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Die Erfindung betrifft eine Gaseinbringvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10 und ein Betriebsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
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Aus der Druckschrift
EP 0 588 593 A2 ist ein Kolbenmotor mit einer Vorkammer bekannt, wobei die Öffnung zwischen der Vorkammer und der Brennkammer des Kolbenmotors durch ein gesteuertes Auslassventil verschließbar ist. In die Vorkammer mündet zudem eine Einspritzdüse zur Zuführung von Brennstoff, welcher bei geschlossenem Auslassventil in die Vorkammer eingebracht wird. Durch die Ansteuerung des Auslassventils kann der Zeitpunkt der Zündung des Brennstoffgemisches kontrolliert werden, so dass der Zündzeitpunkt unabhängig von dem Verdichtungsverhältnis und damit den Temperaturen in der Brennkammer ist. Hierdurch kann auch mit zum Klopfen neigenden Brennstoffen ein verhältnismäßig hoher Brennraumdruck erreicht werden.
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Die Druckschrift
US 5 315 973 A offenbart eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Komprimieren und Einspritzen von gasförmigem Brennstoff aus einer Gaskraftstoffversorgung mit variablem Druck in eine Brennstoffaufnahmevorrichtung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den bekannten Stand der Technik weiterzuentwickeln und insbesondere für die Verwendung von gasförmigen Brennstoffen zu optimieren.
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Diese Aufgabe wird durch eine Gaseinbringvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Gaseinbringvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens eine den Innenraum begrenzende Wandung des Gehäuses beweglich ausgebildet ist, um das Volumen des Innenraums zu verändern. Hierdurch ist es einerseits möglich, die bei gasförmigen Brennstoffen notwendige Verdichtung nahe an der Brennkammer eines Verbrennungsmotors zu erzeugen, wodurch lange und risikobehaftete Hochdruckleitungen vermieden werden. Der gasförmige Brennstoff kann damit leicht und kostengünstig mit niedrigem Druck bis an die Gaseinbringvorrichtung gefördert werden. Andererseits kann über die Einstellung des Volumens des Innenraums auch der Druck in der Brennkammer beeinflusst werden, was eine optimale Anpassung der Betriebsparameter des Verbrennungsmotors an den jeweiligen Lastpunkt ermöglicht. Das bedeutet, dass die bewegliche Wandung sowohl kontinuierlich mit jedem Arbeitsspiel des Kolbens des Verbrennungsmotors auf und ab bewegt werden kann, die bewegliche Wandung jedoch auch konstant auf einem bestimmten Niveau eingestellt werden kann, um ein bestimmtes Volumen des Innenraums vorzugeben. Auch ist eine Kombination denkbar, bei welcher die bewegliche Wandung zwar zyklisch mit dem Kolben des Verbrennungsmotors bewegt wird, jedoch die Lage der Totpunkte der zyklischen Bewegung variiert wird, wodurch das maximale und minimale Volumen des Innenraums einstellbar ist. Die bewegliche Wandung ist dabei durch einen in dem Gehäuse beweglich gelagerten Kolben gebildet. Eine besonders exakte und einfache Ansteuerung des Kolbens wird dabei dadurch erreicht, dass eine Kurbelwelle zur Betätigung des Kolbens vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft weist der Kolben eine Durchgangsöffnung auf, in welcher ein Ventilschaft des Auslassventils angeordnet ist. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Gehäuse eine Einlassöffnung zur Zuführung von gasförmigen Brennstoffen in den Innenraum aufweisen. Durch diese Einlassöffnung können die unverdichteten oder nur gering verdichteten gasförmigen Brennstoffe in den Innenraum des Gehäuses eingebracht werden.
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Das Auslassventil kann dabei zwischen einer Schließstellung, in welcher das Auslassventil die Auslassöffnung verschließt, und einer Öffnungsstellung, in welcher das Auslassventil die Auslassöffnung freigibt, bewegbar sein, wobei das Auslassventil bevorzugt derart angeordnet ist, dass sich das Auslassventil bei der Bewegung von der Schließstellung in die Öffnungsstellung in Richtung vom Innenraum weg bewegt, also beispielsweise in Richtung der Brennkammer eines nachgeordneten Verbrennungsmotors. Hierdurch kann erreicht werden, dass sich das Auslassventil bei Erreichen eines definierten Drucks in dem Innenraum des Gehäuses automatisch öffnet, beispielsweise indem eine definierte Rückhaltekraft durch eine Federvorspannung vorgesehen wird.
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Für einen reibungsarme Relativbewegung und eine gute Abdichtung kann der Kolben dabei in einer Laufbuchse in dem Gehäuse beweglich gelagert sein.
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In einer fertigungstechnisch günstigen Ausführungsform kann dabei die Kurbelwelle eine Nockenscheibe zur Betätigung des Auslassventils aufweisen. Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Kurbelwelle zwei koaxiale Hubzapfen zur Betätigung des Kolbens aufweist, zwischen welchen die Nockenscheibe angeordnet ist. Hierdurch wird eine platzsparende Anordnung ermöglicht und der Kolben wird zudem gleichmäßig beaufschlagt, was ein Verkippen verhindert.
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Bevorzugt kann dabei das Auslassventil in dem Kolben gelagert sein, so dass sich eine stabile Führung und zugleich gute Abdichtung ergibt.
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Um eine Rückfluss von gasförmigem Brennstoff durch die Einlassöffnung zu vermeiden, kann ein Einlassventil zum Verschließen der Einlassöffnung vorgesehen sein. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann dabei das Einlassventil durch den Kolben gebildet sein, so dass der Kolben die Einlassöffnung zeitweise verschließt. Hierdurch wird die Anzahl an benötigten Komponenten und damit auch die Fehleranfälligkeit reduziert. Eine Möglichkeit den Füllgrad an Brenngas, das in die Gaseinbringvorrichtung hinein gelangt, zu steuern, besteht darin, eine veränderliche Drossel, beispielsweise in Form einer Drosselklappe, in die Gaszuführstrecke vor der Gaseinbringvorrichtung einzubringen.
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Zudem wird auch ein Verbrennungsmotor beansprucht, welcher die vorgenannte Gaseinbringvorrichtung umfasst. Der Brennkammer des Verbrennungsmotors, welcher beispielsweise als Kolbenmotor ausgebildet sein kann, ist dabei die Gaseinbringvorrichtung vorgeschaltet, so dass der gasförmige Brennstoff durch die Gaseinbringvorrichtung zur Brennkammer geleitet wird.
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Die Einleitung der Zündung der gasförmigen Brennstoffe kann dabei durch Öffnen des Auslassventils gesteuert werden, da erst dann die Verbindung zur Brennkammer des Verbrennungsmotors hergestellt wird. Bevorzugt kann im unteren Bereich der Gaseinbringvorrichtung, innerhalb und/oder außerhalb des Innenraums eine Zündkerze oder Glühkerze angeordnet sein, so wie dies bei Vorkammersystemen für Gasmotoren nach dem Stand der Technik bekannt ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann dabei das Auslassventil der Gaseinbringvorrichtung die Brennkammer des Verbrennungsmotors begrenzen. Die Gaseinbringvorrichtung ist folglich direkt benachbart der Brennkammer angeordnet und das Auslassventil der Gaseinbringvorrichtung bildet gleichzeitig ein Einlassventil der Brennkammer.
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Zudem wird auch ein Verfahren zum Betrieb eines beschriebenen Verbrennungsmotors beansprucht. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zuerst gasförmiger Brennstoff in den Innenraum der Gaseinbringvorrichtung durch die Einlassöffnung eingeleitet wird, dann der gasförmige Brennstoff in dem Innenraum der Gaseinbringvorrichtung durch Verstellen der beweglichen Wandung verdichtet wird und anschließend das Auslassventil zur Zuführung des verdichteten gasförmigem Brennstoffs in die Brennkammer des Verbrennungsmotors geöffnet wird. Das Einblasen des gasförmigen Brennstoffs erfolgt dabei vor, unmittelbar bei, oder nach Erreichen der maximalen Verdichtung und in gerader Linie. Als Drosselstelle wirkt insofern nur die Umströmung des Auslassventils, das heißt dass die mechanische Energie zur Druckerhöhung zu einem Teil wieder durch die Expansion im Hauptbrennraum in mechanisch nutzbare Energie umgewandelt werden kann.
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Dieses vorteilhafte Verfahren kann für das Diesel-Verfahren, bei welchem die gesamte Menge an gasförmigem Brennstoff über die Gaseinbringvorrichtung eingebracht wird, genutzt werden. Es ist jedoch auch möglich, dieses bei dem Otto-Verfahren, zu verwenden, bei welchem eine gewisse Grundmenge an gasförmigem Brennstoff über die Frischgas-Ansaugleitung zugeführt wird, wie dies bei heutigen Gasmotoren bekannt ist, und lediglich die zur Zündfähigkeit notwendige Anfettungs-Menge an gasförmigem Brennstoff, welche bei heutigen Gasmotoren in die zum Brennraum über Bohrungen offene Vorkammer eingebracht wird, über die erfindungsgemäße Gaseinbringvorrichtung einzubringen. Dies hat den Vorteil, dass die Anfettung des Gemisches zur Einleitung der Zündung oder zur schnellen Lastaufschaltung über die Gaseinbringvorrichtung dargestellt werden können und die Anfettungs-Menge an gasförmigem Brennstoff so lange von der Brennkammer des Verbrennungsmotors separiert werden kann, bis die Zündung planmäßig von der Motorsteuerung ausgelöst eingeleitet werden soll, wodurch eine zeitlich frühere Selbstzündung (Klopfen) verhindert wird.
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Durch das variable Volumen des Innenraums der Gaseinbringvorrichtung kann der Verbrennungsmotor zudem an bestimmte Betriebspunkte oder auch an unterschiedliche Brenngasqualitäten angepasst werden und ermöglicht somit einen zusätzlichen Freiheitsgrad, über dessen geeignete Veränderung der Verbrennungsmotor effektiver betrieben werden kann als mit konstantem Innenraumvolumen.
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Bevorzugt kann dabei vor dem Öffnen des Auslassventils die Einlassöffnung des Gehäuses der Gaseinbringvorrichtung über das Einlassventil geschlossen werden. Über den Zeitpunkt des Schließens des Einlassventils kann dabei der Druck und die Menge an gasförmigem Brennstoff in dem Innenraum gesteuert werden.
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Besonders bevorzugt kann dabei, abhängig von dem Lastpunkt des Verbrennungsmotors, das maximale Volumen des Innenraums der Gaseinbringvorrichtung durch Verstellung der beweglichen Wandung angepasst werden. Über das maximale Volumen ist die Menge an zugeführtem gasförmigem Brennstoff steuerbar, welcher je Arbeitszyklus des Kolbens dem Verbrennungsmotor zugeführt wird.
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Schließlich stellt das Zusammenspiel aus der in der Gaseinbringvorrichtung angeordneten beweglichen Wandung und dem in seinem Öffnungs- und Schließverhalten veränderbar ansteuerbaren Auslassventil eine Möglichkeit dar, das effektive Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors innerhalb bestimmter Grenzen variabel zu gestalten.
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Es kann zudem vorgesehen sein, dass dem Verbrennungsmotor über einen separaten Ansaugkanal, welcher in der Brennkammer mündet, Luft bzw. ein Gemisch aus Luft und gasförmigem Brennstoff zugeführt wird.
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Es ist jedoch ebenso möglich, dass durch die Gaseinbringvorrichtung kein zusätzlicher Brennstoff eingebracht wird und gegebenenfalls auch keine Zündvorrichtung in der Gaseinbringvorrichtung vorgesehen ist, so dass das Auslassventil während der Phase, in welcher ein Luft-Brennstoffgemisch über die geöffneten Einlassventile des Verbrennungsmotors in die Brennkammer strömt, geöffnet ist, so dass durch das Auslassventil gasförmiger Brennstoff in die Gaseinbringvorrichtung strömen kann.
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Während der Verdichtungsphase in der Brennkammer kann dabei das Auslassventil der Gaseinbringvorrichtung geschlossen werden und dann das in der Gaseinbringvorrichtung eingeschlossene und in seiner Zusammensetzung zur Brennkammer identische Luft-Brennstoffgemisch höher verdichtet werden als jenes in der Brennkammer des Verbrennungsmotors. Hierdurch wird dieses höher erhitzt und es kommt gegebenenfalls zur Selbstzündung innerhalb der Gaseinbringvorrichtung. Über dieses Verfahren kann dann das in der Brennkammer befindliche Luft-Brennstoffgemisch durch erneutes Öffnen des Auslassventils der Gaseinbringvorrichtung entzündet werden.
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Gleichermaßen kann über die Gaseinbringvorrichtung auch Heißgas nach der Zündung der Brennkammer entnommen und zur Zündung im anschließenden Zündungstakt verwendet werden.
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Alternativ kann der Vorgang auch so abgestimmt sein, dass das Einströmen von gasförmigem Brennstoff aus der Brennkammer in die Gaseinbringvorrichtung genau zum Zeitpunkt der Ventilüberschneidung im Ladungswechsel-OT des Verbrennungsmotors stattfindet. Dies hat den Vorteil, dass ein Teil des gasförmigen Luft-Brennstoffgemisches, beispielsweise Methan, welcher im Stand der Technik über einen Kurzschlussstrom (sog. „Methane-Slip“) direkt und unverbrannt in den Abgastrakt des Verbrennungsmotors gelangt, von der Gaseinbringvorrichtung bevorzugt durch aktive Betätigung der beweglichen Wandung abgesaugt und später dem Verbrennungsprozess wieder zugeführt wird. Die Bewegung der beweglichen Wandung könnte alternativ in diesem Fall über ein Kurvenbahngetriebe oder auch ein Nockentriebsystem dargestellt werden. Hierdurch wird der Schadstoffausstoß des Verbrennungsmotors verringert und der Wirkungsgrad erhöht.
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Vorteilhaft kann auch ein Betriebsmodus des Verbrennungsmotors vorgesehen sein, welcher eine Art „Nullung“ des Druckniveaus in der Gaseinbringvorrichtung durch ein kurzzeitiges Öffnen des Ventils während einer Niederdruckphase, z.B. wenn der Kolben des Verbrennungsmotors beispielsweise in UT nach der Verbrennung angeordnet ist, ermöglicht, was durch mehrere Ventilerhebungen auf der Nockenscheibe zur Ansteuerung des Auslassventils der Gaseinbringvorrichtung umgesetzt werden kann. Hierdurch kann ein thermodynamisch vorteilhaft nutzbares Unterdruckniveau im Innenraum der Gaseinbringvorrichtung erzeugt werden, wenn sich die bewegliche Wandung im Innenraum wieder nach oben bewegt, also das Volumen im Innenraum vergrößert wird. Zudem kann hierdurch eine Leerung der Gaseinbringvorrichtung von Restgasen des vorhergehenden Verbrennungsvorgangs erfolgen.
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Wie bereits angedeutet, kann vorgesehen sein, durch mehrmalige Ansteuerung des Auslassventils, beispielsweise mittels mehrerer nockenartiger Erhebungen auf der Nockenscheibe, auch unabhängig von der Stellung der beweglichen Wandung das Auslassventil mehrfach pro Arbeitsspiel des Verbrennungsmotors zu öffnen und zu schließen, um thermodynamisch vorteilhafte Effekte zu erzielen.
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Besonders bevorzugt kann die Ansteuerung der beweglichen Wandung unabhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors ausgestaltet sein. Neben einer fixen Koppelung des Antriebs der beweglichen Wandung mit der Nockenwelle des Verbrennungsmotors, was der halben Kurbelwellendrehzahl des Verbrennungsmotors entspricht, kann der Antrieb der beweglichen Wandung auch direkt mit der Kurbelwellendrehzahl erfolgen oder je nach Anwendungsfall hiervon abweichen, was beispielsweise über ein entsprechendes Getriebe realisierbar ist. Über eine entsprechende Ansteuerung des Einlassventils kann dabei, beispielsweise bei nur einem Teil der Hübe der beweglichen Wandung, gasförmiger Brennstoff in die Gaseinbringvorrichtung zugeführt werden.
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Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch eine Gaseinbringvorrichtung;
- 2 eine Seitenansicht auf die Gaseinbringvorrichtung von 1 und
- 3 eine perspektivische Ansicht der Gaseinbringvorrichtung von 1.
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In 1 ist ein Längsschnitt durch eine Gaseinbringvorrichtung 1 für einen Verbrennungsmotor gezeigt, welche ein einen Innenraum 2 umschließendes zylindrisches Gehäuse 3 mit einer am unteren Ende angeordneten Auslassöffnung 4 zum Auslass von gasförmigem Brennstoff in einen benachbarten, lediglich schematisch dargestellten Brennraum 5 umfasst. Die Auslassöffnung 4 ist in der Darstellung über ein Auslassventil 6 in der Schließstellung verschlossen.
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Seitlich an dem zylindrischen Gehäuse 3 ist eine Einlassöffnung 7 in Form mehrerer über den Umfang verteilter Durchlässe ausgebildet, durch welche gasförmiger Brennstoff in den Innenraum 2 zugeführt werden kann. Die Durchlässe können dabei wie dargestellt auf gleicher Höhe und gleichmäßig über den Umfang des zylindrischen Gehäuses 3 verteilt angeordnet sein, es ist jedoch auch möglich die Durchlässe in Axialrichtung des Gehäuses 3 versetzt anzuordnen und ungleichmäßig in Umfangsrichtung zu beabstanden, um die Füllung des Innenraums 2 mit dem gasförmigen Brennstoff zu beeinflussen.
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Nach oben wird der Innenraum 2 über einen Kolben 8 begrenzt, welcher in dem Gehäuse 3 beweglich gelagert ist, die Unterseite des Kolbens 8 bildet insofern eine bewegliche Wandung 9, welche den Innenraum 2 begrenzt. Durch die Bewegung des Kolbens 8 kann das Volumen des Innenraums 2 verändert werden. In der gezeigten oberen Position des Kolbens 8 befindet sich der untere Rand des Kolbens 8 etwas oberhalb der Einlassöffnung 7, so dass diese freigegeben ist und gasförmiger Brennstoff in den Innenraum einströmen kann. Wird der Kolben 8 jedoch nach unten bewegt, verschließt dieser die Einlassöffnung 7, so dass der in dem Innenraum 2 enthaltene gasförmige Brennstoff bei geschlossenem Auslassventil mit der weiteren Bewegung des Kolbens 8 komprimiert wird. Der Kolben 8 bildet bei der gezeigten Ausführungsform insofern ein Einlassventil, es können jedoch auch andere bekannte Arten von Ventilen vorgesehen sein, um den Durchlass von gasförmigem Brennstoff in den Innenraum 2 zu steuern.
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Der Brennraum 5 ist unterhalb der Gaseinbringvorrichtung 1 angeordnet und wird nach oben zumindest von dem Auslassventil 6 begrenzt. Des Weiteren können auch noch nicht dargestellte weitere Ventile, wie beispielsweise Einlassventile für die Verbrennungsluft oder Auslassventile für das Rauchgas, vorhanden sein, welche den Brennraum 5 begrenzen. Hierzu wird auf die aus dem Stand der Technik bekannten Steuerorgane für Gaswechselvorgänge bei Kolbenmotoren verwiesen. Zudem kann in dem Brennraum 5 auch noch eine Zündkerze zur kontrollierten Zündung der in der Brennkammer 5 enthaltenden gasförmigen Brennstoffe vorgesehen sein.
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Der Kolben 8 ist innerhalb des Gehäuses 3 in einer Laufbuchse 10 reibungsarm gelagert. In dem Kolben 8 ist eine zentrale Durchgangsöffnung 11 ausgebildet, in welcher ein Ventilschaft 12 des Auslassventils 6 angeordnet und gelagert ist. Die Lagerung kann auch durch eine separate Lagerbuchse dargestellt werden. Der Ventilschaft 12 erstreckt sich dabei von dem Auslassventil 6 am unteren Ende der Gaseinbringvorrichtung 1 durch den Innenraum 2 und die Durchgangsöffnung 11 in dem Kolben 8 hindurch bis zu einer Lagerpfanne 13 zur Ansteuerung des Auslassventils 6.
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Das Gehäuse 3 weist in einem oberen Abschnitt einen Quersteg 14 auf, in welchem der Ventilschaft 12 zusätzlich gelagert ist. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Ventilschaft 12 lediglich in diesem Quersteg 14 gelagert ist und im übrigen von der Durchgangsöffnung 11 des Kolbens 8 zumindest geringfügig beabstandet ist. Der Quersteg 14 ist in einer Quernut 15 am oberen Ende des Kolbens 8 mit möglichst geringem seitlichem Spiel gelagert, die Quernut 15 ist jedoch in axialer Richtung des Gehäuses 3 beabstandet von dem Quersteg 14 ausgebildet, um die Relativbewegung des Kolbens 8 zu ermöglichen. Für eine besonders gute Abdichtung des Ventilschafts 12 gegenüber dem Kolben 8 ist zudem eine Dichtung 16 oberhalb des Querstegs 14 vorgesehen.
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Die Dichtung 16 ist dabei in einer zentralen Aussparung 17 am oberen Ende des Kolbens 8 vorgesehen, in welcher der Ventilschaft 12 ebenfalls gegenüber dem Kolben 8 gelagert ist. In die Aussparung 17 greift zudem ein Kipphebel 18 mit einem unteren Zapfen 19 ein. Der Zapfen 19 liegt auf der Lagerpfanne 13 des Ventilschafts 12 auf, so dass eine Bewegung des Kipphebels 18 über eine Gleitbewegung des Zapfens 19 gegenüber der Lagerpfanne 13 zu einer axialen Bewegung des Ventilschafts 12 und damit einem Öffnen des Auslassventils 6 führt.
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Oberhalb des Kipphebels 18 ist eine Kurbelwelle 20 zur Betätigung des Kolbens 8 und des Auslassventils 6 angeordnet. Die Betätigung des Auslassventils 6 erfolgt dabei mittels einer zentral an der Kurbelwelle 20 angeordneten Nockenscheibe 21, welche auf einem Rollenlager 22 des Kipphebels 18 abrollt. Die Betätigung des Kolbens 8 erfolgt mittels zweier koaxialer Hubzapfen 23a, 23b der Kurbelwelle 20, zwischen denen die Nockenscheibe 21 angeordnet ist. Auf diesen Hubzapfen 23a, 23b ist jeweils ein Pleuel gelagert, welches mit dem Kolben 8 über einen Lagerzapfen drehbar verbunden ist. Zur einfacheren Darstellung ist in den Figuren jeweils nur ein Pleuel 24 verbunden mit einem Lagerzapfen 25 dargestellt, das weitere Pleuel, wie auch die Lagerung an dem Kolben 8, ist hierzu spiegelbildlich zur Nockenscheibe 21 ausgebildet.
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In 2 ist eine Seitenansicht auf die Gaseinbringvorrichtung 1 von 1 gezeigt. Zur besseren Darstellung der Ansteuerung des Auslassventils 6 ist auch hier lediglich der hintere Pleuel 24 dargestellt. Wie der 2 zu entnehmen ist, ist die Nockenscheibe 21 im Wesentlichen kreisrund ausgebildet und weist in der gezeigten Stellung im oberen Totpunkt des Kolbens 8 in einem oberen Abschnitt einen einzelnen Nocken 26 auf. Über den Winkelversatz zwischen der Nocke 26 auf der Nockenscheibe 21 und den Hubzapfen 23a, 23b kann der Öffnungszeitpunkt des Auslassventils 6 in Relation zum Hub des Kolbens 8 präzise eingestellt werden. In der gezeigten Seitenansicht dreht die Kurbelwelle 20 gegen den Uhrzeigersinn, so dass der Nocken 26 den Kipphebel 18 kurz vor dem unteren Totpunkt des Kolbens 8 ansteuert und damit der gasförmige Brennstoff zuerst hochverdichtet und anschließend mittels des Kolbens 8 durch die Auslassöffnung 4 ausgeschoben wird. Der Kipphebel 18 dreht dabei um seine seitliche Lagerstelle und überträgt die Abwärtsbewegung auf die Lagerpfanne 13 des Ventilschafts 12 und damit das Auslassventil 6.
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In 3 ist eine perspektivische Ansicht der Gaseinbringvorrichtung von 1 gezeigt. Aus dieser Darstellung ist die Quernut 15 im oberen Teil des Kolbens 8 nochmals deutlich zu entnehmen.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird nachfolgend die Betriebsweise eines Verbrennungsmotors 28 mit der Gaseinbringvorrichtung 1 beschrieben. Ausgehend von der gezeigten Stellung, in welcher die Auslassöffnung 4 durch das Auslassventil 6 geschlossen und der Kolben 8 im oberen Totpunkt angeordnet ist, wodurch die Einlassöffnung 7 geöffnet ist, wird gasförmigem Brennstoff in den Innenraum 2 der Gaseinbringvorrichtung 1 durch die Einlassöffnung 7 eingeleitet. Der gasförmige Brennstoff kann dabei lediglich gering vorverdichtet sein, wodurch die Anforderungen an die Zuleitungen gering sind und der Transport risikoarm ist. Anschließend wird der Kolben 8, angetrieben durch die Kurbelwelle 20, über die Pleuel 24 nach unten bewegt, wodurch zuerst die Einlassöffnung 7 durch den Kolben 8 verschlossen und anschließend der gasförmige Brennstoff in dem Innenraum 2 der Gaseinbringvorrichtung 1 verdichtet wird. Sobald der in 2 gezeigte Nocken 26 mit dem Kipphebel 18 in Kontakt kommt, öffnet das Auslassventil 6 zur Zuführung des verdichteten gasförmigen Brennstoffs in die Brennkammer 5 des Verbrennungsmotors 28. Da der Nocken 26 in Drehrichtung der Kurbelwelle 20 den Hubzapfen 23a, 23b vorgeschaltet ist, wird der verdichtete Brennstoff nach dem Öffnen des Auslassventils 6 durch den Kolben 8 aus dem Innenraum 2 durch die Auslassöffnung 4 in den Brennraum 5 ausgeschoben.
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Beispielsweise über nicht weiter dargestellte Zwischenhebel zwischen den Hubzapfen 23a, 23b und dem Pleuel 24 kann zudem das maximale Volumen des Innenraums 2 und zudem der Hub des Kolbens 8, also das maximale Fördervolumen der Gaseinbringvorrichtung 1 angepasst werden. Insofern ermöglicht die gezeigte Gaseinbringvorrichtung 1 eine große Anzahl an unabhängig einstellbaren Betriebsparametern zum optimalen Betrieb des Verbrennungsmotors 28 in jedem Lastpunkt.
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Wie es bei Kolbenmotoren üblich ist, kann über einen nicht dargestellten separaten Ansaugkanal, welcher in der Brennkammer 5 mündet, Luft bzw. ein Gemisch aus Luft und gasförmigem Brennstoff zugeführt werden. Wird dem Motor durch den Ansaugkanal ein Brennstoff/Luft-Gemisch zugeführt, wird insgesamt die Menge an zugeführtem Brennstoff erhöht, dabei darf jedoch die Menge an Brennstoff in dem Brennstoff/Luft-Gemisch eine bestimmte Grenze nicht überschreiten, um eine ungewollte Selbstentzündung und damit eine klopfende Verbrennung zu vermeiden. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann dabei der Zündzeitpunkt über die Öffnung des Auslassventils 6 und damit die Zugabe des hochverdichteten gasförmigen Brennstoffs in den Brennraum 5 genau gesteuert werden. Bevorzugt wird dabei durch die Gaseinbringvorrichtung 1 ein gasförmiger Brennstoff ohne Sauerstoff zugeführt, um eine Selbstentzündung zu vermeiden In einer alternativen Ausführungsform kann jedoch auch in definierten Grenzen ein Brennstoff/Luft-Gemisch durch die Gaseinbringvorrichtung 1 zugeführt werden, beispielsweise bei sehr geringen Motorlasten, um dennoch eine Zündung des mageren Gemisches zu ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gaseinbringvorrichtung
- 2
- Innenraum
- 3
- Gehäuse
- 4
- Auslassöffnung
- 5
- Brennraum
- 6
- Auslassventil
- 7
- Einlassöffnung
- 8
- Kolben
- 9
- Bewegliche Wandung
- 10
- Laufbuchse
- 11
- Durchgangsöffnung
- 12
- Ventilschaft
- 13
- Lagerpfanne
- 14
- Quersteg
- 15
- Quernut
- 16
- Dichtung
- 17'
- Aussparung
- 18
- Kipphebel
- 19
- Zapfen
- 20
- Kurbelwelle
- 21
- Nockenscheibe
- 22
- Rollenlager
- 23a, 23b
- Hubzapfen
- 24
- Pleuel
- 25
- Lagerzapfen
- 26
- Nocken
- 27
- Lagerstelle
- 28
- Verbrennungsmotor