Aus der DE 100 04 103.5 Al ist eine gattungsgemäße Hubkolbenbrennkraftmaschine bekannt, bei der im Zylinderkopf ein Auslassventil angeordnet ist und die Beschickung der Arbeitskammer mit Frischladung ausschließlich von der zwischen dem Kolben und der Trennwand ausgebildeten Frischladungskammer her erfolgt. Die Maschine arbeitet nach dem Zweitakt-Prinzip.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nach dem Viertakt-Prinzip arbeitende Brennkraftmaschine zu schaffen, die bei verhältnismäßig kleinem Hubraum ein hohes Drehmoment entwickelt und komfortabel läuft.

Diese Aufgabe wird mit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Anspruch 1 gelöst.

Die Frischladungskammer ist bei der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftma- schine als eine integrierte Aufladeeinrichtung nutzbar, indem jeweils zum Ende eines Ansaughubs, in dem durch das Einlassventil hindurch frische Ladung angesagt wurde, aus der Frischladungskammer komprimierte Frischladung in die Arbeitskammer über- strömt und zusätzlich als Ladung zur Verfügung steht. Die Nutzung dieser integrierten Aufladeeinrichtung ist an die jeweiligen Betriebszustände anpassbar, sodass Drehmo- menterhöhungen erzielbar sind und für die Abgasnachbehandlung sowie eine integrier- te Abgasrückführung nutzbare Möglichkeiten zur Verfügung stehen.

Die Unteransprüche 2 bis 5 sind auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbil-

dungen der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschine gerichtet.

Die Ansprüche 6 bis 10 kennzeichnen vorteilhafte Durchführungsformen von erfin- dungsgemäßen Verfahren zur Steuerung der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrenn- kraftmaschine.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.

Es stellen dar : Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ; Fig. 2 einen Schnitt durch die Brennkraftmaschine gemäß II-II in Figur 1 und Fig. 3 einen Schnitt ähnlich der Fig. 2 einer abgeänderten Ausführungsform eines Kurbeltriebs.

Gemäß Figur 1 arbeitet in einem Zylinder 2 einer Brennkraftmaschine ein Kolben 4 unter Bildung einer Arbeitskammer 6 zwischen dem Kolben 4 und dem Zylinder 2. Im Kopf 8 des Zylinders sind in an sich bekannter Weise wenigstens ein Einlassventil 10 und wenigstens ein Auslassventil 11 angeordnet, die die Strömung durch einen Ein- laßkanal 12 und einen Auslasskanal 13 steuern.

Der Kolben 4 ist mit einem Schaft 14 ausgebildet, der sich zwischen zwei Kurbelwel- len 16 und 18 hindurch erstreckt und in einem Tragteil 20 endet, das vorteilhafterwei- se in einem Zylinderansatz 22 eines insgesamt mit 24 bezeichneten Motorgehäuses geführt ist, wobei die Achse des Zylinderansatzes 22 mit der des Zylinders 2 zusam- menfällt. Das Tragteil 20 ist über außerhalb der Zylinderachse zueinander symmet- risch angeordnete Pleuel 26 und 28 mit je einer der Kurbelwellen 16 und 18 verbun- den.

Fig. 2, die einen Schnitt in der Ebene II-II in Fig. 1 zeigt, stellt eine vorteilhafte Ausführungsform der Kurbelwellen 16 und 18 dar. Jede der Kurbelwellen 16 und 18 besteht aus einem Scheibenpaar mit je zwei Scheiben 30,32 und 34,36, die über je eine im Motorgehäuse gelagerte Welle 38,40 fest miteinander verbunden sind. Die Scheibenpaare sind über eine an wenigstens je einer der Scheiben ausgebildete Außen- verzahnung 42,44 in gegenseitigem Dreheingriff, so dass sie mit gleicher Drehzahl, aber gegensinnig drehen. Die Anordnung ist insgesamt symmetrisch zur Zylinderach- se, in der sich der Schaft 14 zwischen den Scheiben hindurch erstreckt. Jede Scheibe weist einen Pleuelzapfen 46 auf, an dem die in Figur 2 nicht dargestellten Pleuel 26 und 28 gelagert sind. Somit ist das Tragteil 20 und damit der Kolben 4 über vier Pleu- el mit dem Kurbeltrieb verbunden.

Fig. 3 zeigt eine gegenüber Fig. 2 abgeänderte Ausführungsform eines Kurbeltriebs. Die beiden Scheiben 30,32 bzw. 34,36 eines Scheibenpaares sind dabei jeweils über einen exzentrisch angeordneten Kurbelzapfen 461 bzw. 462 drehfest miteinander verbunden und sind an dem Motorgehäuse mittels konzentrisch an ihnen angeordneten Wellenstummeln 381, 382 bzw. 40"4°2 gelagert. Bei dem Kurbeltrieb gemäß Fig. 3 ist somit jede Kurbelwelle 16 bzw. 18 nur über ein Pleuel, dass am Pleuelzapfen 461 bzw. 462 gelagert ist, mit dem Tragteil 20 verbunden.

Die Pleuel 26 und 28 werden bei der beschriebenen Konstruktion, bei der sie auf der vom Kolben abgewandten Seite der Kurbelwellen 16 und 18 mit dem Kolben 4 bzw. dessen Schaft 14 verbunden sind, mit Ausnahme im Schubbetrieb des Motors oder beim Ansaughub nur auf Zug beansprucht, so dass sie, da die erforderliche Druck-oder Knickfestigkeit nicht sehr hoch ist, als einfache Zugstreben in Form beispielsweise flacher Stanzteile mit abgewinkeltem Querschnitt ausgebildet sein können.

Das Tragteil 20 ist bei der Ausführungsform gemäß Figur 1 nicht als in sich geschlos- sene Scheibe ausgebildet, die den gesamten Querschnitt des Zylinderansatzes 22 aus- füllt, sondern derart, daß bei einer Auf-und Abwärtsbewegung des Tragteils 20 die im Kurbelraum befindliche Luft ohne Strömungsverluste das Tragteil 20 umströmen

kann. Die Führung des Tragteils 20 im Zylinderansatz 22 ist nicht zwingend, da das Tragteil 20 und damit der Schaft 14 durch ihre gelenkige Verbindung mit den Schei- ben linear (gem. Figur 1 vertikal) geführt sind.

Der Zylinder 2 ist zu dem Kurbeltrieb hin durch eine Trennwand 48 abgeschlossen, durch die sich der Schaft 14 abdichtend geführt hindurch erstreckt. Zwischen dem Kolben 4 und der Trennwand 48 ist eine Frischluftkammer 50 gebildet, deren Volu- men im unteren Totpunkt minimal ist.

Im Bereich des unteren Totpunkt des Kolbens 4 ist außen um den Zylinder 2 herum ein Ringraum 52 gebildet, der über, bezogen auf den unteren Totpunkt des Kolbens 4, unterhalb des Kolbens befindliche radiale Durchlaßöffnungen 54 und oberhalb des Kolbens 4 befindlichen radiale Durchlaßöffnungen 56 mit der Frischluftkammer 50 bzw. der Arbeitskammer 6 verbunden ist. Eine Einlaßöffnung 58 in den Ringraum 52, die an einen weiteren Einlaßkanal 60 angeschlossen ist, ist mittels eines Zuströmven- tils 62 öffnen-und schließbar.

Die Funktion der beschriebenen Hubkolbenbrennkraftmaschine ist folgende : Für das bzw. die Einlassventile 10 und das bzw. die Auslassventile 11 wird eine her- kömmliche Steuerung, beispielsweise von einer oder mehreren, von dem Kurbeltrieb her angetriebenen Nockenwellen mit oder ohne eine Einrichtung zur Phasenverstel- lung oder ein eigener Antrieb, beispielsweise hydraulisch, elektromechanisch usw., ohne direkte Kopplung mit dem Kurbeltrieb angenommen, die bzw. der die Maschine im Viertakt-Verfahren arbeiten läßt.

Es sei angenommen, der Kolben 4 befindet sich, wie dargestellt, am Ende eines An- saughubs bei noch offenen Einlassventil 10 und geschlossenem Auslassventil 11. Wäh- rend des Ansaughubs wurde in der Frischladungskammer 50 befindliche frische La- dung bzw. Luft bei geschlossenem Zuströmventil 62 komprimiert. Wenn der Kolben 4 die oberen Durchlaßöffnungen 56 gegen Ende des Ansaughubs überfährt, gibt er die

Verbindung des Ringraumes 52 mit der Arbeitskammer 6 und damit einen Überström- pfad von der Frischladungskammer 50 durch die unteren Durchströmöffnungen 54, den Ringraum 52 und die oberen Durchströmöffnungen 56 in die Arbeitskammer 6 frei, so dass die komprimierte Luft bzw. Ladung aus der Frischladungskammer 50 in die Arbeitskammer 6 strömt und die dort befindliche, durch das Einlassventil 10 hin- durch angesaugte Ladung vergrößert.

Nach Beginn des folgenden Verdichtungshubs überfährt der Kolben 4 die Verbin- dungsöffnungen 56, so dass die Frischladungskammer 50 von der Arbeitskammer 6 getrennt ist und bei geschlossenem Einlassventil 10 die in der Arbeitskammer 6 be- findliche große Ladungsmenge verdichtet wird und dabei gleichzeitig in die Frischla- dungskammer 50 bei nunmehr geöffnetem Zuströmventil 62 frische Ladung einge- saugt wird.

Im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens 4 wird die komprimierte Ladung in der Arbeitskammer 6, beispielsweise von einer Zündkerze, die in die Arbeitskammer einragt, gezündet, woraufhin der Arbeitstakt beginnt. Wenn die Maschine als Ottomo- tor ausgebildet ist, können Einspritzventile beispielsweise im Einlaßkanal 12 vor dem Einlassventil 10 und gegebenenfalls zusätzlich im Ringraum 52 stromabwärts des Zuströmventils 62 angeordnet sein. Wenn die Maschine als Ottomotor mit Direkten- spritzung ausgebildet ist, ist wenigstens ein Kraftstoffeinspritzventil im Zylinderkopf angeordnet und spritzt Kraftstoff direkt in die Arbeitskammer 6 ein. Das gleiche gilt, wenn die Maschine als direkteinspritzender Dieselmotor ausgebildet ist, wobei dann die Zündkerze fehlt und durch eine Glühkerze ersetzt sein kann.

Während des Arbeitstaktes bewegt sich der Kolben 4 unter Arbeitsleistung nach unten, wobei die in der Frischladungskammer 50 befindliche Luft bei nunmehr wieder ge- schlossenem Zuströmventil 62 komprimiert wird.

Kurz vor Ende des Arbeitstaktes öffnet das Auslassventil 11, so dass die verbrannte Ladung ausströmt. Sobald der Kolben 4 die oberen Durchströmöffnungen 56 wieder-

um überfahren hat, kann die komprimierte Frischluft aus der Frischladungskammer 50 in die Arbeitskammer 6 entweichen und das Ausstoßen der verbrannten Ladung unter gleichzeitiger Sauerstoffanreicherung unterstützen, wobei die Sauerstoffanreicherung eine nachfolgende Abgasnachbehandlung günstig beeinflussen kann. Wenn der Kolben im Ausstoßtakt seinen oberen Totpunkt erreicht hat, schließt das Auslassventil 11 und das Einlassventil 10 öffnet, so dass die beschriebenen Takte erneut ablaufen.

Die beschriebene Funktion bezog sich auf die unter Vollast laufende, das heißt mit höchstem Drehmoment und höchster Füllung betriebene Brennkraftmaschine. Bei Teillastbetrieb ist keine zusätzliche Füllung der Arbeitskammer 6 am Ende eines An- saughubs von der Frischladungskammer 50 her erforderlich, so dass bereits während des Ausstoßtaktes das Zuströmventil 62 vorzeitig geschlossen werden kann, so dass weniger Frischluft in die Frischladungskammer 50 eingesaugt wird, oder aber das Zuströmventil 62 auch beim Ansaugtakt geöffnet bleibt, so dass in der Frischladungs- kammer 50 befindliche Luft durch die Einlaßöffnung 58 wieder ausströmt.

Auch am Ende des Arbeitstaktes kann es nicht zwingend erforderlich oder sogar vor- teilhaft sein, dass aus der Frischluftkammer 50 keine Frischluft in die verbrannte La- dung überströmt, da die Ladung dadurch abgekühlt wird, was unter bestimmten Be- triebsbedingungen für ihre Nachbehandlung nachteilig sein kann. In diesem Fall wird das Zuströmventil 62 derart betätigt, daß während des Verdichtungsschubs keine oder nur wenig Frischluft in die Frischladungskammer 50 eingesaugt wird oder aber das Zuströmventil 62 während des Arbeitstaktes offen bleibt, so dass keine Frischluft verdichtet wird, sondern die Frischluft zurück in den Einlaßkanal 60 strömt.

Es versteht sich, daß das Zuströmventil 62 für eine optimale Anpassung des Betriebs der"integrierten"Aufladung mittels der Frischladungskammer 50 vorteilhaft frei steuerbar ist, indem es beispielsweise als Magnetventil ausgebildet ist, das von einem entsprechenden Steuergerät rasch geöffnet und geschlossen werden kann.

Durch zweckentsprechende Steuerung des Zuströmventils 62 kann der Motor derart betrieben werden, dass beim Überfahren der oberen Durchlaßöffnungen 56 durch den Kolben 4 Abgas aus der Arbeitskammer 6 in den Ringraum 52 bzw. die Frischla- dungskammer 50 gedrückt wird und, bevor der Kolben 4 die Durchlaßöffnungen 56 bei seiner Aufwärtsbewegung wiederum überstreicht, zumindest teilweise in die Ar- beitskammer 6 zurückströmt, so dass die Abgasmenge, die in der Arbeitskammer 6 verbleibt, durch die Steuerung des Zuströmventils 62 beeinflußbar ist.

Durch die freie Steuerbarkeit des Zuströmventils 62 kann die Menge der der Arbeits- kammer 6 durch das Zuströmventil 62 hindurch zugeführten Luft derart gesteuert werden, dass das Luft/Kraftstoffverhältnis in der Arbeitskammer einem vorbestimm- ten Verhältnis, beispielsweise dem stöchiometrischen Verhältnis entspricht. Die dafür erforderliche Regelungstechnik, bei der beispielsweise die Abgaszusammensetzung mit einem Z-Sensor gemessen wird, ist an sich bekannt und wird daher nicht erläutert. Im Gegensatz zu der bekannten Technik wird bei Nutzung des Zuströmventils 62 von der Regelungseinrichtung dessen Funktion und nicht die Funktion eines Kraftstoffein- spritzventils beeinflusst.

Der beschriebene Motor hat zahlreiche weitere Vorteile : In Folge der Trennung des Kurbelraums von der Arbeitskammer 6 durch die Trennwand 48 und die an diese anschließende Frischladungskammer 50 bleiben der Kurbelraum und die in ihm angeordneten Bauteile weitgehend kalt. Dadurch ist es möglich, die Teile des Kurbeltriebs aus nicht warmfesten Leichtbauwerkstoffen oder auch aus Kunststoff, beispielsweise in Form einfacherer Spritzteile, herzustellen, wodurch Gewicht und Kosten gespart werden können.

Des weiteren ist es durch die niederen Temperaturen im Kurbelraum möglich, einfache, umweltverträgliche Schmiermittel, beispielsweise wässrige Dispersionen, zu verwenden oder durch entsprechende Werkstoffpaarungen schmiermittellos zu arbeiten oder selbstschmierende Rollenlager oder andere Lager zu verwenden.

Infolge der niederen Temperaturen kann eine Lichtmaschine und/oder ein Anlasser unmittelbar in den Kurbeltrieb integriert werden, was Bauraum und Bauteile spart.

Ein weiterer Vorteil des geschilderten Motors, bei dem der Kolben linear geführt ist und nicht verkippen kann, liegt darin, dass außerordentlich einfache, im wesentlichen hemdlose Kolbenkonstruktionen möglich sind.

Die beschriebene Brennkraftmaschine kann in vielfältiger Weise abgeändert werden.

Beispielsweise können die Durchlaßöffnungen 56 und 58 durch die in der Innenwand des Zylinders ausgebildete Nuten ersetzt sein, die vom Kolben 4 in dessen unterem Totpunkt überfahren werden und die Frischladungskammer dann mit der Arbeitskam- mer 6 verbinden. In diesem Fall kann der Ringraum entfallen und die Frischladungs- kammer 50 kann durch die Trennwand 48 hindurch mit dem Einlaßkanal 60 verbun- den sein.

Die Verbindung zwischen den Pleueln und dem Schaft 14 bzw. dem Tragteil 20 muss nicht zwingend auf der vom Kolben abgewandten Seite der Kurbelwellen 16 und 18 erfolgen, wobei dann allerdings der Vorteil der Nur-Zug-Beanspruchung der Pleuel entfällt. Des weiteren ist es nicht zwingend, dass der Kurbeltrieb als Doppelkurbel- trieb ausgebildet sein kann ; es kann auch lediglich eine Kurbelwelle vorgesehen sein, die mit einem linear durch die Trennwand 48 hindurch geführten Kraft des Kolbens 4 in geeigneter Weise zusammenwirkt.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel ist ein Einzylinder-Motor, der aufgrund des Doppelkurbelbetriebes mit guten Massen-und Momentenausgleich läuft. Es versteht sich, dass die Erfindung auch auf Mehrzylindermotoren anwendbar ist, die beispiels- weise über mit mehreren Zylindern zusammenarbeitende Doppelkurbelbetriebe verfü- gen.

Das Durchströmventil 62, das im einfachsten Fall, bei fehlender Ansteuerbarkeit der Funktion der Frischladungskammer 50, als einfaches Rückschlagventil ausgebildet sein kann oder für möglichst flexiblen Betrieb eigenständig steuerbar ist, kann in einer abgeänderten Ausführungsform der Brennkraftmaschine auch als ein vom Kurbelbe- trieb her angetriebenes Ventil ausgebildet sein.

In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Maschine kann der Raum zwischen dem Tragteil 20 und dem Zylinderansatz 22 bei entsprechender Ausbildung des Tragteils 20 als weiterer Kompressionsraum genutzt werden, der über ein Einlassventil mit der Umgebung verbunden ist und über einen Kanal, in dem ein Steuerventil arbeitet, mit der Arbeitskammer 6 verbunden ist, so dass dieser Raum als zusätzlicher Vorver- dichtungsraum nutzbar ist, von dem aus die Arbeitskammer 6 mit zusätzlicher Ladung beschickbar ist. Es versteht sich, dass diese weitere Kammer nur bei entsprechendem Leistungs-bzw. Drehmomentbedarf der Maschine für die Aufladung benutzt wird.

In Weiterbildung der geschilderten Maschine kann das in dem Zylinderansatz 22 arbeitende Tragteil 20 zur Ausbildung einer Lichtmaschine als Lineargenerator verwendet werden. Des weiteren kann das Tragteil 20 oder ein mit ihm verbundenes Bauteil den Kolben einer Ölpumpe bilden, über die durch den Schaft 14 hindurch der Kolben 4 gekühlt wird, und so weiter.

Bezugszeichenliste 1 Stirnwand 2 Zylinder 4 Kolben 6 Arbeitskammer 8 Kopf 10 Einlassventil 11 Auslassventil 12 Einlaßkammer 13 Auslaßkammer 14 Schaft 16 Kurbelwelle 18 Kurbelwelle 22 Zylinderansatz 24 Motorgehäuse 30 Scheibe 32 Scheibe 34 Scheibe 36 Scheibe 38 Welle 40 Welle 401 Wellenstummel 402 Wellenstummel 42 Außenverzahnung 44 Außenverzahnung 46 Pleuelzapfen 46t Pleuelzapfen 462 Pleuelzapfen

48 Trennwand 50 Frischladungskammer 52 Ringraum 54 untere Durchlaßöffnung 56 obere Durchlaßöffnung 58 Einlaßöffnung 60 Einlaßkanal 62 Zuströmventil 64 Buchse