegt an dem ersten Zylindermantel 18 an der Stelle des Luftansaugringes 30 an. Ein Öleinlassrohr 62 steht von dem ersten Luftgürtel 60 vor und erstreckt sich durch diesen hindurch und ist mit einem Ölnebelring 64 verbunden. Der Ölnebelring 64 liegt an der Stelle der Ölnebellöcher 58 an der ersten Zylinderlaufbuchse 42 an und erstreckt sich am Umfang um diese herum. Das Öleinlassrohr 62 ist vorzugsweise mit einem Ölvernebler (nicht gezeigt) verbunden, welcher eine mit einer Ölquelle verbundene Einlassöffnung aufweist und eine Mischung aus Öl und Luft an den Ölnebelring 64 liefert. Die Ölquelle kann ein Teil eines Ölversorgungssystems (nicht gezeigt) sein. Das Ölversorgungssystem kann zum Beispiel eine Ölpumpe, einen Ölfilter, einen Ölkühler, einen Ölsumpf, Ölleitungen zum Übertragen des Öls durch das System hindurch, oder eine Kombination dieser und möglicher anderer Bauteile aufweisen.

Das Ölversorgungssystem kann irgendein solches System sein, das mit den Motorbauteilen zusammenwirken kann, um Schmieröl ausreichend zu filtern und dem Motor während dessen Betriebs zuzuführen.

Ebenso liegt ein Kühlmittelring 66 an der ersten Zylinderlaufbuchse 42 an und erstreckt sich am Umfang um diese herum. Der Kühlmittelring 66 ist mit den Zylinderkühlmittelpassagen 50 und auch mit einer Kühlmittelaustrittsöffnung 68 verbunden, die sich von dem ersten Luftgürtel 60 erstreckt. Die Kühlmittelaustrittsöffnung 68 ist mit dem Kühlmittelkühlsystem (nicht gezeigt) verbunden, welches oben erläutert wurde. Der erste Luftgürtel 60 weist auch ein Paar Zugstangenpassagen 70 und eine Ansaugluftpassage 72 auf, die mit dem Luftansaugring 30 des ersten Zylindermantels 18 in Verbindung stehen.

Die erste Kolben/Zylinderanordnung 14 enthält auch eine erste Spülpumpe 74. Die Spülpumpe 74 weist ein Spülpumpengehäuse 76 auf, das an dem ersten Luftgürtel 60 und um das Ende der ersten Zylinderlaufbuchse 42 herum montiert ist. Das Spülpumpengehäuse 76 weist eine Hauptpumpenkammer 78 mit Einlassöffnungen 80, die zu einer Einlasskammer 82 führen, und Auslassöffnungen 84 auf, die zu einer Auslasskammer 86 führen. Die Hauptpumpenkammer 78 hat eine zylindrische Form mit einem im Wesentlichen elliptischen Querschnitt.

An der Einlasskammer 82 sind eine Einlasszungenventilanordnung 88 und ein Spülpumpeneinlassdeckel 90 montiert. Der Einlassdeckel 90 weist eine Lufteinlassöffnung 92 auf, welche vorzugsweise mit einem Lufteinlasssystem (nicht gezeigt) verbunden ist. Das Lufteinlasssystem kann zum Beispiel einen Einlasskrümmer, der vorzugsweise Luft von irgendeiner Art eines Turboladers oder mechanischen Kompressors aufnimmt, ein Luftdrosselventil, einen Massenluftstromsensor, einen Umgebungslufttemperatursensor, einen Luftfilter oder eine Kombination dieser und möglicher anderer Bauteile aufweisen. Das Lufteinlasssystem kann irgendein solches System sein, das ein gewünschtes Volumen an Luft mit einem gewünschten Druck an die Lufteinlassöffnung 92 für die jeweiligen Motorbetriebszustände liefert.

In der Einlasszungenventilanordnung 88 sind Zungenventile 94 derart ausgerichtet, dass ein Luftstrom von dem Einlassdeckel 90 in die Einlasskammer 82 ermöglicht wird, jedoch ein Luftstrom in der entgegengesetzten Richtung verhindert wird. An der Auslasskammer 86 sind eine Auslasszungenventilanordnung 89 und ein Spülpumpenauslassdeckel 91 montiert. Der Auslassdeckel 91 weist eine Lufteinlasspassage 93 auf, die von der Auslasszungenventilanordnung 89 über die Ansaugluftpassage 72 in dem ersten Luftgürtel 60 zu dem Luftansaugkanal 31 des ersten Zylindermantels 18 führt. In der Auslasszungenventilanordnung 89 sind Zungenventile 95 derart ausgerichtet, dass sie einen Luftstrom aus der Auslasskammer 86 zu der Lufteinlasspassage 93 ermöglichen, jedoch einen Luftstrom in der entgegengesetzten Richtung verhindern.

Die zweite Kolben/Zylinderanordnung 16 weist einen zweiten Zylindermantel 118 auf, welcher an der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 montiert ist. Der zweite Zylindermantel 118 weist eine zweite Abgasspirale 120 auf, welche benachbart zu der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 angeordnet ist. Das Innere der zweiten Abgasspirale 120 definiert einen inneren Abgaskanal 122, der sich am Umfang um den zweiten Zylindermantel 118 herum und radial nach außen zu einem zweiten Abgasflansch 124 erstreckt. Der Abgasflansch 124 ist mit dem Abgassystem (nicht gezeigt) verbindbar, das oben kurz erläutert ist. Der zweite Zylindermantel 118 weist auch eine Kühlmitteleinlassöffnung 126 auf, welche benachbart zu der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 liegt und sich in eine insgesamt am Umfang erstreckende Kühlmittelpassage 128 erstreckt. Die Kühlmitteleinlassöffnung 126 ist mit einem Kühlmittelkühlsystem (nicht gezeigt) verbunden.

An dem der Abgasspirale 120 entgegengesetzten Ende des zweiten Zylindermantels 118 erstreckt sich am Umfang ein Luftansaugring 130, dessen Inneres einen Luftansaugkanal 131 definiert. Der zweite Zylindermantel 118 bildet benachbart zu dem Luftansaugring 130 einen Kraftstoffeinspritzvorrichtungsansatz 132, in dem eine zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung 134 montiert ist. Die zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung 134 ist mit der elektronischen Steuereinrichtung 35 elektrisch verbunden, welche ein Signal zur Steuerung des Zeitpunktes und der Dauer des Öffnens der Kraftstoffeinspritzvorrichtung bereitstellt. Die zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung 134 ist auch mit der Kraftstoffeinspritzvorrichtungsschiene 37 verbunden, welche Kraftstoff von dem Kraftstoffsystem 39 zuführt. Das Kraftstoffsystem 39 kann zum Beispiel einen Kraftstoffbehälter, eine Kraftstoffpumpe und Kraftstoffleitungen aufweisen, die zu der Kraftstoffschiene führen. Vorzugsweise weist die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsschiene 37 auch einen Kraftstoffdrucksensor 141 auf, der mit der Steuereinrichtung 35 elektrisch verbunden ist.

In der Mitte zwischen der zweiten Abgasspirale 120 und dem Luftansaugring 130 bildet der zweite Zylindermantel 118 einen Drucksensormontageansatz 136, in dem ein zweiter Zylinderdrucksensor 138 montiert ist. Sowohl der Kraftstoffeinspritzvorrichtungsansatz 132 als auch der Drucksensormontageansatz 136 erstrecken sich durch den ersten Zylindermantel 118 hindurch zu einer Hauptbohrung 140, die sich längs des zweiten Zylindermantels 118 erstreckt. Die Kühlmittelpassage 128, der innere Abgaskanal 122 und der Luftansaugring 130 münden auch alle in die Bohrung 140.

Die zweite Kolben/Zylinderanordnung 16 weist auch eine zweite Zylinderlaufbuchse 142 auf, welche sich durch die Hauptbohrung 140 des zweiten Zylindermantels 118 hindurch erstreckt und vorzugsweise in diese eingepresst ist. Die zweite Zylinderlaufbuchse 142 weist eine zylindrisch geformte Hauptbohrung auf, die sich durch diese hindurch erstreckt und den zweiten Motorzylinder 144 definiert. Die Mittelachse des zweiten Motorzylinders 144 verläuft vorzugsweise längs der Bewegungsachse. Die zweite Zylinderlaufbuchse 142 weist auch eine Reihe von am Umfang im Abstand voneinander angeordneten Abgasöffnungen 146 auf, welche sich zwischen dem zweiten Motorzylinder 144 und dem inneren Abgaskanal 122 des zweiten Zylindermantels 118 erstrecken und diese miteinander verbinden.

Die zweite Zylinderlaufbuchse 142 liegt benachbart zu den Abgasöffnungen 146 an der Kühlmittelpassage 128 in dem zweiten Zylindermantel 118 an. Die Kühlmittelpassage 128 ist mit einer Reihe von im Abstand voneinander angeordneten schraubenförmigen Rippen 148 verbunden, die sich von der zweiten Zylinderlaufbuchse 142 erstrecken und an der Hauptbohrung 140 des zweiten Zylindermantels 118 unter Bildung einer Reihe von Zylinderkühlmittelpassagen 150 anliegen. Innerhalb dieser Rippen 148 erstreckt sich ein Zylinderdrucksensorgewindeansatz 152 von dem zweiten Motorzylinder 144 zu dem Drucksensormontageansatz 136 an dem zweiten Zylindermantel 118. Dadurch kann der zweite Zylinderdrucksensor 138 zu dem zweiten Motorzylinder 144 freigelegt werden, während der Zylinderdrucksensor 138 von dem Motorkühlmittel abgedichtet ist.

Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung ist zu dem Kraftstoffeinspritzvorrichtungsansatz 132 ausgerichtet und erstreckt sich durch die Rippen 148 hindurch zu dem zweiten Motorzylinder 144. Dadurch kann sich die zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung 134 durch den zweiten Motorzylinder 144 hindurch erstrecken und Kraftstoff direkt in diesen einspritzen.

Die zweite Zylinderlaufbuchse 142 weist auch eine Reihe von am Umfang im Abstand voneinander angeordneten Luftansaugöffnungen 156 auf, die zu dem Luftansaugring 130 des zweiten Zylindermantels 118 ausgerichtet sind und in den zweiten Motorzylinder 144 münden. In derselben Weise wie bei dem ersten Motorzylinder 44 sind die Luftansaugöffnungen 156 benachbart zu der Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung, wobei die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 134 abgewinkelt ist, so dass der Kraftstoff in der Hauptrichtung der Luftansaugöffnungen 156 einspritzt wird. Ebenfalls benachbart zu den Luftansaugöffnungen 156 ist eine Reihe von im Abstand voneinander angeordneten Ölnebellöchern 158, die am Umfang um die zweite Zylinderlaufbuchse 142 herum liegen.

Die zweite Kolben/Zylinderanordnung 16 weist auch einen zweiten Luftgürtel 160 auf. Der Luftgürtel 160 ist um die zweite Zylinderlaufbuchse 142 herum montiert und liegt an dem zweiten Zylindermantel 118 an der Stelle des Luftansaugringes 130 an. Ein Öleinlassrohr 162 steht von dem zweiten Luftgürtel 160 vor und erstreckt sich durch diesen hindurch und ist mit einem Ölnebelring 164 verbunden. Der Ölnebelring 164 liegt an der Stelle der Ölnebellöcher 158 an der zweiten Zylinderlaufbuchse 142 an und erstreckt sich am Umfang um diese herum. Das Öleinlassrohr 162 ist vorzugsweise mit dem Ölvernebler (nicht gezeigt) verbunden, um eine Mischung aus Öl und Luft an den Ölnebelring 164 zu liefern.

Ebenso liegt ein Kühlmittelring 166 an der zweiten Zylinderlaufbuchse 142 an und erstreckt sich am Umfang um diese herum. Der Kühlmittelring 166 ist mit den Zylinderkühlmittelpassagen 150 und auch mit einer Kühlmittelaustrittsöffnung 168 verbunden, die sich von dem zweiten Luftgürtel 160 erstreckt. Die Kühlmittelaustrittsöffnung 168 ist mit dem Kühlmittelkühlsystem (nicht gezeigt) verbunden, das oben erläutert ist. Der zweite Luftgürtel 160 weist auch ein Paar Zugstangenpassagen 170 und eine Ansaugluftpassage 172 auf, die mit dem Luftansaugring 130 des zweiten Zylindermantels 118 in Verbindung stehen.

Die zweite Kolben/Zylinderanordnung 16 enthält auch eine zweite Spülpumpe 174. Die Spülpumpe 174 weist ein Spülpumpengehäuse 176 auf, das an dem zweiten Luftgürtel 160 und um das Ende der zweiten Zylinderlaufbuchse 142 herum montiert ist. Das Spülpumpengehäuse 176 weist eine Hauptpumpenkammer 178 mit Einlassöffnungen 180, die zu einer Einlasskammer 182 führen, und Auslassöffnungen 184 auf, die zu einer Auslasskammer 186 führen. Die Hauptpumpenkammer 178 hat eine zylindrische Form mit einem im Wesentlichen elliptischen Querschnitt.

An der Einlasskammer 182 sind eine Einlasszungenventilanordnung 188 und ein Spülpumpeneinlassdeckel 190 montiert. Der Einlassdeckel 190 weist eine Lufteinlassöffnung 192 auf, welche vorzugsweise mit dem Einlasskrümmer (nicht gezeigt) verbunden ist, der vorzugsweise Luft von irgendeiner Art eines Kompressors oder Turboladers (nicht gezeigt) aufnimmt. In der Einlasszungenventilanordnung 188 sind Zungenventile 194 derart ausgerichtet, dass ein Luftstrom von dem Einlassdeckel 190 in die Einlasskammer 182 ermöglicht wird, jedoch ein Luftstrom in der entgegengesetzten Richtung verhindert wird.

An der Auslasskammer 186 sind eine Auslasszungenventilanordnung 189 und ein Spülpumpenauslassdeckel 191 montiert. Der Auslassdeckel 191 weist eine Lufteinlasspassage 193 auf, die von der Auslasszungenventilanordnung 189 über die Ansaugluftpassage 172 in dem zweiten Luftgürtel 160 zu dem Luftansaugkanal 131 des zweiten Zylindermantels 118 führt. In der Auslasszungenventilanordnung 189 sind Zungenventile 195 derart ausgerichtet, dass sie einen Luftstrom aus der Auslasskammer 186 zu der Lufteinlasspassage 193 ermöglichen, jedoch einen Luftstrom in der entgegengesetzten Richtung verhindern.

In den beiden Kolben/Zylinderanordnungen 14 und 16 sind zwei Kolbenanordnungen, d.h. eine Innenkolbenanordnung 200 und eine Außenkolbenanordnung 250 enthalten. Die Innenkolbenanordnung 200 weist einen ersten Innenkolben 202 auf, der innerhalb des ersten Motorzylinders 44 montiert ist, wobei der Kopf 210 des ersten Innenkolbens 202 von der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 weg gerichtet ist und die Rückseite 211 zu der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 hin gerichtet ist. Der erste Innenkolben 202 ist in dem ersten Motorzylinder 44 mit einem geringen Abstand zwischen dessen Außendurchmesser und der wand des ersten Motorzylinders 44 montiert. Dementsprechend weist der erste Innenkolben 202 auch vorzugsweise drei Ringnuten um dessen Umfang herum auf, wobei die erste Nut einen ersten Verdichtungsring 204, die zweite Nut einen zweiten Verdichtungsring 206 und die dritte Nut einen Ölabstreifring 208 aufnimmt. Alle drei Ringe 204, 206 und 208 sind derart bemessen, dass sie gegen die Wand des ersten Motorzylinders 44 abdichten.

Der erste Innenkolben 202 weist auch vorzugsweise eine Reihe von Bohrungen 212 auf, die sich axial von der Rückseite 211 des Innenkolbens 202 zu dem Kopf 210 hin erstrecken. Jede Bohrung 212 ist bevorzugt teilweise mit einer Natriumverbindung gefüllt und weist eine Kappe 214 zum Abdichten der Natriumverbindung in der Bohrung 212 auf.

Die Innenkolbenanordnung 200 weist ferner einen zweiten Innenkolben 220 auf, der innerhalb des zweiten Motorzylinders 144 montiert ist, wobei der Kopf 222 des zweiten Innenkolbens 220 von der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 weg gerichtet ist und die Rückseite 223 zu der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 hin gerichtet ist. Der zweite Innenkolben 220 ist in dem zweiten Motorzylinder 144 mit einem geringen Abstand zwischen dessen Außendurchmesser und der Wand des zweiten Motorzylinders 144 montiert. Dementsprechend weist der zweite Innenkolben 220 auch vorzugsweise drei Ringnuten um dessen Umfang herum auf, wobei die erste Nut einen ersten Verdichtungsring 224, die zweite Nut einen zweiten Verdichtungsring 226 und die dritte Nut einen Ölabstreifring 228 aufnimmt. Alle drei Ringe 224, 226 und 228 sind derart bemessen, dass sie gegen die Wand des zweiten Motorzylinders 144 abdichten.

Der zweite Innenkolben 220 weist auch vorzugsweise eine Reihe von Bohrungen 230 auf, die sich axial von der Rückseite 223 des Innenkolbens 220 zu dem Kopf 222 hin erstrecken. Jede Bohrung 230 ist bevorzugt teilweise mit einer Natriumverbindung gefüllt und weist eine Kappe 232 zum Abdichten der Natriumverbindung in der Bohrung 230 auf.

Der erste Innenkolben 202 weist eine mittig gelegene, sich axial durch diesen hindurch erstreckende Bohrung 216 auf, die ein Befestigungselement 218 aufnimmt, und der zweite Innenkolben 220 weist auch eine mittig gelegene, sich axial durch diesen hindurch erstreckende Bohrung 234 auf, die ein Befestigungselement 236 aufnimmt. Die Befestigungselemente 218 und 236 sind jeweils mit einem Ende einer Schubstange 240 verschraubt, die sich durch die Hydraulikpumpenblockanordnung 12 hindurch erstreckt. Die Schubstange 240, die an jedem Innenkolben 202 und 220 fixiert ist, bewirkt, dass sich die beiden Kolben 202 und 220 übereinstimmend, vorzugsweise entlang der Bewegungsachse bewegen. Die Schubstange 240 weist auch einen Bereich mit vergrößertem Durchmesser auf, welcher einen Innenplunger 242 bildet. Der Innenplunger 242 ist in der Mitte zwischen den beiden Kolben 202 und 220 angeordnet. Der Zweck des Innenplungers 242 wird unten mit Bezug auf die Hydraulikpumpenblockanordnung 12 erläutert.

Die Innenkolbenanordnung 200 weist auch vorzugsweise eine erste Führungsstange 244 und eine zweite Führungsstange 245 auf, die sich jeweils durch die Hydraulikpumpenblockanordnung 12 hindurch erstrecken, um die Rückseiten 211 und 223 des ersten und des zweiten Innenkolbens 202 und 220 miteinander zu verbinden. Die Führungsstangen 244 und 245 verhindern die Drehung der Innenkolbenanordnung 200 während des Motorbetriebs. Wenigstens eine, und vorzugsweise beide Führungsstangen 244 und 245 weisen auch Positionssensorzeichen auf, die zum Bestimmen der axialen Position der Innenkolbenanordnung 200 während des Motorbetriebs angewendet werden können. Solche Zeichen können die Form eines ersten Satzes von Kupferringen 246 haben, die um die erste Führungsstange 244 herum fixiert sind. Die zweite Führungsstange 245 weist auch vorzugsweise Zeichen, wie einen zweiten Satz von Kupferringen 247, auf. Die zweite Führungsstange 245 kann dann als Teil eines Positionsabgleichsensors angewendet werden, um sicherzustellen, dass der Positionssensor an der ersten Führungsstange 244 die axiale Position der Innenkolbenanordnung 200 genau liest.

Die Außenkolbenanordnung 250 weist einen ersten Außenkolben 252 auf, der innerhalb des ersten Motorzylinders 44 montiert ist, wobei der Kopf 254 des ersten Außenkolbens 252 zu dem Kopf 210 des ersten Innenkolbens 202 hin gerichtet ist und die Rückseite 256 zu der ersten Spülpumpenhauptkammer 78 hin gerichtet ist. Der erste Außenkolben 252 ist innerhalb des ersten Motorzylinders 44 mit einem geringen Abstand zwischen dessen Außendurchmesser und der Wand des ersten Motorzylinders 44 montiert. Dementsprechend weist der erste Außenkolben 252 auch vorzugsweise drei Ringnuten um dessen Umfang herum auf, wobei die erste Nut einen ersten Verdichtungsring 258, die zweite Nut einen zweiten Verdichtungsring 260 und die dritte Nut einen Ölabstreifring 262 aufnimmt. Alle drei Ringe 258, 260 und 262 sind derart bemessen, dass sie gegen die Wand des ersten Motorzylinders 44 abdichten.

An der Rückseite 256 des ersten Außenkolbens 252 ist eine erste Kolbenbrücke 264 montiert. Die erste Kolbenbrücke 264 bewegt sich mit einem Teil des ersten Außenkolbens 252 und bildet diesen wesentlich. Die erste Kolbenbrücke 264 weist einen äußeren, im Wesentlichen elliptisch geformten Abschnitt 266 auf, der mit der Wand der Hauptpumpenkammer 78 der ersten Spülpumpe 74 in Gleitkontakt steht und gegen diese abdichtet. Der kleine Durchmesser des elliptischen Abschnitts 266 ist vorzugsweise etwas kleiner als der Durchmesser des Kopfes 254 des ersten Außenkolbens 252, während der große Durchmesser des elliptischen Abschnitts 266 bedeutend größer als der Durchmesser des Kopfes 254 ist. Ein erster Zugstangenansatz 268 und ein zweiter Zugstangenansatz 269 sind entlang des großen Durchmessers des elliptischen Abschnitts 266 von dem Außendurchmesser des ersten Außenkolbens 252 radial nach außen angeordnet.

Ein Führungsstabansatz 270 ist in der Mitte der ersten Kolbenbrücke 264 an der Bewegungsachse für den ersten Außenkolben 252 zentriert angeordnet. Ein erster Führungsstab 271 ist an dem ersten Spülpumpengehäuse 76 fixiert und erstreckt sich von diesem. Der erste Führungsstab 271 weist eine im Wesentlichen zylindrische Außenfläche auf, die um die Bewegungsachse herum zentriert ist und sich parallel zu dieser erstreckt. Die Außenfläche gleitet gerade innerhalb des Führungsstabansatzes 270, damit dieser entlang des ersten Führungsstabes 271 teleskopisch gleiten kann. Da der erste Führungsstab 271 fixiert ist, kann dessen Position relativ zu dem ersten Motorzylinder 44 genau festgelegt werden. Der erste Führungsstab 271 ermöglicht dann eine sehr genaue Ausrichtung der erste Kolbenbrücke 264 und somit des ersten Außenkolbens 252 relativ zu dem ersten Motorzylinder 44.

Der Führungsstabansatz 270 gleitet dann an dem Führungsstab 271 während des Motorbetriebs unter Beibehaltung einer genauen Ausrichtung des ersten Außenkolbens 252, wenn sich dieser in dem ersten Motorzylinder 44 hin- und herbewegt, so dass nur die Kolbenringe 258, 260 und 262 mit der Wand des ersten Motorzylinders 44 in Kontakt stehen. Dies erzeugt nur eine relativ geringe Menge an Reibung, da im Wesentlichen nur die Kolbenringe 258, 260 und 262 und der Führungsstabansatz 270 mit anderen Flächen in Gleitkontakt stehen, während sich die Außenfläche des ersten Außenkolbens 252 bewegt, ohne mit der Wand des ersten Motorzylinders 44 in Kontakt zu sein.

Die Außenkolbenanordnung 250 weist auch einen zweiten Außenkolben 275 auf, der innerhalb des zweiten Motorzylinders 144 montiert ist, wobei der Kopf 276 des zweiten Außenkolbens 275 zu dem Kopf 222 des zweiten Innenkolbens 220 hin gerichtet ist und die Rückseite 277 zu der zweiten Spülpumpenhauptkammer 178 hin gerichtet ist. Der zweite Außenkolben 275 ist innerhalb des zweiten Motorzylinders 144 mit einem geringen Abstand zwischen dessen Außendurchmesser und der Wand des zweiten Motorzylinders 144 montiert.

Dementsprechend weist der zweite Außenkolben 275 auch vorzugsweise drei Ringnuten um dessen Umfang herum auf, wobei die erste Nut einen ersten Verdichtungsring 278, die zweite Nut einen zweiten Verdichtungsring 279 und die dritte Nut einen Ölabstreifring 280 aufnimmt. Alle drei Ringe 278, 279 und 280 sind derart bemessen, dass sie gegen die Wand des zweiten Motorzylinders 144 abdichten.

An der Rückseite 277 des zweiten Außenkolbens 275 ist eine zweite Kolbenbrücke 282 montiert. Die zweite Kolbenbrücke 282 weist einen äußeren, im Wesentlichen elliptisch geformten Abschnitt 283 auf, der mit der Wand der Hauptpumpenkammer 178 der zweiten Spülpumpe 174 in Gleitkontakt steht und gegen diese abdichtet. Der kleine Durchmesser des elliptischen Abschnitts 283 ist vorzugsweise etwas kleiner als der Durchmesser des Kopfes 276 des zweiten Außenkolbens 275, während der große Durchmesser des elliptischen Abschnitts 283 bedeutend großer als der Durchmesser des Kopfes 276 ist. Ein erster Zugstangenansatz 284 und ein zweiter Zugstangenansatz 285 sind entlang des großen Durchmessers des elliptischen Abschnitts 283 von dem Außendurchmesser des zweiten Außenkolbens 275 radial nach außen angeordnet.

Ein Führungsstabansatz 286 ist in der Mitte der zweiten Kolbenbrücke 282 angeordnet. Ein zweiter Führungsstab 287 ist an dem zweiten Spülpumpengehäuse 176 fixiert und erstreckt sich von diesem. Der zweite Führungsstab 287 weist eine im Wesentlichen zylindrische Außenfläche auf, die um die Bewegungsachse herum zentriert ist und sich parallel zu dieser erstreckt. Die Außenfläche gleitet gerade innerhalb des Führungsstabansatzes 286. Da der zweite Führungsstab 287relativ zu dem zweiten Motorzylinder 144 fixiert ist, richtet dieser die zweite Kolbenbrücke 282 und somit den zweiten Außenkolben 275 relativ zu dem zweiten Motorzylinder 144 genau aus. Der Führungsstabansatz 286 gleitet dann während des Motorbetriebs an dem Führungsstab 287 unter Beibehaltung einer genauen Ausrichtung des zweiten Außenkolbens 275, wenn sich dieser in dem zweiten Motorzylinder 144 hin- und herbewegt, so dass die Kolbenringe 278, 279 und 280 mit der Wand des zweiten Motorzylinders 144 in Kontakt stehen. Wieder wird die Reibung minimiert, während auch eine genaue Führung des zweiten Außenkolbens 275 ermöglicht wird.

Der zweite Führungsstab 287 bildet auch einen Teil einer Positionssensoranordnung 288. Die Positionssensoranordnung 288 weist eine Sensorstange 289 auf, welche wenigstens eine Indexstelle 290 aufweist und die an dem zweiten Außenkolben 275 angebracht und mit diesem verschiebbar ist. Ein Sensor 291 ist um die Sensorstange 289 herum montiert und erstreckt sich durch das zweite Spülpumpengehäuse 176 hindurch, wo ein elektrischer Steckverbinder 292 den Sensor 291 mit der elektronischen Steuereinrichtung 35 verbindet. Die Steuereinrichtung 35 kann die Ausgabe von dem Sensor 291 verwenden, um die Position und die Geschwindigkeit der Außenkolbenanordnung 250 zu bestimmen.

Die Außenkolbenanordnung 250 weist auch eine erste Zugstange 293 und eine zweite Zugstange 294 auf. Die erste Zugstange 293 ist zwischen dem ersten Zugstangenansatz 268 an der ersten Kolbenbrücke 264 und dem ersten Zugstangenansatz 284 an der zweiten Kolbenbrücke 282 mit diesen verbunden. Da die Kolbenbrücken 264 und 282 elliptisch sind, kann die erste Zugstange 293 zwischen diesen gekuppelt werden und eine Bewegung parallel zu der Bewegungsachse ermöglichen, ohne den Betrieb der Motorzylinder zu beeinträchtigen.

Die erste Zugstange 293 weist einen Bereich mit vergrößertem Durchmesser auf, welcher einen ersten Außenplunger 295 bildet. Der erste Außenplunger 295 ist in der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 in der Mitte zwischen der ersten Kolbenbrücke 264 und der zweiten Kolbenbrücke 282 angeordnet. Eine erste Zugstangenhülse 272 erstreckt sich um die erste Zugstange 293 herum zwischen der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 und dem ersten Zylindermantel 18, und eine zweite Zugstangenhülse 274 erstreckt sich um die erste Zugstange 293 herum zwischen der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 und dem zweiten Zylindermantel 118. Die Zugstangenhülsen 272 und 274 stellen sicher, dass die erste Zugstange 293 vollständig von Motorbauteilen umschlossen ist, wodurch verhindert wird, dass Verunreinigungen die erste Zugstange 293 kontaktieren und deren Betrieb beeinträchtigen.

Die zweite Zugstange 294 ist zwischen dem zweiten Zugstangenansatz 269 an der ersten Kolbenbrücke 264 und dem zweiten Zugstangenansatz 285 an der zweiten Kolbenbrücke 282 mit diesen verbunden. Die zweite Zugstange 294 weist einen Bereich mit vergrößertem Durchmesser auf, welcher einen zweiten Außenplunger 296 bildet. Der zweite Außenplunger 296 ist in der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 in der Mitte zwischen der ersten Kolbenbrücke 264 und der zweiten Kolbenbrücke 282 angeordnet. Eine dritte Zugstangenhülse 273 erstreckt sich um die zweite Zugstange 294 herum zwischen der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 und dem ersten Zylindermantel 18, und vorzugsweise eine Positionserfassungszugstangenhülse 281 erstreckt sich um die zweite Zugstange 294 herum zwischen der Hydraulikpumpenblockanordnung 12 und dem zweiten Zylindermantel 118. Die Zugstangenhülsen 273 und 281 stellen sicher, dass die zweite Zugstange 294 vollständig von Motorbauteilen umschlossen ist, wodurch verhindert wird, dass Verunreinigungen die zweite Zugstange 294 kontaktieren und deren Betrieb beeinträchtigen.

Außerdem sind an der zweiten Zugstange 294 vorzugsweise im Abstand voneinander angeordnete Kupferringe 298 montiert, die innerhalb der Positionserfassungszugstangenhülse 281 liegen. Die Positionserfassungszugstangenhülse 281 weist vorzugsweise eine Sensoranordnung 297 auf, die in enger Nähe zu den Kupferringen 298 angeordnet ist. Die Sensoranordnung 297 ist dann mit der Steuereinrichtung 35 verbunden und erfasst die Position der Kupferringe 298. Die Steuereinrichtung 35 kann dann die Ausgabe von der Sensoranordnung 297 verwenden, um den anderen Sensor 291 zu kalibrieren, wodurch eine genaue Messung der Position und der Geschwindigkeit der Außenkolbenanordnung 250 sichergestellt wird.

Es wird bevorzugt, dass der Motor 10 ausgeglichen wird, um optimale Betriebscharakteristika sicherzustellen. Für den auszugleichenden Motor muss die Gesamtmasse der Außenkolbenanordnung 250, d.h. alle Teile, die sich mit den Außenkolben 252 und 275 bewegen, gleich der Gesamtmasse der Innenkolbenanordnung 200, d.h. alle Teile, die sich mit den Innenkolben 202 und 220 bewegen, sein. Ebenso ist vorzugsweise für einen ausgeglichenen Motor die Hydraulikfläche des Innenplungers 242 der Schubstange 240 gleich der Summe der Hydraulikflächen der Außenplunger 295 und 296 der Zugstangen 293 und 294, wobei die Hydraulikfläche des ersten Außenplungers 295 gleich der Hydraulikfläche des zweiten Außenplungers 296 ist. Dementsprechend werden die Werkstoffe für die verschiedenen Bauteile in den Kolbenanordnungen 200 und 250 derart ausgewählt, dass sie die thermischen und Festigkeitscharakteristika ausreichend sicherstellen, während auch die Massen der Anordnungen ausgeglichen werden. Zum Beispiel können die Innenkolben 202 und 220, die Schubstange 240 und auch die Zugstangen 293 und 294 aus Gusseisen hergestellt werden, während die Außenkolben 252 und 275 aus Aluminium und die elliptisch geformten Kolbenbrücken 264 und 282 aus Stahl hergestellt werden. Trotzdem können andere geeignete Werkstoffe angewendet werden, wenn es gewünscht wird.

Wie oben erläutert, ist die Hydraulikpumpenblockanordnung 12 zwischen der ersten Kolben/Zylinderanordnung 14 und der zweiten Kolben/Zylinderanordnung 16 montiert. Die Hydraulikpumpenblockanordnung 12 weist einen Pumpenblock 302 auf, der vorzugsweise aus Stahl hergestellt ist, durch welchen hindurch verschiedene Hydraulikanschlüsse und Hydraulikpassagen, Kühlwasserpassagen und Schmierölbehälter und Schmierölpassagen ausgebildet sind.

Der Pumpenblock 302 weist eine Schubstangenbohrung 304 auf, durch welche sich die Schubstange 240 hindurch erstreckt. Der Innenplunger 242 dichtet den Umfang um die Schubstangenbohrung 304 herum ab. Beide Enden der Schubstangenbohrung 304 dichten auch gegen die Schubstange 240 ab, wobei das eine Ende einen Dichtungsstöpsel 309 benutzt, um die Dichtung zu bilden. Diese Dichtungen bilden eine Innenpumpenkammer 306 an der einen Seite des Innenplungers 242 und eine Innenkupplungspumpenkammer 308 an der anderen Seite des Innenplungers 242.

Der Pumpenblock 302 weist auch eine erste Zugstangenbohrung 310, durch welche sich die erste Zugstange 293 hindurch erstreckt, und eine zweite Zugstangenbohrung 312 auf, durch welche sich die zweite Zugstange 294 erstreckt. Der erste Außenplunger 295 dichtet den Umfang um die erste Zugstangenbohrung 310 herum ab, und der zweite Außenplunger 296 dichtet den Umfang um die zweite Zugstangenbohrung 312herum ab. Die erste Zugstangenbohrung 310 ist derart geformt, dass sie an jedem Ende gegen die erste Zugstange 293 abdichtet, wobei wieder ein Dichtungsstöpsel 311 an dem einen Ende zum Abdichten angewendet wird. Die erste Zugstangenbohrung 310 bildet in Verbindung mit der ersten Zugstange 293 eine erste Außenpumpenkammer 314 an der einen Seite des ersten Außenplungers 295 und eine erste Außenkupplungspumpenkammer 316 an der anderen Seite des ersten Außenplungers 295. Die zweite Zugstangenbohrung 312 ist derart geformt, dass sie an jedem Ende gegen die zweite Zugstange 294 abdichtet, wobei wieder ein Dichtungsstöpsel 313 an dem einen Ende zum Abdichten angewendet wird. Die zweite zugstangenbohrung 312 bildet in Verbindung mit der zweiten Zugstange 294 eine zweite Außenpumpenkammer 318 an der einen Seite des zweiten Außenplungers 296 und eine zweite Außenkupplungspumpenkammer 320 an der anderen Seite des zweiten Außenplungers 296.

Die Innenkupplungspumpenkammer 308 und die erste Außenkupplungspumpenkammer 316 sind mit einer ersten Querverbindungspassage 322 verbunden. Außerdem sind die Innenkupplungspumpenkammer 308 und die zweite Außenkupplungspumpenkammer 320 mit einer zweiten Querverbindungspassage 323 verbunden. Demzufolge sind die drei Kupplungspumpenkammern 308, 316 und 320 immer in offener Fluidverbindung miteinander.

Eine Niederdruckpassage 324 mit einer Verengung 326 führt von der zweiten Querverbindungspassage 323 zu einem ersten Kupplungsstellventil 328. Das erste Kupplungsstellventil 328 ist mit einer Seite eines Niederdruckbehälters 330 eines Hydrauliksystems 329 verbunden und kann zwischen einer Position, die einen Fluidstrom von der zweiten Querverbindungspassage 323 zu dem Niederdruckbehälter 330 ermöglicht, und einer Position, die einen solchen Fluidstrom blockiert, geschaltet werden. Eine Hochdruckpassage 332 mit einer Verengung 334 führt von der ersten Querverbindungspassage 322 zu einem zweiten Kupplungsstellventil 336. Das zweite Kupplungsstellventil 336 ist mit einer Seite eines Hochdruckbehälters 338 eines Hydrauliksystems 329 verbunden und kann zwischen einer Position, die einen Fluidstrom von dem Hochdruckbehälter 338 zu der ersten Querverbindungspassage 322 ermöglicht, und einer Position, die einen solchen Fluidstrom blockiert, geschaltet werden. Das erste und das zweite Kupplungsstellventil 328 und 336 sind mit der elektronischen Steuereinrichtung 35 elektrisch verbunden und werden von dieser betätigt.

Eine Resonatorpassage 340 erstreckt sich zwischen der zweiten Querverbindungspassage 323 und einem Helmholtz-Resonator 342, welcher an dem Pumpenblock 302 montiert ist. Der Helmholtz-Resonator 342 ist abgestimmt, um Schwingungen zu dämpfen, die auftreten, wenn das Fluid zwischen den Kupplungspumpenkammern 308, 316 und 320 durch die Querverbindungspassagen 322 und 323 hindurch vor und zurück strömt. Der Helmholtz-Resonator 342 kann aus dem Motor 10 entfernt werden, wenn es gewünscht wird.

Die Querverbindungspassagen 322 und 323 bilden zusammen mit den mit ihnen verbundenen Hydraulikbauteilen einen Hydraulikschaltkreis, der die Bewegung der Innenkolbenanordnung 200 mit der Außenkolbenanordnung 250 hydraulisch kuppelt. Da bei geschlossenen Kupplungsstellventilen 328 und 336 das Volumen in den Kupplungspumpenkammern 308, 316 und 320 und den Querverbindungspassagen 322 und 323 mit einer im Wesentlichen inkompressiblen Flüssigkeit, wie Hydrauliköl, gefüllt ist, bleibt dieses Volumen konstant. Ebenso ist, wie oben erwähnt, der Innenplunger 242 der Schubstange 240 derart bemessen, dass er das doppelte Volumen an Fluid (pro Menge der Linearbewegung) wie jeder Außenplunger 295 und 296 der Zugstangen 293 bzw. 294 verdrängt. Demzufolge muss dann, wenn sich die Innenkolbenanordnung 200 unter Verdrängen von Fluid aus der Innenkupplungspumpenkammer 308 um einen Millimeter nach rechts bewegt, die Außenkolbenanordnung 250 sich um einen Millimeter nach links bewegen, um diese Fluidmenge in den beiden Außenkupplungspumpenkammern 316 und 320 aufzunehmen. Dies stellt sicher, dass, obwohl die Bewegungen der Innenkolbenanordnung 200 und der Außenkolbenanordnung 250 nicht mechanisch festgelegt sind, sie sich im Grunde genau entgegengesetzt zueinander bewegen. Demzufolge werden die Positionen des oberen Totpunkts und des unteren Totpunkts für die beiden Kolbenanordnungen 200 und 250 gleichzeitig erreicht.

Das erste und das zweite Kupplungsstellventil 328 und 336 ermöglichen das Zugeben oder Abführen von etwas Fluid aus den Kupplungen, wenn Leckage um irgendwelche Dichtungen herum das Volumen des in den Kupplungen zurückgehaltenen Fluids verändern sollte. Während dieses Hydrauliksystem zum Kuppeln der Kolbenanordnungen 200 und 250 beschrieben wurde, können andere Einrichtungen zum Sicherstellen, dass sich die Kolbenanordnungen 200 und 250 entgegengesetzt zueinander bewegen, angewendet werden, wenn es gewünscht wird.

Die Hydraulikpumpenblockanordnung 12 weist auch ein Paar Öleinlassöffnungen 344 und 345 auf, die sich durch den Pumpenblock 302 hindurch zu einem Ölsumpf 346 erstrecken, der sich an der Unterseite des Pumpenblocks 302 befindet. Der Ölsumpf 346 ist zu verschiedenen beweglichen Bauteilen hin offen, um eine Tauchschmierung der beweglichen Bauteile, besonders des Teils der Zylinderwände 44 und 144, an dem der erste und der zweite Innenkolben 202 und 220 entlang gleiten, zu ermöglichen. Der Ölsumpf 346 weist auch eine Ölrücklauföffnung 348 auf. Die Öleinlassöffnungen 344 und 345 und die Ölrücklauföffnung 348 sind mit dem Ölversorgungssystem (nicht gezeigt) verbunden. Der Ölsumpf 346 ermöglicht auch, dass sich Luft hinter den Innenkolben 202 und 220 vor und zurück bewegen kann, wenn sie sich während des Motorbetriebs hin- und herbewegen.

Zwei Kühlmitteleinlassöffnungen 350 sind an dem Boden des Pumpenblocks 302 ausgebildet. Die Kühlmitteleinlassöffnungen 350 sind mit einer Reihe von Kühlmittelpassagen 352 verbunden, die sich durch den Pumpenblock 302 hindurch erstrecken, welche dann mit zwei Kühlmittelauslassöffnungen 354 verbunden sind, die an der Oberseite des Pumpenblocks 302 ausgebildet sind. Die Kühlmitteleinlassöffnungen 350 und die Kühlmittelauslassöffnungen 354 sind mit dem Kühlmittelkühlsystem (nicht gezeigt) verbunden. Das durch den Pumpenblock 302 hindurch strömende Kühlmittel stellt sicher, dass die beweglichen Teile während des Motorbetriebs nicht heißlaufen.

Die Hydraulikpumpenblockanordnung 12 weist auch eine Niederdruckschiene 356 auf, die an der Oberseite des Pumpenblocks 302 montiert ist und einen Niederdruckschienenanschluss 358 aufweist, der über eine Hydraulikleitung mit dem Niederdruckbehälter 330 verbunden ist. Die Niederdruckschiene 356 mündet in drei Sätze von Einweg-Niederdrucksperrventilen, d.h. einen Innensatz 360, einen ersten Außensatz 362 und einen zweiten Außensatz 363. Der Innensatz von Sperrventilen 360 ist über eine Passage 364 mit der Innenpumpenkammer 306 verbunden und ermöglicht nur den Fluidstrom von der Niederdruckschiene 356 zu der Innenpumpenkammer 306. Der erste Außensatz von Sperrventilen 362 ist über eine Passage 365 mit der ersten Außenpumpenkammer 314 verbunden und ermöglicht nur den Fluidstrom von der Niederdruckschiene 356 zu der ersten Außenpumpenkammer 314. Der zweite Außensatz von Sperrventilen 363 ist gleichfalls über eine Passage 366 mit der zweiten Außenpumpenkammer 318 verbunden und ermöglicht nur den Fluidstrom von der Niederdruckschiene 356 zu der zweiten Außenpumpenkammer 318. Während der Innensatz von Sperrventilen 360 vier einzelne Ventile und jeder Außensatz von Sperrventilen 362 und 363 zwei Ventile aufweist, kann eine unterschiedliche Anzahl von einzelnen Ventilen angewendet werden, wenn es gewünscht wird. Jedoch stellt vorzugsweise der Innensatz von Sperrventilen 360 die doppelte Ventilöffnungsfläche wie jeder Außensatz von Sperrventilen 362 und 363 bereit, da der Innenplunger 242 die doppelte Pumpenleistung wie jeder Außenplunger 295 und 296 hat.

Eine Hochdruckschiene 368 ist an der Unterseite des Pumpenblocks 302 montiert und weist einen Hochdruckschienenanschluss 369 auf, der über eine Hydraulikleitung mit dem Hochdruckbehälter 338 verbunden ist. Die Hochdruckschiene 368 mündet in drei Einweg-Hochdrucksperrventile, d.h. ein Innensperrventil 370, ein erstes Außensperrventil 371 und ein zweites Außensperrventil 372. Das Innensperrventil 370 ist über eine Fluidpassage 373 mit der Innenpumpenkammer 306 verbunden und ermöglicht nur den Fluidstrom von der Innenpumpenkammer 306 zu der Hochdruckschiene 368. Das erste Außensperrventil 371 ist über eine Fluidpassage 374 mit der ersten Außenpumpenkammer 314 verbunden und ermöglicht nur den Fluidstrom von der ersten Außenpumpenkammer 314 zu der Hochdruckschiene 368. Das zweite Außensperrventil 372 ist über eine Fluidpassage 375 mit der zweiten Außenpumpenkammer 318 verbunden und ermöglicht nur den Fluidstrom von der zweiten Außenpumpenkammer 318 zu der Hochdruckschiene 368. Wieder hat das Innensperrventil 370vorzugsweise die doppelte Öffnungsfläche wie jedes Außensperrventil 371 und 372.

Die Niederdruckschiene 356 weist vorzugsweise einen Drucksensor 376 auf, der darin zum Messen des Fluiddrucks in der Niederdruckschiene 356 montiert ist. Die Hochdruckschiene 368 weist gleichfalls vorzugsweise einen Drucksensor 377 auf, der darin zum Messen des Fluiddrucks in der Hochdruckschiene 368 montiert ist. Beide Drucksensoren 376 und 377 sind mit der elektronischen Steuereinrichtung 35 elektrisch verbunden, um die Drucksignale aufzunehmen und zu verarbeiten.

An der Oberseite des Pumpenblocks 302 ist benachbart zu der Niederdruckschiene 356 ein hydraulisches Start- und Steuerventil 379 montiert. Das hydraulische Start- und Steuerventil 379 ist hier nur schematisch gezeigt, ist jedoch vorzugsweise ein Hydraulikventil, wie zum Beispiel ein Moog-Hydrauliksteuerventil mit der Teilenummer 35-196-4000-I-4PC-2-VIT, hergestellt von Moog Inc. of East Aurora, New York. Das Steuerventil 379 ist mit vier Anschlüssen in dem Pumpenblock 302 verbunden, d.h. einem Hochdruckanschluss 380, einem Niederdruckanschluss 381, einem Innenpumpenkammeranschluss 382 und einem Außenpumpenkammeranschluss 383. Der Hochdruckanschluss 380 ist über eine Fluidpassage mit der Hochdruckschiene 368 verbunden, und der Niederdruckanschluss 381 ist über eine Fluidpassage mit der Niederdruckschiene 356 verbunden. Der Innenpumpenkammeranschluss 382 ist über eine erste Start/Überlauf-Fluidpassage 384 mit der Innenpumpenkammer 306 verbunden, während der Außenpumpenkammeranschluss 383 über eine zweite Start/Überlauf-Fluidpassage 385 mit den beiden Außenpumpenkammern 314 und 318 verbunden ist.

Das Steuerventil 379 kann derart betrieben werden, dass der Hochdruckanschluss 380 mit dem Innenpumpenkammeranschluss 382 hydraulisch verbunden wird, während gleichzeitig der Niederdruckanschluss 381 mit dem Außenpumpenkammeranschluss 383 verbunden wird. Das Steuerventil 379 kann auch derart betrieben werden, dass der Niederdruckanschluss 381 mit dem Innenpumpenkammeranschluss 382 hydraulisch verbunden wird, während gleichzeitig der Hochdruckanschluss 380 mit dem Außenpumpenkammeranschluss 383 verbunden wird. In einem dritten Betriebszustand blockiert das Steuerventil 379 den Hydraulikfluidstrom zwischen dem Hoch- und Niederdruckanschluss 380 und 381 und dem Innen- und Außenpumpenkammeranschluss 382 und 383. Die elektronische Steuereinrichtung 35 steuert vorzugsweise, in welchem Betriebszustand das Steuerventil 379 ist.

Die Hydraulikpumpenblockanordnung 12 kann auch Kolbenanschläge aufweisen, welche einen maximalen Abstand an jedem Ende der Kolbenbewegung festlegen. Die Kolbenanschläge können infolge der Tatsache benötigt werden, dass die Kolbenbewegung, anders als bei einem feststehenden mechanischen Pfad, bei einem Freikolbenmotor durch einen Ausgleich der Kräfte bestimmt wird. Die Kolbenanschläge für die Innenkolbenanordnung 200 weisen vorzugsweise radiale Stufenabschnitte 388 auf, die im Abstand voneinander an jeder Seite des Innenplungers 242 der Schubstange 240 angeordnet sind, wobei an jedem Ende der Schubstangenbohrung 304 zusammenpassende Anschläge 389 an dem Pumpenblock 302 und dem Dichtungsstöpsel 309 ausgebildet sind. Die Position der Stufenabschnitte 388 relativ zu den Anschlägen 389 bestimmt die maximale Bewegung der Innenkolbenanordnung 200 in jeder Richtung. Wenn die Stufenabschnitte 388 in die Anschläge 389 eingreifen, wird die Kolbenbewegung in dieser Richtung gestoppt.

Die Kolbenanschläge für die Außenkolbenanordnung 250 weisen vorzugsweise radiale Stufenabschnitte 390 und 391 auf, die im Abstand voneinander an jeder Seite der Außenplunger 295 und 296 der ersten und der zweiten Zugstange 293 bzw. 294 angeordnet sind. Der Pumpenblock 302 und die Dichtungsstöpsel 311 und 313 weisen in gleicher Weise wie bei der Innenkolbenanordnung 200 zusammenpassende Anschläge 392 und 393 auf, die sich an entgegengesetzten Enden der ersten bzw. der zweiten Zugstangenbohrung 310 und 312 befinden.

Als eine Alternative können die Kolbenanschläge weggelassen werden. Bei dieser Konfiguration dient der Kopf 210 des ersten Innenkolbens 202, der an den Kopf 254 des ersten Außenkolbens 252 anstößt, als ein Anschlag in der einen Richtung, während der Kopf 222 des zweiten Innenkolbens 220, der an den Kopf 276 des zweiten Außenkolbens 275 anstößt, als ein Anschlag in der anderen Richtung dient. Während dies zunächst unerwünscht scheinen kann, haben die Kolbenköpfe relativ große Oberflächenbereiche für den Kontakt, und der Druck innerhalb des Zylinders, wo die Kolben als Anschläge dienen, steigt gerade vor dem Zusammenstoß drastisch an, wodurch die Geschwindigkeit beim Aufprall sinkt.

Die Hydraulikpumpenblockanordnung 12 weist auch vorzugsweise ein Paar Positionssensoren auf. Ein erster Positionssensor 359 ist in dem Pumpenblock 302 derart montiert, dass er den Abschnitt der ersten Führungsstange 244 umgibt, der den ersten Satz Kupferringe 246 aufweist. Vorzugsweise ist ein zweiter Positionssensor 396 in dem Pumpenblock 302 montiert, der den Abschnitt der zweiten Führungsstange 245 umgibt, der den zweiten Satz Kupferringe 247 aufweist. Die Positionssensoren 359 und 396 sind an die elektronische Steuereinrichtung 35 elektrisch angeschlossen und stellen an diese Positionssignale bereit. Mit der Sensorinformation von dem ersten Positionssensor 359 kann die elektronische Steuereinrichtung 35 die Position und die Geschwindigkeit der Innenkolbenanordnung 200 bestimmen. Die Information von dem zweiten Positionssensor 396 wird vorzugsweise zum Abgleich des ersten Positionssensors 359 verwendet.

Der Betrieb des Motors 10 wird nun beschrieben. Da der Motor 10 ein Freikolbenmotor ist, wird die Kolbenbewegung durch einen Ausgleich (Gleichgewicht) der Kräfte bestimmt, die an den Kolbenanordnungen 200 und 250 wirken. Zum Beispiel sind die Hauptkräfte im Wesentlichen Drücke innerhalb des Zylinders der einander gegenüberliegenden Motorzylinder 44 und 144, die von den verschiedenen beweglichen Teilen erzeugte Reibung, die Luftspülung, die Trägheitskraft der beweglichen Kolbenanordnungen 200 und 250, und irgendwelche Belastungen, die von den Plungern 242, 295 und 296 verursacht werden. Demzufolge müssen die Kolbenanordnungen 200 und 250 jeweils Antriebskräfte in der bestimmten Zeit und Größe aufnehmen, um eine anhaltende hin- und hergehende Kolbenbewegung zu bewirken. Die hin- und hergehende Bewegung muss ausreichend sein, um die benötigte Verdichtung in den Zylindern 44 und 144 für den Verbrennungsprozess zu erreichen. Durch Anwendung von Eingaben zur Steuerung der Bewegung der Kolbenanordnungen 200 und 250 können besonders in der Nähe des Endes der Bewegung für jeden Hub die Kolbenpositionen im oberen Totpunkt und somit das Verdichtungsverhältnis gesteuert werden. Darüber hinaus macht die Fähigkeit zum Variieren des Verdichtungsverhältnisses die HCCI Verbrennung besser durchführbar, da das Verdichtungsverhältnis, das benötigt wird, um die Verbrennung zu bewirken, basierend auf den Motorbetriebszuständen variieren kann. Da der Ausgleich der Kräfte genau zeitlich abgestimmt und gesteuert werden muss, überwacht und betätigt die elektronische Steuereinrichtung 35 die Motorbauteile, die für einen effizienten und anhaltenden Motorbetrieb entscheidend sind.

Vor dem Starten des Motors speichert der Hochdruckbehälter 338 des Hydrauliksystems 329 ein Hydraulikfluid unter einem relativ hohen Druck, der zum Beispiel 5.000 bis 6.000 psi betragen kann. Der Niederdruckbehälter 330 des Hydrauliksystems 329 speichert Hydraulikfluid unter einem relativ niedrigen Druck, der zum Beispiel 50 bis 60 psi betragen kann.

Auf die Einleitung des Motorstartvorgangs hin betätigt die elektronische Steuereinrichtung 35 das Start- und Steuerventil 379 wechselweise zwischen einer ersten Ventilposition, in welcher der Hochdruckanschluss 380 zu dem Innenpumpenkammeranschluss 382 offen ist und der Niederdruckanschluss 381 zu dem Außenpumpenkammeranschluss 383 offen ist, und einer zweiten Ventilposition, in welcher der Hochdruckanschluss 380 zu dem Außenpumpenkammeranschluss 383 offen ist und der Niederdruckanschluss 381 zu dem Innenpumpenkammeranschluss 382 offen ist.

In der ersten Ventilposition des Steuerventils 379 wird Fluid von dem Hochdruckbehälter 338 in die Innenpumpenkammer 306 gedrückt, wodurch der Innenplunger 242 der Schubstange 240 und somit die gesamte Innenkolbenanordnung 200 sich nach rechts zu bewegen beginnt (wie hier in den Figuren dargestellt ist). Dies bewirkt, dass das Fluid in der Innenkupplungspumpenkammer 308 durch die erste und die zweite Querverbindungspassage 322 und 323 hindurch und in die erste und die zweite Außenkupplungspumpenkammer 316 und 320 hinein gedrückt wird. Dies bewirkt dann wieder, dass der erste und der zweite Außenplunger 295 und 296 der ersten bzw. der zweiten Zugstange 293 und 294 und somit die gesamte Außenkolbenanordnung 250 sich nach links zu bewegen beginnt (wie hier in den Figuren dargestellt ist). Wenn sich die Außenkolbenanordnung 250 nach links bewegt, wird Fluid von der ersten und der zweiten Außenpumpenkammer 314 und 318durch das Steuerventil 379 hindurch und in den Niederdruckbehälter 330 hinein gedrückt.

Diese entgegengesetzte Bewegung der beiden Kolbenanordnungen 200 und 250 bewirkt, dass sich der erste Außenkolben 252 und der erste Innenkolben 202 gleichzeitig in die Positionen ihres unteren Totpunktes in dem ersten Motorzylinder 44 voneinander weg bewegen, während sich der zweite Außenkolben 275 und der zweite Innenkolben 220 gleichzeitig in die Positionen ihres oberen Totpunktes in dem zweiten Motorzylinder 144 aufeinander zu bewegen. Beide Kolbenanordnungen 200 und 250 bewegen sich entlang einer einzigen linearen Bewegungsachse vor und zurück. Die einzige Bewegungsachse erstreckt sich durch die Mitte der beiden Motorzylinder 44 und 144 hindurch, wie durch die Doppelpfeile angedeutet ist, die in den Motorzylindern 44 und 144 in 10 und 11 gezeigt sind.

In der zweiten Ventilposition des Steuerventils 379 wird Fluid aus dem Hochdruckbehälter 338 in die erste und die zweite Außenpumpenkammer 314 und 318 hinein gedrückt, wodurch der erste und der zweite Außenplunger 295 und 296 der ersten bzw. der zweiten Zugstange 293 und 294 und somit die gesamte Außenkolbenanordnung 250 sich nach rechts zu bewegen beginnt. Dies bewirkt, dass das Fluid in der ersten und der zweiten Außenkupplungspumpenkammer 316 und 320 durch die erste und die zweite Querverbindungspassage 322 und 323 hindurch und in die Innenkupplungspumpenkammer 308 hinein gedrückt wird. Dies bewirkt dann wieder, dass der Innenplunger 242 der Schubstange 240 und somit die gesamte Innenkolbenanordnung 200 sich nach links zu bewegen beginnt. Wenn sich die Innenkolbenanordnung 200 nach links bewegt, wird Fluid von der Innenpumpenkammer 306 durch das Steuerventil 379 hindurch und in den Niederdruckbehälter 330 hinein gedrückt.

Diese entgegengesetzte Bewegung der beiden Kolbenanordnung 200 und 250 bewirkt, dass sich der erste Außenkolben 252 und der erste Innenkolben 202 gleichzeitig in die Positionen ihres oberen Totpunktes in dem ersten Motorzylinder 44 aufeinander zu bewegen, während sich der zweite Außenkolben 275 und der zweite Innenkolben 220 gleichzeitig in die Positionen ihres unteren Totpunktes in dem zweiten Motorzylinder 144 voneinander weg bewegen.

Durch genaues und schnelles Schalten zwischen den drei Ventilpositionen des Start- und Steuerventils 379 können die Kolbenanordnungen 200 und 250 wechselweise zwischen der Auslösung von Verdichtung in dem ersten Motorzylinder 44 und der Auslösung von Verdichtung in dem zweiten Motorzylinder 144 geschaltet werden. Die elektronische Steuereinrichtung 35 bestimmt durch Überwachen der Positionssensoren 288 und 359 die Position und Geschwindigkeit der beiden Kolbenanordnungen 200 und 250. Die Information über die Position und die Geschwindigkeit wird dann von der Steuereinrichtung 35 verwendet, um den entsprechenden Zeitpunkt für das Schalten des Start- und Steuerventils 379 zu bestimmen, um die gewünschte Größe des Verdichtungsverhältnisses in den Motorzylindern 44 und 144 zu bewirken. Man kann aus dieser Erörterung sehen, dass das Start- und Steuerventil 379 die Bewegung der Kolbenanordnungen 200 und 250 beim Starten des Motors in einer Weise steuert, die bewirkt, dass sich die Kolbenanordnungen 200 und 250 bewegen, wie es für den Motorbetrieb erforderlich ist.

Der Motor 10 arbeitet als ein Zweitaktmotor und ohne irgendein separates Ventilsystem zum Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassöffnungen der Motorzylinder 44 und 144. Daher wird die Verdichtung, die Verbrennung (welche die Zündung umfasst), die Expansion, und der Gasaustausch (welcher den Einlass und Auslass umfasst) des Kraftstoff/Luftgemisches über zwei Hübe der Kolben erreicht. Diese Anordnung minimiert sowohl die Anzahl von beweglichen Teilen als auch die gesamte Einbaugröße des Motors 10.

Die Bewegung der Innenkolbenanordnung 200 bewirkt, dass die Innenkolben 202 und 220 die Abgasöffnungen 46 und 146 zu den jeweiligen Motorzylindern 44 und 144 wahlweise schließen und öffnen. Die Bewegung der Außenkolbenanordnung 250 bewirkt, dass die Außenkolben 252 und 275 die Luftansaugöffnungen 56 und 156 zu den jeweiligen Motorzylindern 44 und 144 wahlweise schließen und öffnen, und bewirkt auch, dass die Kolbenbrücken 264 und 282 die Ansaugluft laden. Die Bewegung der Außenkolbenanordnung 250 bewirkt ebenfalls, dass die Außenkolben 252 und 275 die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 34 und 134 der jeweiligen Motorzylinder 44 und 144 wahlweise blockieren und freigeben. Demzufolge stellt die Bewegung der Innen- und der Außenkolbenanordnung 200 und 250, die durch das Start- und Steuerventil 379 bewirkt wird, die Bewegung bereit, die erforderlich ist, um die Luftladungen in die Motorzylinder 44 und 144 zu bringen, das Vermischen des den Zylindern zugeführten Kraftstoffs mit der Ladeluft zu ermöglichen, und eine für die Verbrennung ausreichende Verdichtung bereitzustellen.

Vorzugsweise ist der Verbrennungsprozess unter normalen Betriebsbedingungen ein Verbrennungstyp der homogenen Kompressionszündung (HCCI), welcher den Vorteil in der Fähigkeit bringt, den Motor 10 mit einem variablen Verdichtungsverhältnis zu betreiben, um eine sehr hohe Effizienz der Verbrennung zu ermöglichen. Der HCCI-Prozess verwendet ein homogenes Luft/Kraftstoffladungsgemisch, das infolge eines hohen Verdichtungsverhältnisses selbst gezündet wird, d.h. vorgemischte Kraftstoff/Luftladungen werden durch Verdichtung auf den Punkt der Selbstzündung erhitzt (auch spontane Verbrennung genannt). Mit der Selbstzündung, die durch den HCCI-Prozess bewirkt wird, gibt es zahlreiche Zündpunkte durch das Kraftstoff/Luftgemisch hindurch, um eine schnelle Verbrennung sicherzustellen, wodurch es möglich ist, niedrige Äquivalenzverhältnisse (das Verhältnis des tatsächlichen Kraftstoff/Luftverhältnisses zu dem stöchiometrischen Verhältnis) anzuwenden, da keine Flammenausbreitung erforderlich ist. Daraus ergibt sich eine verbesserte thermische Effizienz, während die Zylinderspitzentemperaturen reduziert werden, wodurch die Bildung von Stickoxiden im Vergleich zu manchen herkömmlichen Arten von Verbrennungsmotoren bedeutend reduziert wird. Trotzdem können, wenn es gewünscht wird, Zündkerzen in jedem Motorzylinder angewendet werden, wobei der Motor als ein Ottomotor arbeitet.

Bestimmte Vorgänge, wie das Ansaugen, die Verdichtung, die Verbrennung und das Ausstoßen, werden für den ersten Motorzylinder 44 (gleichermaßen für den zweiten Motorzylinder 144 anwendbar) während des normalen HCCI-Motorbetriebs beschrieben. Die Bewegung des ersten Außenkolbens 252 lädt die Ansaugluft und bestimmt auch den Zeitpunkt und die Dauer des Öffnens der Luftansaugöffnungen 56 und der ersten Kraftstoffeinspritzvorrichtung 34 zu dem ersten Motorzylinder 44. Wenn sich der erste Außenkolben 252 in die Position seines oberen Totpunktes bewegt, steigt das Volumen in der Hauptpumpenkammer 78 der ersten Spülpumpe 74 an, wodurch Luft durch die Einlasszungenventile 94 hindurch eingezogen wird.

Nach Erreichen des oberen Totpunktes, typischerweise nach einem Verbrennungsvorgang, reduziert die Bewegung des ersten Außenkolbens 252 das Volumen in der Hauptpumpenkammer 78, wodurch die Luft verdichtet wird und durch die Auslasszungenventile 95 hindurch und in die Lufteinlasspassagen 93 und 72 und den Luftansaugkanal 31hinein geführt wird. Wenn sich der erste Außenkolben 252 weiter zu der Position seines unteren Totpunktes hin bewegt, bestimmt die elektronische Steuereinrichtung 35 von dem Positionssensor 288, dass sich der erste Außenkolben 252 weit genug bewegt hat, um die erste Kraftstoffeinspritzvorrichtung 34 zu dem ersten Motorzylinder freizugeben. Die elektronische Steuereinrichtung 35 betätigt dann die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 34 für einen Zeitraum, der sowohl auf den Betriebszuständen des Motors und des Hydrauliksystems als auch auf dem von dem Kraftstoffdrucksensor 41 gemessenen Kraftstoffdruck basiert. Wenn sich der erste Außenkolben 252 weiter zu der Position seines unteren Totpunktes hin bewegt, wird dieser die Luftansaugöffnungen 56 freigeben, wodurch ermöglicht wird, dass die verdichtete Luft aus dem Ansaugkanal 31 in den ersten Motorzylinder 44 hinein strömt. Die einströmende Luft reißt den in die ankommende Luftladung eingespritzten Kraftstoff mit und vermischt sich mit diesem. Diese Zeitsteuerung der Kraftstoffeinspritzvorrichtung und des Öffnens der Ansaugöffnung ermöglicht eine relativ lange Mischungszeit für die Luft und den Kraftstoff, wodurch die Bildung eines homogeneren Gemisches angestrebt wird. Dieses homogene Gemisch ist für die HCCI-Verbrennung sehr erwünscht. Vorzugsweise ist die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 34 derart konfiguriert, dass sie sehr feine Kraftstofftröpfchen erzeugt, um eine kurze Durchdringung des Kraftstoffs in dem Zylinder zu erreichen. Dies hilft, eine Wandbenetzung an der der Einspritzvorrichtung 34 gegenüberliegenden Zylinderwand zu vermeiden. Darüber hinaus wird es als bevorzugt erachtet, dass die Düse 55 einen weiten Spritzöffnungswinkel, sogar bis 90 Grad hat. Dies wird als unterstützend bei der Mischung des Kraftstoffs und der Luft erachtet, da die Luft durch die Luftansaugöffnungen 56 hindurch um den gesamten Umfang des Motorzylinders 44 herum einströmt. Ebenso sind die Luftansaugöffnungen 56 bevorzugt abgewinkelt, um einen Wirbel zu bilden, wenn die Luft in den ersten Motorzylinder 44 eintritt, was als weiter verbessernd für die Mischung der Luft und des Kraftstoffs erachtet wird. Infolge der Konfiguration sowohl des ersten Motorzylinders 44 und des ersten Außenkolbens 252 als auch der Lage der Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung 54 braucht möglicherweise nur eine Mitteldruck-Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit geringen Impulsen verwendet werden. Diese Art von Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist weniger kostenaufwendig als die Hochdruck-Kraftstoffeinspritzvorrichtungen, die typischerweise bei einem herkömmlichen Direkteinspritzungssystem erforderlich sind.

Nach dem Erreichen des unteren Totpunktes bewegt sich der erste Außenkolben 252 wieder zu der Position des oberen Totpunktes hin. Während dieser Bewegung schließt der erste Außenkolben 252 die Luftansaugöffnungen 56 und die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung 54 von dem ersten Motorzylinder 44 ab. Da die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung 54 durch den ersten Außenkolben 252 während eines Teils des Kolbenhubes blockiert wird, muss das Kraftstoffeinspritzungssystem in der Lage sein, den gesamten benötigten Kraftstoff während der Zeit einzuspritzen, in der die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung 54 zu dem ersten Motorzylinder 44 freigegeben ist. Die Luft/Kraftstoffladung wird nun verdichtet, wenn sich der erste Außenkolben 252 weiter zu der Position des oberen Totpunktes hin bewegt. Es wird angemerkt, dass die erste Kraftstoffeinspritzvorrichtung 34 direkt in den ersten Motorzylinder 44 einspritzt, jedoch ist die Düse 55 nicht direkt zu dem Verbrennungsvorgang hin freigelegt, da sie durch den ersten Außenkolben 252 abgedeckt wird, wenn dieser in oder nahe des oberen Totpunktes ist. Dies ist vorteilhaft, da die Düse 55 nicht den extremen Temperaturen und Drücken ausgesetzt ist, die in dem ersten Motorzylinder 44 bei dem Verbrennungsvorgang frühzeitig vorhanden sind. Daher kann, da die Kraftstoffeinspritzvorrichtung nur den relativ niedrigen Temperaturen und Drücken bei jedem Verbrennungsvorgang später ausgesetzt ist, eine weniger kostenaufwendige Kraftstoffeinspritzvorrichtung verwendet werden.

Die Bewegung des ersten Innenkolbens 202 bestimmt den Zeitpunkt und die Dauer des Öffnens der Abgasöffnungen 46 zu dem ersten Motorzylinder 44. Wenn sich der erste Innenkolben 202, typischerweise nach einem Verbrennungsvorgang, von dem oberen Totpunkt weg bewegt, bewegt sich der Innenkolben 202 an den Abgasöffnungen 46 vorbei, wodurch die Abgase durch die Abgasöffnungen 46 hindurch ausströmen können. Die Abgase strömen dann durch die erste Abgasspirale 20 hindurch und über das übrige Abgassystem (nicht gezeigt) heraus. Nach dem Erreichen des unteren Totpunktes bewegt sich der erste Innenkolben 202 zu dem oberen Totpunkt hin und deckt über einen Teil des Hubweges die Abgasöffnungen 46 ab, um diese wirksam zu schließen. Jegliche Abgase, die zu dieser Zeit nicht durch die Abgasöffnungen 46 hindurch geströmt sind, bleiben in dem Zylinder 44 als Abgasrückführung (EGR) während des nächsten Verbrennungsvorgangs. Darüber hinaus wird durch die Abdeckung der Abgasöffnungen 46 mittels des ersten Innenkolbens 202 verhindert, dass das frische Kraftstoff/Luftgemisch in das Abgassystem hinein strömt. Es ist ein besonderer Vorteil bei dieser Motorkonfiguration, dass die Ansaugöffnungen 56 und die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung 54 in einem bedeutenden Abstand von den Abgasöffnungen 46 angeordnet sind. Wenn sich der erste Innenkolben 202 weiter zu dem oberen Totpunkt hin bewegt, wird die Luft/Kraftstoffladung verdichtet, im Allgemeinen bis die Verbrennung eintritt.

Da der zweite Motorzylinder 144 entgegengesetzt zu dem ersten Motorzylinder 44 arbeitet, bewirkt der Verbrennungsvorgang in dem ersten Motorzylinder 44, dass sich der erste Innen- und Außenkolben 202 und 252 voneinander weg bewegen, während der Verbrennungsvorgang in dem zweiten Motorzylinder 144 bewirkt, dass sich der erste Innen- und Außenkolben 202 und 252 aufeinander zu bewegen (bewirkt eine Verdichtung in dem ersten Zylinder 44), wodurch der Motorbetriebszyklus kontinuierlich aufrechterhalten wird. Der selbsterhaltende Betrieb des Motors 10 wird dann durch Steuerung der Kraftstoffeinspritzung vor jedem Verbrennungsvorgang unter Berücksichtigung der verschiedenen Betriebszustände des Motors und des Hydrauliksystems aufrechterhalten. Die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung kann verwendet werden, um die Länge des Kolbenhubes zu steuern, welche ausreichen muss, um das für die Verbrennung benötigte Verdichtungsverhältnis zu erreichen, jedoch Zusammenstöße mit den Kolbenanschlägen zu vermeiden. Natürlich kann für vorübergehende Zustände, gelegentliche Nichtverbrennungsvorgänge, Systemungleichgewichte und andere Umstände das Start- und Steuerventil 379 hin und wieder in Kombination mit der Kraftstoffsteuerung angewendet werden, um die Kolbenbewegung zu korrigieren. Dies stellt sicher, dass nicht nur das entsprechende Verdichtungsverhältnis für die gegebenen Motorbetriebszustände erreicht wird, sondern auch die Selbstzündung in oder gerade nach den Positionen im oberen Totpunkt eintritt, um das Verschwenden von Verbrennungsenergie zu vermeiden, welche die Bewegungsrichtung der Kolbenanordnungen 200 und 250 ändert.

Während des normalen Motorbetriebs bewegen, da die Verbrennungsvorgänge eine Hin- und Herbewegung der Kolbenanordnungen 200 und 250 bewirkt, die Schubstange 240 und die Zugstangen 293 und 294 die Plunger 242, 295 und 296 in ihren jeweiligen Bohrungen 304, 310 und 312 vor und zurück. Wenn sich die Innenkolbenanordnung 200 nach rechts bewegt (wie in den Figuren gesehen), bewirkt die Bewegung des Innenplungers, dass der Innensatz von Niederdrucksperrventilen 360 geöffnet wird, wodurch Fluid von der Niederdruckschiene 356 in die Innenpumpenkammer 306 hinein gezogen werden kann. Das Fluid, das die Niederdruckschiene 356 verlässt, wird aus dem Niederdruckbehälter 330 wieder aufgefüllt. Die Fluidmenge, die in der Niederdruckschiene 356 beibehalten wird, und die Fähigkeit des Niederdruckbehälters 330, die Niederdruckschiene 356 wieder aufzufüllen, muss ausreichend sein, um den Fluidstrom durch die Sätze von Niederdrucksperrventilen aufrechtzuerhalten. Anderenfalls können Kavitationsprobleme auftreten.

Gleichzeitig bewegt sich die Außenkolbenanordnung 250 nach links, wobei die Außenplunger 295 und 296 bewirken, dass das Fluid in der ersten und der zweiten Außenpumpenkammer 314 und 318 durch das erste und das zweite Hochdruck-Außensperrventil 371 und 372 hindurch zu der Hochdruckschiene 368 gepumpt wird. Dadurch wird das Fluid in den Hochdruckbehälter 338 hinein verdrängt. Dieses druckbeaufschlagte Fluid in dem Hochdruckbehälter 338 ist dann als eine gespeicherte Energiequelle für den Motorbetrieb und auch als Antrieb anderer Bauteile und Systeme verfügbar. Da die verfügbare Hydraulikfluidenergie eine Funktion des Druckniveaus und der Menge des Hydraulikfluidstromes ist, kann man die gewünschte Energieabgabe bei der Bestimmung des Kolbenhubes, der Kolbenfrequenz und/oder der Abmessungen der Hydraulikfluidplunger verwenden, wenn anfangs die Abmessungen für den Motor entworfen werden. Für die Kolbenfrequenz gilt im Allgemeinen, je höher die Masse der beweglichen Kolbenanordnungen ist, desto niedriger ist die optimale Betriebsfrequenz des Motors.

Während des Motorhubes, der eine Bewegung der Innenkolbenanordnung 200 nach rechts bewirkt, pumpt der Innenplunger 242 Fluid von der Innenkupplungspumpenkammer 306 zu den beiden Außenkupplungspumpenkammern 316 und 320. Wie oben erörtert, kann dadurch eine entgegengesetzte Bewegung der beiden Kolbenanordnungen 200 und 250 zueinander aufrechterhalten werden. Wenn die Positionssensoren 288 und 359 erfassen, dass die beiden Kolbenanordnungen 200 und 250 in den Motorzylindern nicht richtig zentriert sind, dann kann eines der Kupplungsstellventile 328 und 336 betätigt werden, um den Versatz zu korrigieren.

Während des folgenden Motorhubes öffnet, wenn sich die Innenkolbenanordnung 200 nach links bewegt, der von dem Innenplunger 242 erzeugte Fluiddruck das Hochdruck-Innensperrventil 370, das Fluid zuführt, damit es zu der Hochdruckschiene 368 und in den Hochdruckbehälter 338 strömt. Die Außenkolbenanordnung 250 bewegt sich gleichzeitig nach rechts, wodurch die Außenplunger 295 und 296 Fluid aus der Niederdruckschiene 356 durch den ersten und den zweiten Außensatz von Niederdrucksperrventilen 362 und 363 hindurch ziehen. Während dieses Motorhubes pumpen die Außenplunger 295 und 296 Fluid aus den Außenkupplungspumpenkammern 316 und 320 in die Innenkupplungspumpenkammer 306.

Dementsprechend sorgt, da sich die Innenkolbenanordnung 200 und die Außenkolbenanordnung 250 immer entgegengesetzt zueinander bewegen und sich somit der Innenplunger 242 immer entgegengesetzt zu den beiden Außenplungern 295 und 296 bewegt, jeder Hub des Motors nur dafür, dass entweder nur der Innenplunger 242 oder nur die Außenplunger 295 und 296 Fluid in den Hochdruckbehälter 338 pumpen. Die entgegengesetzte Hubrichtung dient in jedem Falle zum Pumpen von Fluid innerhalb des Kupplungssystems. Wenn man andererseits wünscht, eine Pumpwirkung in den Hochdruckbehälter in beiden Richtungen für den Innen- und die Außenplunger 242, 295 und 296 zu erreichen, dann sollte eine andere Art von Kupplungssystem angewendet werden.

Zusätzlich zu dem Betrieb der Teilsysteme im Inneren des Motors arbeiten natürlich auch die Außensysteme während des Motorbetriebs, wie es erforderlich ist, um den Betrieb des Motors 10 aufrechtzuerhalten. Daher pumpt das Kühlsystem Kühlmittel durch die Kühlmittelpassagen 28, 50, 66, 128, 150, 166 und 352, wie es erforderlich ist, um sicherzustellen, dass die Motorbauteile nicht überhitzt werden. Ebenso speichert das Kraftstoffsystem 39 Kraftstoff und liefert diesen an die Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 34 und 134 mit dem gewünschten Druck. Das elektrische System versorgt die Steuereinrichtung 35, die Sensoren und andere Bauteile, die elektrische Energie für den Betrieb benötigen, mit elektrischer Energie. Das Ölversorgungssystem versorgt den Motor mit Schmieröl, wie es erforderlich ist, um bestimmte Bauteile zu schmieren. Schließlich versorgt das Luftansaugsystem die Lufteinlassöffnungen 92 und 192 mit Luft, wie es während des Motorbetriebs erforderlich ist.

Obwohl das Fluid, das für das Energiespeichermedium und das Steuerventil verwendet wird, als Hydrauliköl offenbart wurde, können auch andere geeignete Fluide verwendet werden, wenn es gewünscht wird. Zum Beispiel kann das Fluid ein Gas mit einem pneumatischen Energiespeichersystem für die Behälter sein. Das Fluid kann ein Kältemittel im flüssigen oder gasförmigen Zustand sein. In diesen beiden Beispielen muss auch, da das Fluid keine Flüssigkeit mehr ist (im Wesentlichen inkompressibel), das Kupplungssystem verändert werden, das zum Sicherstellen der entgegengesetzten Bewegung der beiden Kolbenanordnungen verwendet wird. Jedoch kann die Konfiguration des OPOC-Freikolbenmotors, speziell die Anwendung der HCCI-Verbrennung, noch verwendet werden, um die in dem Fluidenergiespeichermedium gespeicherte Energie zu erzeugen.

Darüber hinaus kann, während bei der beispielhaften Ausführungsform eines hier ausführlich beschriebenen OPOC-Freikolbenmotors ein Hydraulikfluid als das Energiespeicher- und Energiesteuermedium verwendet wird, der OPOC-Freikolbenmotor Lineargeneratoren für die Motorsteuerung und die elektrische Energieerzeugung verwenden. Die Hydraulikpumpenblockanordnung müsste durch eine Lineargeneratoranordnung ersetzt werden, wobei die Zug- und Schubstangen einen Teil von Lineargeneratorbauteilen bilden oder diese antreiben. Die Kolben/Zylinderanordnungen, einschließlich der Spülpumpen, müssten Energie aus Verbrennungsvorgängen erzeugen, um die Lineargeneratoren anzutreiben. Somit kann dennoch die HCCI-Verbrennung mit den gewünschten hohen Mengen an Ladeluft bei dem OPOC-Freikolbenmotor, der mit einem Lineargenerator gekuppelt ist, verwendet werden, wenn eine Maximierung der Leistungsdichte des Motors bevorzugt wird.


Anspruch[de]
Freikolbenmotor (10), aufweisend:

eine erste Verbrennungszylinderanordnung (14), die eine erste Zylinderlaufbuchse (42) mit einer im Wesentlichen zylindrischen Wand aufweist, die einen ersten Motorzylinder (44) definiert, wobei sich wenigstens eine Ansaugöffnung (56) und eine Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung (54) benachbart zu der wenigstens einen Ansaugöffnung (56) durch die Wand hindurch erstrecken;

eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung (34), die eine Einspritzdüse (55) aufweist und an dem Motor (10) derart montiert ist, dass die Einspritzdüse (55) in der Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung (54) angeordnet ist, wobei die Kraftstoffeinspritzvorrichtung (34) derart ausgerichtet ist, dass die Einspritzdüse (55) in Richtung der wenigstens einen Ansaugöffnung (56) einspritzt; und

eine Kolbenanordnung (250) mit einem ersten Kolben (252), der einen Kopfabschnitt (254), einen gegenüberliegenden hinteren Abschnitt (256) und eine sich zwischen diesen erstreckende zylindrische Seitenwand aufweist, wobei die zylindrische Seitenwand im Allgemeinen um die Bewegungsachse des ersten Kolbens (252) zentriert ist und sich in deren Richtung erstreckt, und

wobei die wenigstens eine Ansaugöffnung (56) und die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung (54) derart in der Wand der ersten Zylinderlaufbuchse (42) angeordnet sind, dass die zylindrische Seitenwand des ersten Kolbens (252) die wenigstens eine Ansaugöffnung (56) und die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung (54) für einen Teil des Hubes des ersten Kolbens (252) abdeckt.
Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 1, wobei die Kraftstoffeinspritzvorrichtung (34) einen Spritzwinkel für Kraftstoff aufweist, der etwa neunzig Grad beträgt. Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Ansaugöffnung eine Mehrzahl von am Umfang im Abstand voneinander angeordneten Ansaugöffnungen (56) ist. Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Innenkolbenanordnung (200) mit einem Innenkolben (202), der innerhalb des ersten Motorzylinders (44) entlang der Bewegungsachse verschiebbar angeordnet ist und einen Kopfabschnitt (210), der dem ersten Kolben (252) zugewandt ist, und eine Innenstange (240) aufweist, die an dem Innenkolben (202) montiert ist; wobei der Kopfabschnitt (254) des ersten Kolbens (252) dem Kopfabschnitt (210) des Innenkolbens (202) zugewandt ist und der Abschnitt des ersten Motorzylinders (44), der zwischen dem Kopfabschnitt (254) des ersten Kolbens (252) und dem Kopfabschnitt (210) des Innenkolbens (202) angeordnet ist, eine Brennkammer definiert; und wobei die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung (54) zu der Brennkammer nur freigelegt ist, wenn der erste Kolben (252) in einem vorbestimmten Abstand von dem Innenkolben (202) angeordnet ist. Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 4, wobei die Kolbenanordnung (250) ferner eine Außenstange (293, 294) aufweist, die an dem ersten Kolben (252) montiert ist. Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 4, wobei die Wand wenigstens eine sich durch diese hindurch erstreckende Abgasöffnung (46) aufweist, und der Innenkolben (202) eine zylindrische Seitenwand benachbart zu der Wand aufweist und in dem ersten Motorzylinder (44) entlang der Bewegungsachse um eine im Wesentlichen vorbestimmte Entfernung, die einen Innenkolbenhub definiert, verschiebbar ist, und die wenigstens eine Auslassöffnung (46) derart angeordnet ist, dass die zylindrische Seitenwand des Innenkolbens (202) die wenigstens eine Auslassöffnung (46) für einen Teil des Innenkolbenhubes abdeckt. Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 1, wobei der Motor (10) ferner eine zweite Verbrennungszylinderanordnung (16) aufweist, die eine zweite Zylinderlaufbuchse (142) mit einer zweiten im Wesentlichen zylindrischen Wand aufweist, die einen zweiten Motorzylinder (144) definiert, wobei sich wenigstens eine zweite Ansaugöffnung (156) und eine zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung benachbart zu der wenigstens einen zweiten Ansaugöffnung (156) durch die zweite Wand hindurch erstrecken; wobei der Motor (10) ferner eine zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtung (134) aufweist, die eine zweite Einspritzdüse aufweist und an dem Motor (10) derart montiert ist, dass die zweite Einspritzdüse in der zweiten Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung angeordnet ist; und wobei die Kolbenanordnung (250) ferner einen zweiten Kolben (275) aufweist, der einen zweiten Kopfabschnitt (276), einen gegenüberliegenden zweiten hinteren Abschnitt (277) und eine sich zwischen diesen erstreckende zweite zylindrische Seitenwand aufweist, wobei die zweite zylindrische Seitenwand im Allgemeinen um die Bewegungsachse des zweiten Kolbens (275) zentriert ist und sich in deren Richtung erstreckt, und wobei die wenigstens eine zweite Ansaugöffnung (156) und die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung in der zweiten Wand derart angeordnet sind, dass die zweite zylindrische Seitenwand die wenigstens eine zweite Ansaugöffnung (156) und die zweite Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung für einen Teil des Hubes des zweiten Kolbens (275) abdeckt. Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 7, wobei die Kolbenanordnung (250) ferner eine Außenstange (293, 294) aufweist, die an dem ersten Kolben (252) und dem zweiten Kolben (275) montiert ist. Freikolbenmotor (10) nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen Positionssensor (291), der mit der Kolbenanordnung (250) wirksam in Eingriff steht, und eine Steuereinrichtung (35), die mit dem Positionssensor (291) derart in Verbindung steht, dass die Steuereinrichtung (35) bestimmen kann, wann die zylindrische Seitenwand die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung abdeckt. Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenmotors (10), umfassend die Schritte:

Bereitstellen einer ersten Verbrennungszylinderanordnung (14), die eine erste Zylinderlaufbuchse (42) mit einer im Allgemeinen zylindrischen Wand aufweist, die einen ersten Motorzylinder (44) definiert, wobei sich wenigstens eine Ansaugöffnung (56) und eine Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung (54) benachbart zu der wenigstens einen Ansaugöffnung (56) durch die Wand hindurch erstrecken;

Bereitstellen einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung (34), die eine Einspritzdüse (55) aufweist und an dem Motor (10) derart montiert ist, dass die Einspritzdüse (55) in der Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung (54) angeordnet ist, wobei die Kraftstoffeinspritzvorrichtung (34) derart ausgerichtet ist, dass die Einspritzdüse (55) in Richtung der wenigstens einen Ansaugöffnung (56) einspritzt;

Bereitstellen einer Kolbenanordnung (250) mit einem ersten Kolben (252), der einen Kopfabschnitt (254), einen gegenüberliegenden hinteren Abschnitt (256) und eine sich zwischen diesen erstreckende zylindrische Seitenwand aufweist, wobei die zylindrische Seitenwand im Allgemeinen um die Bewegungsachse des ersten Kolbens (252) zentriert ist und sich in deren Richtung erstreckt;

wobei die wenigstens eine Ansaugöffnung (56) und die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung (54) derart in der Wand der ersten Zylinderlaufbuchse (42) angeordnet sind, dass die zylindrische Seitenwand des ersten Kolbens (252) die wenigstens eine Ansaugöffnung (56) und die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung (54) für einen Teil des Hubes des ersten Kolbens (252) abdeckt;

Bewegen des ersten Kolbens (252) entlang der Bewegungsachse derart, dass die zylindrische Seitenwand die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung (54) nicht abdeckt;

Einspritzen von Kraftstoff aus der Kraftstoffeinspritzvorrichtung (34) in den ersten Motorzylinder (44), während die zylindrische Seitenwand die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung (54) nicht abdeckt;

Bewegen des ersten Kolbens (252) entlang der Bewegungsachse derart, dass die zylindrische Seitenwand die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung (54) abdeckt; und

Zünden des eingespritzten Kraftstoffs, während die zylindrische Seitenwand die Kraftstoffeinspritzvorrichtungsbohrung (54) abdeckt.






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