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Die
Aufgaben, die neben anderen Aufgaben in Verbrennungs-4-Takt-Kolbenmotoren
mit offenem Prozess und innerer Verbrennung eine wichtige Rolle spielen,
sind die Aufgabe der Zylinderfüllung
mit einer Frischladung optimaler Temperatur und Dichte sowie die
Aufgabe der optimalen Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs im
Zylinder bei gegebenen Motor-Last-Zuständen. Diese Aufgaben stehen
in direkter Verbindung zur Leistung eines Motors, seinem Kraftstoffverbrauch
und der Abgasemission. Es ist bekannt, dass Luft in den Motor angesaugt
oder aufgeladen werden kann. „Die
Leistung eines Motors ist proportional dem Luftdurchsatz. Da dieser
proportional der Luftdichte ist, kann die Leistung eines bezüglich Hubvolumen
und Drehzahl vorgegebenen Motors durch Vorverdichten der Luft vor
Eintritt in den Zylinder, d.h. durch Aufladen, erhöht werden.
Der Aufladegrad gibt die Dichtesteigerung im Vergleich zum Saugmotor
an. Er hängt
vom verwendeten Aufladesystem ab (realisierbares Druckverhältnis) und ist
bei gegebener Druckerhöhung
am größten, wenn die
Temperatur der verdichteten Luft (Ladeluft) nicht erhöht bzw.
durch die Ladeluftkühlung
auf ihre Ausgangstemperatur rückgekühlt wird.
Der Aufladegrad wird beim Ottomotor durch klopfende Verbrennung, beim
Dieselmotor durch die maximal zulässigen Spitzendrücke begrenzt." (Robert Bosch GmbH,
Stuttgart. (1995). Kraftfahr Technisches Taschenbuch [KTT]. Augsburg:
Weltbild – S.
378).
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Motoren
ohne Luftaufladung (Saugmotoren ohne Vorverdichtung) für PKW und
LKW werden derzeit weniger gebaut. Die neuen Motorengenerationen haben
entweder eine dynamische oder eine mechanische Aufladung.
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Das
Prinzip der dynamischen Aufladung ist die Umwandlung der Saugarbeit
des Kolbens in kinetische Energie der Gassäule im Einlasskanal vor dem Einlassventil
und diese in Verdichtungsarbeit der Frischladung.
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Bei
der mechanischen Aufladung durch Aufladegeräte handelt es sich um eine ähnliche
Aufgabe, nämlich
eine entsprechend dichte Frischladung, die unter einem kleinen Überdruck
steht, in den Einlasskanal vor dem Einlassventil zu bringen.
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In
allen Aufladesystemen und auch in normalen Saugsystemen wird die
Frischladung im Einlasskanal vorbereitet und während des Ansaugtaktes nach
dem Öffnen
des Einlassventils durch die Kolben zum Zylinder angesaugt. Dennoch
ist der richtige Verlauf der 35 Zylinderfüllung durch den Platzmangel im
Zylinderkopf und weitere damit in Verbindung stehende Probleme erschwert.
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Wie
bekannt (Bosch GmbH, KTT S. 395 – 396) gehört das Oberteil des Brennraums
zum Zylinderkopf und schließt
das Zylinderrohr nach oben hin ab (Das Unterteil des Brennraums
ist die Kolbenoberseite). Im Zylinderkopf befinden sich Gaswechselorgane
(meistens mit Steuerung), Ein- und Auslasskanäle, Kerze (Zünd- bzw.
Glühkerze)
und eventuell Einspritzventile. Die Bohrungen für Ein- und Auslassventile,
Kerze und Einspritzventile haben ihre Öffnungen im Oberteil vom Brennraum.
Bei gegebenem Zylinderdurchmesser ist eine Platzierung von entsprechend
großen
Ventildurchmessern nicht möglich.
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Der
Platzmangel im Zylinderkopf begrenzt auch den Verlauf und die Größe (Querschnitt)
der Ein- und Auslasskanäle.
Daher ist der Einlasskanal im Zylinderkopf nicht ausreichend groß (Querschnitt). Das
Volumen des Einlasskanals ist mehrfach kleiner als das Volumen des
Zylinders. Während
des Ansaugtaktes sinkt der Druck der Frischladung im Einlasskanal
deutlich ab. Noch mehr sinkt der Druck im Zylinder, weil die Strömung der
Frischladung durch das im Weg stehende Einlassventil gedrosselt
wird. Als Konsequenz bleibt nach der Schließung des Einlassventils eine – im Vergleich
zur Dichte im Saugrohr – deutlich
verdünnte
Frischladung im Zylinder.
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Wegen
fehlendem Platz für
die Kanäle
im Zylinderkopf treten auch Behinderungen während des Ausschubtaktes auf.
Wie vom 4-Takt-Verfahren bekannt (Bosch GmbH, KTT, S. 374) öffnet sich
kurz vor dem unteren Totpunkt das Auslassventil und bei überkritischen
Druckverhältnissen
verlassen während
dieses Vorauslassens ca. 50% der Brenngase den Brennraum. Der sich
nach oben bewegende Kolben sorgt während des Ausschubtaktes für eine nahezu
vollständige
Entfernung der Brenngase aus dem Zylinder (Hauptbrennraum). Aber
die komplette Entfernung kann nicht realisiert werden. Im Zylinder verbleiben
noch viele Abgase, die durch den engen Spalt zwischen Auslassventil
und Sitz nicht so schnell entweichen können. Während der Weiterbewegung des
Kolbens nach oben kommt es zur Restabgasverdichtung. Das Restabgas
steht unter Druck und „wenn
sich kurz vor dem oberen Totpunkt des Kolbens das Einlassventil öffnet (bei
noch geöffnetem
Auslassventil) strömen
die Abgase direkt vom Brennraum in den Einlasskanal oder vom Auslasskanal
zurück
in den Brennraum und dann in den Einlasskanal. Diese „innere" Abgasrückführung findet vor
allem bei Teillast und während
des Leerlaufs statt und wirkt sich ungünstig aus." (Bosch GmbH, KTT, S. 375). Dieser Effekt
hat infolge eines hohen Saugrohr-Unterdrucks einen besonders negativen
Einfluss bei drosselgesteuerten Ottomotoren.
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Bei
Motoren mit mechanischer Aufladung ist der Druck im Saugrohr und
im Einlasskanal größer als
in Saugrohren drosselgesteuerter Motoren, wo dieser Effekt mit Abgasrückführung ebenfalls,
aber mit geringerer Auswirkung, auftritt.
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Dass
die Luftdichte temperaturabhängig
ist, hat wesentlichen Einfluss auf Motorleistung (Drehmoment), Kraftstoffverbrauch
und Abgasemission. Je dichter und kälter (bis zu einem entsprechenden Wert)
die Frischladung zum Zylinder angesaugt oder aufgeladen wird, desto
größer ist
die Motorleistung (Bosch GmbH, KTT, S. 402).
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Bei
herkömmlichen
Motoren wärmt
sich die Frischladung bei der Strömung durch die engen Einlasskanäle in den
heißen
Zylinderkopf vor. Zu einer deutlichen Erwärmung kommt es am Übergang
zum Einlasskanalhals, wo das Einlassventil eingebaut ist. Der Einlasskanalhals
und das Einlassventil sind die wärmste
Stelle im Einlasskanal. Während
dieses Übergangs
durch den Einlasskanalhals findet außer der Erwärmung der Frischladung eine
bedeutende Abkühlung
des Einlassventils und des Oberbrennraumbereiches statt. Die Abkühlung der
Oberbrennraumwand hat einen negativen Einfluss auf die Verdampfung
des Kraftstoffs, welche am Anfang des Verbrennungsprozesses stattfindet.
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Mit
der Erwärmung
der Frischladung sinkt ihre Dichte, was die Motorleistung verringert.
Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird bei abnehmender Luftdichte fetter
(Bosch GmbH, KTT, S. 402).
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Eine
weitere Ursache für
die Erwärmung
der Luft ist die mechanische Aufladung im Aufladegerät aufgrund
von Luftverdichtung. Die Faktoren, die eine Verdünnung der Frischladung während des
Ansaugtaktes und eine Erwärmung
derselbigen verursachen, verringern die Motorleistung und führen in
Folge zu größerem Kraftstoffverbrauch
und vermehrten Abgasemissionen.
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Der
Verlauf des Verbrennungsprozesses im Brennraum von Motoren mit homogenem
Luft-Kraftstoff-Gemisch ist abhängig
von der Temperatur der Ansaugluft, der Temperatur der Brennraumwand
und der Verschmutzung der Frischladung durch die Abgasreste.
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Zur
Herstellung eines brennfähigen,
homogenen Luft-Kraftstoff-Gemischs muss aller Kraftstoff vor der
Zündeinleitung
verdampft sein (Bosch GmbH, KTT, S. 364) Ist die Lufttemperatur
zu niedrig – wegen
zu kalter angesaugter Luft oder zu kalten Brennraumwänden – erfolgt
die Verdampfung und in Folge die Verbrennung nicht vollständig. Bei
dieser unvollständigen
Verbrennung sinkt die Motorleistung drastisch ab, während Kraftstoffverbrauch
und Abgasemissionen anwachsen.
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Zu
einer weiteren Behinderung im Verbrennungsprozess bei mit homogenem
Luft-Kraftstoff-Gemisch
betriebenen Motoren kann es kommen, wenn das Gemisch im Brennraum
Werte (Parameter) erreicht, die klopfende Verbrennung verursachen. „Von klopfender
Verbrennung spricht man, wenn Flammgeschwindigkeiten im Bereich
der Schallgeschwindigkeit auftreten. Dies kann vor allem gegen Ende
der Verbrennung auftreten, wenn das Endgas bereits hoch verdichtet
ist und hohe Temperaturen aufweist." (Bosch GmbH, KTT, S. 366). Obwohl noch
nicht von der Flammenfront erfasst, entzündet sich das Endgas aufgrund
der Energiezufuhr durch die Schallwelle und verbrennt mit sehr großer Brenngeschwindigkeit
(explodiert), was eine Druckwelle mit hoher Frequenz verursacht
und in Folge zu thermischen und mechanischen Schäden von Bauteilen (Kolben,
Dichtung, Lager) führt.
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Die
Ursachen, die neben anderen diese Verbrennungsart fördern, sind
der zu große
Abstand von der Zündquelle
bis zum Endgas sowie die zu hohe Temperatur des Endgases, die heißen Teilen
des Brennraumes entnommen ist. Die heißen Teile sind meist die Auslassventile,
die von der Zündquelle
entfernt sind.
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Auch
bei mit heterogenen Luft-Kraftstoff-Gemischen betriebenen Motoren
kommt es zu nicht normaler Verbrennung mit schädlichen Folgen. Nach Verbrennungsbeginn
(Bosch GmbH, KTT, S. 372) verbrennt jener Anteil des Kraftstoffes
sehr rasch, der während
des Zündverzuges
verdampft und mit Luft vermischt ist. Wenn dieser Anteil sehr hoch
ist, kann eine „harte" Verbrennung mit
negativen Auswirkungen die Folge sein. Je kürzer der Zündverzug, desto weniger Kraftstoff
kann vor Verbrennungsbeginn ausdampfen, was die Bildung von großen Luft-Kraftstoff-Dämpfen verringert.
Ursache für
den langen Zündverzug
ist die plötzliche
Temperatursenkung während
der Einspritzung, weil der unter großem Druck eingespritzte und
zerstäubte
Kraftstoff Wärme zur
Ausdampfung benötigt.
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Die
ersten eingespritzten Kraftstofftropfen fliegen durch die Luft und
dampfen aus. Während
des Fluges entnehmen sie der heißen Luft Wärme zum Ausdampfen und verwenden
Sauerstoff zum Verbrennen. Die hinten fliegenden Tropfen haben schon weniger
Wärme und
Sauerstoff zur Verfügung
und fliegen entweder weiter, um Wärme und Sauerstoff zu bekommen
oder erreichen die Brennraumwand und dampfen dann aus. In Folge
sinken die Lufttemperatur und die Sauerstoffmenge in der gesamten Einspritzzone
so stark, dass ohne Zufuhr von Wärme und
Sauerstoff die Selbstzündung
deutlich behindert ist. Diese plötzliche
Senkung von Temperatur und Sauerstoffgehalt fördert die Bildung von Kraftstoffdämpfen, welche
die „harte" Verbrennung verursachen.
Wenn sich in nächster
Umgebung keine Wärmequelle
befindet und die Wärme
durch die Luft von entfernten Zonen des Brennraums herbei transportiert
werden muss, dauern Zündverzug
und Verbrennung länger
und haben nicht den normalen Verlauf (schleppende Verbrennung).
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Den
in den Patentansprüchen
1a); 1b) angegebenen Erfindungen liegen die Probleme zugrunde, einen
Brennraum zu schaffen, der optimale Bedingungen für eine vollständige, maximal
effektive, „saubere" Kraftstoffverbrennung
während
des Verbrennungstaktes unabhängig
von den Motor-Last-Zuständen
und der Drehzahl des Motors ermöglicht
und gleichzeitig ungünstige
Effekte wie klopfende Verbrennung (bei mit homogenem Gemisch betriebenen Motoren)
und „harte" Verbrennung (bei
mit heterogenem Gemisch betriebenen Motoren) zu vermeiden.
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Den
in den Patentansprüchen
2c); 2d); 2e) angegebenen Erfindungen liegen die Probleme zugrunde,
Konstruktionen für
Motorteile zu schaffen, die den Platzmangel im Zylinderkopf beseitigen,
der eine zu große
Erwärmung
der Frischladung bei der Strömung
zum Zylinder durch den Einlasskanal während des Ansaugtaktes bewirkt,
welche eine bedeutende Senkung der Frischladungsdichte verursacht, und
die es ermöglichen,
ungünstige
Effekte wie die Restabgasverdichtung und Abgasrückführung beim Ausschubtakt zu
vermeiden oder deutlich zu begrenzen.
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Die
erstgenannten Probleme werden mit den in den Schutzansprüchen 1a);
1b) aufgeführten Merkmalen
gelöst:
- a) dass die Brennkammer aus zwei Mulden besteht,
von denen sich die größere Mulde
(Zylinderbodenmulde) mit Außenbund
in der Mitte des Zylinderbodens zwischen zwei Kolbenstangen und
zwischen ausschließlich
Auslassventilen befindet, in der Zylinderbodenmulde sind eine Einspritzdüse und eine
Kerze (abhängig
von Motorart Glüh-
oder Zündkerze)
angeschlossen, die Trennungsfläche
des Außenbundes
befindet sich über dem
Zylinderboden; die zweite kleinere Mulde (Kolbenmulde) mit Innenbund
befindet sich in der Mitte des Kolbenbodens zwischen zwei Kolbenstangen
und zwischen ausschließlich
Einlassventilen, die Trennungsfläche
des Innenbundes liegt unter dem Kolbenboden,
- b) dass die beiden Mulden zusammen eine geschlossene Brennkammer
bilden, wenn der Innenbund der Kolbenmulde in Berührung mit
dem Außenbund
der Zylinderbodenmulde kommt und dass die von beiden Mulden gebildete
Brennkammer ein größeres Verdichtungsverhältnis hat, wenn
der Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht, als das Verdichtungsverhältnis der
verdichteten Frischladung im Zylinder außerhalb der geschlossenen Brennkammer.
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Die
weiter genannten Probleme werden mit den in den Schutzansprüchen 2c);
2d); 2e) aufgeführten
Merkmalen gelöst:
- c) dass die Einlassventile in den Kolben eingebaut sind
und im geöffneten
Zustand während
des Ansaugtaktes die Füllung
des Zylinders mit Frischladung ermöglichen, die aus dem Zylinderoberraum zum
Zylinderhauptbrennraum durch den Kolben übergepumpt wird,
- d) dass die Einlassventile zum Teil durch die Wirkung der bei
der Kolbenwende in der Nähe
des unteren Totpunktes am Ende des Ausschubtaktes und in der Nähe des oberen
Totpunktes am Ende des Ansaugtaktes entstehenden Trägheitskraft geöffnet bzw.
geschlossen werden,
- e) dass in Zylinderboden und nächster seitlicher Umgebung
als Hauptgaswechselorgane nur Auslassventile eingebaut sind.
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Mit
den in den Patentansprüchen
1a; 1b angegebenen Erfindungen wird eine optimale Luft-Kraftstoff-Gemisch-Verbrennung
erreicht, die in aus zwei Mulden gebildeten Brennkammern und anschließend im
gesamten Hauptbrennraum stattfindet. Gleichzeitig wird bei Teillastbetrieb
der Druck und die Wärme
der während
der Verbrennung in der geschlossenen Brennkammer entstehenden Abgase sehr
gut ausgenutzt. Die Abgase übergeben
Druck und Wärme
für den
Luftüberschuss
im Zylinder nach Trennung der Brennkammer, dieser wird in zusätzliche
Arbeit umgewandelt. Die Abgase kühlen
am Ende des Verbrennungstaktes stärker ab als bei herkömmlichen
Motoren und sind „sauberer" aufgrund von Nachreaktionen,
die unmittelbar nach der Brennkammertrennung (Muldentrennung) im
Kontakt mit zusätzlicher
Luft im Zylinder stattfinden.
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Bei
Volllastbetrieb bewirkt die zweistufige Verbrennung zuerst in der
Brennkammer und danach auch im Hauptbrennraum eine sehr gute Druckverteilung
auf den Kolben und in Folge einen sehr gleichmäßigen Drehmomentzuwachs, was
den Motor elastisch und belastungsstark macht.
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Mit
den in den Patentansprüchen
2c); 2d); 2e) angegebenen Erfindungen wird erreicht, dass entsprechend
kalte und dichte Luft während
des Ansaugtaktes fast unabhängig
von den Motorlastzuständen
ungedrosselt zum Hauptbrennraum im Zylinder aufgeladen wird. Zusätzlich weist
diese Ladung im Zylinder eine Schichtladungsstruktur mit Turbulenzen
im Schichtenbereich auf, d.h. unten bei der Zylinderbodenmulde und
den Auslassventilen liegen die wärmsten
Schichten und nach oben hin immer kältere. Die Schichtladung ermöglicht vollständige, sparsame
und „saubere" Verbrennung bei
allen Motorlastzuständen
und verhindert gleichzeitig „klopfende Verbrennung" bei mit homogenem
Luft-Kraftstoff-Gemisch betriebenen Motoren und begrenzt die „harte Verbrennung" bei mit heterogenem
Luft-Kraftstoff-Gemisch betriebenen Motoren. Mit einer sehr guten
Zylinderfüllung
wird ein höheres
Drehmoment des Motors im gesamten Drehzahlbereich und damit eine
hohe Leistung erreicht. Das Drehmoment ist nur von der eingespritzten
Kraftstoffmenge abhängig. Auch
die Abgase werden beim Ausschubtakt fast vollständig aus dem Zylinder ohne
Restabgasverdichtung und Abgasrückführungseffekt
entfernt. Die mechanischen Reibeverluste und die Verluste aufgrund
von Gaswiderstand beim Ansaugtakt und beim Ausschubtakt sind deutlich
geringer als in herkömmlichen
Motoren.
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Mit
der im Patentanspruch 3f) angegebenen Erfindung wird eine ausreichend
dynamische Luftaufladung bei niedriger Motordrehzahl erreicht. Bei
jeder Umdrehung der Kurbelwelle um 360° wird Luft aus dem Saugrohr
in den Zylinderoberraum angesaugt. Die zusätzliche Luftansaugung während des Verdichtungstaktes
bewirkt, dass die Luftströmung im
Saugrohr eine ca. doppelt so hohe Geschwindigkeit erreicht wie die
Geschwindigkeit in Saugrohren bei gleicher Motordrehzahl in herkömmlichen
Motoren. Bei höheren
Motordrehzahlen wird eine große dynamische
Aufladung mit entsprechendem Druck ohne zusätzliche Aufladegeräte und mit
minimalen Motorleistungsverlusten erreicht, weil die Drosselverluste
während
der Durchströmung über die
großen Querschnitte
in Saugrohr, Lufteinlasskanälen
und Einlassventilen trotz hoher Luftgeschwindigkeit gering sind.
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Zusätzliche
Vorteile dieser Erfindung: Die Luft aus dem Zylinderoberraum, die
während
des Verdichtungstaktes angesaugt wurde, wird während des Verbrennungstaktes
zum Saugrohr über
das Umlaufrohr übergepumpt
und verstärkt
dort die Luftaufladung. Ein Teil der Luft aus dem Zylinderoberraum
kann zum Abgasrohr übergepumpt
werden, so dass der Katalysator abkühlen kann. Die Größe des Luftanteils,
der zum Abgasrohr übergepumpt wird,
ist abhängig
von der Lufttemperatur und wird im Umlaufrohr durch ein Thermostat
gesteuert.
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Ein
weiterer Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass der Zylinder
als vollständig
separates Teil und aus anderen Baustoffen als denen, die bis jetzt
in Verwendung sind, z.B. aus Keramik, gefertigt werden kann.
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Diese
vorteilhafte Ausgestaltung betrifft genauso die beiden Brennmulden,
die als Einsätze
(s. 12) eingebaut werden können und auch aus anderen Stoffen
als der Kolben oder das Kurbelgehäuse gefertigt werden können.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden
näher beschrieben.
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Es
zeigen
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1:
Verkleinerung – Querschnitt
A-A (s. 4) durch den Motor – Schnittverlauf
durch die Zylindermitte (Ansaugtakt)
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2:
Verkleinerung – Querschnitt
B-B (s. 4) durch den Motor – Schnittverlauf
durch Einlassventile und Einlasskanäle im Kolben, Auslassventile,
Auslasskanäle
und durch eine von zwei Kolbenstangen mit Dichtungsbuchsenpaket
und Führungsleisten
(Ende des Verbrennungstaktes)
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3:
Verkleinerung – Querschnitt
C-C (entsprechend A-A) durch den Motor – Schnittverlauf durch die
Zylindermitte (Verdichtungstakt)
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4:
Teilschnitt D-D (s. 1) – Ansicht auf den Zylinderboden
mit Zylinderbodenmulde und Auslassventilen; Querschnitt durch den
Zylinder und die Kolbenstangen
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5:
Teilschnitt E-E (s. 1) – Ansicht von oben auf: Kolben,
Kolbenstangen, Einlassventile und Einlassventilhalter
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6:
Teilschnitt F-F (s. 5) – Schnittverlauf durch Einlassventile
mit Führung,
Einlasskanäle im
Kolben, Einlassventilhalter, pneumatische Dämpfer, Auslassventile, Auslasskanäle und geschlossene Brennkammer
(Mulden) in Angrenzung an den Einlass-, Auslassventilbereich
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7:
Teilschnitt H-H (Querschnitt durch den Motor) – Schnittverlauf durch Zylindermitte,
Kolben mit pneumatischem Dämpfer
und Kolbenmulde, Zylinderboden, Zylinderbodenmulde mit Einspritzdüse und Zündkerze
-
8:
Teilschnitt I-I (entsprechend wie H-H 7) – Querschnitt
durch den Motor im Moment der Trennung der beiden Mulden und Verlauf
der Ölkanäle im Kolbenschmiersystem
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9:
Teilschnitt G-G (Längsschnitt
s. 5) – Schnittverlauf
durch: Zylinderhaube, Kolben mit pneumatischem Dämpfer, zwei Kolbenstangen und
Kolbenmulde
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10:
Vergrößerung – Teilschnitt
J-J – Schnitt
durch das Dichtungsbuchsenpaket
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11:
Teilschnitt K-K (s. 2) – Schnitt durch den Kreuzkopf
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12:
Teilschnitt L-L (entsprechend wie H-H 7) – Alternative
Ausführung
mit Mulden als Einsätze
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In
den 1-12 ist ein Ausführungsbeispiel
als mit homogenem Luft-Kraftstoff-Gemisch (z.B. Benzin) betriebenem Motor
mit geteiltem, in der Mitte des Hauptbrennraums liegendem Brennraum, dargestellt,
in den der Kraftstoff direkt eingespritzt wird.
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1 zeigt
das Kurbelgehäuse 1,
in dem die Kurbelwelle 2 mit Lagern und Pleuel 31,
zwei Nockenwellen 3 (für
Auslassventile) mit Lagern, die Einspritzdüse 4, die Zündkerze 5,
zwei Kipphebelachsen 6 und die Dichtung 7 eingebaut
sind.
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Von
unten ist das Kurbelgehäuse
wie bei herkömmlichen
Motoren mit einer Ölwanne 8 geschlossen.
Am oberen Teil des Kurbelgehäuses
befinden sich Anschlussnuten, in denen der Zylinder 9 zentriert
ist. Der Bereich des Kurbelgehäuses,
der durch das Zylinderrohr abgegrenzt ist, dient als Zylinderboden.
In der Mitte des Zylinderbodens befindet sich die Zylinderbodenmulde,
die einen hochstehenden Bund aufweist. In der Zylinderbodenmulde
sind die Einspritzdüse 4 und
die Zündkerze 5 angeschlossen. Unter
dem Zylinderboden befinden sich Kühlungskanäle (Wasserraum), die den gesamten
oberen Bereich des Kurbelgehäuses
kühlen.
An jeder Seite des Kurbelgehäuses
befindet sich ein „Fenster", durch das Zugang
zu den Steuerorganen des Auslassventils möglich ist. Die „Fenster" sind mit Deckeln 11 verschlossen.
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Der
Zylinder 9 ist entweder als einzelnes Rohr mit der Wassermantelkühlung oder
als Zylinderblock von oben am Kurbelgehäuse befestigt.
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Im
Zylinder befindet sich der Kolben 10 mit einem in der Mitte
eingebauten pneumatischen Dämpfer 12,
der mit dem Einlassventilpaket verbunden ist.
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Die
Zylinderhaube 13 schließt das Zylinderrohr 9 von
oben ab und nimmt das große
Lufteinlassventil 14 sowie das große Luftauslassventil 15 mit den
zugehörigen
Federn 47 auf.
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Die
Zylinderhaube 13 und die Kolbenoberseite bilden den Zylinderoberraum.
Die Kolbenunterseite (Kolbenboden) und der Zylinderboden bilden den
Hauptbrennraum. Auf einer Seite der Zylinderhaube befindet sich
die Nockenwelle 16 des großen Lufteinlassventils, auf
der anderen Seite die Nockenwelle 17 des großen Luftauslassventils.
Jede der beiden Nockenwellen ist in ein Gehäuse 18 eingebaut. Die
Gehäuse
sind mit Schmieröl
gefüllt
und am Saugrohrsegment 19 bzw. am Umlaufrohrsegment 20 befestigt.
Die beiden Rohrsegmente sind seitlich an die Zylinderhaube 13 angeschlossen.
Die Nocken steuern die großen
Luftventile über
die flachen Schieber 21, die in beiden großen Luftventilen
in der Ventilmitte eingeschraubt sind. Gleichzeitig werden die großen Luftventile
durch die Schieber geführt
und zentriert. Die Schieber haben an den den Nockenwellen zugewandten
Seiten eingebaute Rollen, die über
die Nocken rollen und die den Druck der Ventilfedern auf die Nocken übertragen.
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Das
Saugrohr 22 ist mit dem Saugrohrsegment 19 verbunden,
das Umlaufrohr 23 ist mit dem Umlaufrohrsegment 20 verbunden.
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2 zeigt
den Einbau des Einlassventils 25 und eines Teils der Einlasskanäle in den
Kolben 10. Im Kurbelgehäuse 1 ist
der Einbau des Auslassventils 26 mit Steuerung und Auslasskanälen, einer
der beiden Kolbenstangen 27 (28) mit Dichtungsbuchse 24,
der Führungsleisten 29 und
des Kreuzkopfbolzens 30 dargestellt. Jede der beiden Kolbenstangen ist
im Kolben befestigt, im Zylinderbodenbereich mit einer Dichtungsbuchse
abgedichtet und über
den Kreuzkopfbolzen und das Pleuel 31 (s. 1)
mit der Kurbelwelle 2 verbunden.
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Der
Kopf jeder Kolbenstange 27; 28 hat zwei seitliche
Schlitten, die die Kolbenstange zwischen den Führungsleisten führen. Die
Schlitten der Kolbenstangenköpfe
und die Führungsleisten übertragen
die Seitenkräfte,
die durch den Gasdruck während
des Verbrennungstaktes im Zylinder und durch die Massenkräfte während der
Bewegung der Triebwerkbauteile entstehen, auf die Tragkonstruktion
des Kurbelgehäuses 1.
Die Auslassventilsitze 32 sind im Zylinderboden vertieft.
Jedes Auslassventil im Kurbelgehäuse
ist durch die Ventilführungshülse 33 geführt und
abgedichtet. Die Auslassventile werden von Nockenwellen 3 durch
die Kipphebel 34 und die Ventilstößelmuttern 35 betätigt und
mit den Ventilfedern 36 zurück zu den Sitzen 32 gezogen.
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Am
Anschluss des Zylinders zum Kurbelgehäuse sind Verbindungen zwischen
der Kühlung
im Zylinderwassermantel und der Kühlung im Kurbelgehäuse dargestellt.
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3 zeigt
den Motor während
des Verdichtungstaktes im Moment der Kraftstoffeinspritzung. Als
Beispiel sind Kraftstoffstrahlen – einer nach oben in Richtung
Kolbenmulde, ein zweiter in Richtung der Zündkerze 5 – mit „Wolken" dargestellt. Gleichzeitig kommt
es zur Luftansaugung aus dem Saugrohr 22 durch den Kolben 10 zum
Zylinderoberraum über
das geöffnete
große
Lufteinlassventil 14. Die Pfeile zeigen den Verlauf der
Luftbewegung.
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In 4 ist
eine Ansicht auf den Zylinderboden dargestellt. Sie zeigt vier Auslassventile 26,
die in der Mitte liegende Zylinderbodenmulde mit der Einspritzdüse 4 und
der Zündkerze 5 sowie
zwei Kolbenstangen – Kolbenstange
mit Bohrung für
die Schmierölzufuhr 27 und
Kolbenstange mit Bohrung für
die Absaugung von gebrauchtem Schmieröl.
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5 zeigt
eine Draufsicht auf Kolben 10, Einlassventilpaket und Kolbenstangen 27; 28.
Der Kolben hat zwei große
Vertiefungen mit je zwei Einlasskanälen, in welche die Einlassventile 25 eingebaut
sind. Die Einlassventile werden von gerundeten Federn des Kolbens
geführt
und sind über
den kreuzförmigen
Ventilhalter 37 mit dem pneumatischen Dämpfer 12 verbunden.
Zu Beginn des Ansaugtaktes öffnen
sich die Einlassventile (s. 7) und die
Luft wird über
die Einlasskanäle
aus dem Zylinderoberraum zum Hauptbrennraum übergepumpt.
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In 6 ist
der Kolben 10 in seiner tiefsten Lage – dem unteren Totpunkt – gezeichnet,
wo der Verdichtungstakt endet und der Verbrennungstakt beginnt.
Die verdichtete Luft im Hauptbrennraum außerhalb der geschlossenen Brennkammer
(Mulden) ist durch dunkle Punkte dargestellt. Inzwischen hält in der
geschlossenen Brennkammer die Luft-Kraftstoff-Gemisch-Verbrennung
an (Punkte und „Wolken"). Die Lage der voll
geöffneten
Einlass- und Auslassventile ist mit einer strichpunktierten Linie
dargestellt. Die 6 zeigt auch den kompletten
Einbau des Einlassventilpakets und der pneumatischen Dämpfer. Die
Einlassventile 25 sind geschlossen. Sie sind von der Unterseite
des Kolbenbodens her eingebaut und mit einem Spiel in den Kolbenfedern
geführt.
Jedes Ventil hat einen Ventilsitz 44, das von unten in
den Kolbenboden eingepresst ist. Oben sind alle Einlassventile mit
dem kreuzförmigen
Ventilhalter 37 verbunden (auch mit Spiel), der wiederum
auf dem pneumatischen Dämpfer 12 befestigt
ist. Der Ventilhalter besteht aus mindestens zwei identischen kreuzförmigen,
flachen Federn, die an der Stoßbuchse 38 zentriert
und mit zwei Muttern daran festgeschraubt sind. Der Bolzen des pneumatischen Dämpfers ist
in die Stoßbuchse
eingeschraubt und wird mit einer Mutter gegen Verlockerung gesichert. Er
wird in zwei Buchsen – obere 39 und
untere 40 – geführt. Die
obere Buchse 39 ist in die Einschraubbuchse 41 eingebaut,
welche wiederum in den Kolben eingeschraubt ist. Die Einschraubbuchse 41 dient
als Deckel für
den Zylinder des pneumatischen Dämpfers
und als Anschlag für
die Stoßbuchse 38. Zwischen
den Buchsen (Stoßbuchse
und Einschraubbuchse) befindet sich eine Tellerfeder 42,
die den Stoß des
Einlassventilpakets, der bei voller Öffnung des Einlassventils entsteht,
verringert. Die Tellerfeder mit Einschraubring 43 ist dort
befestigt (mit Spiel), wo der Einschraubring gleichzeitig die Einschraubbuchse
gegen Verlockerung sichert.
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7 zeigt
den Kolben 10 in seiner tiefsten Lage – im unteren Totpunkt am Ende
des Ausschubtaktes und Anfang des Ansaugtaktes. Die Einlassventile 25 sind
voll geöffnet,
die Stoßbuchse 38 drückt auf
die Tellerfeder 42, der pneumatische Dämpfer 12 hat seine
tiefste Stelle erreicht. Die Auslassventile 26 sind noch
nicht geschlossen, was die Spülung
des Hauptbrennraums ermöglicht – Pfeile zeigen
die Luftbewegung (die Einlass- und Auslasskanäle sind als unsichtbar gezeichnet).
-
8 zeigt
den Verbrennungstakt des Motors (der Kolben bewegt sich nach oben – Pfeil),
wo sich die beiden Mulden teilen und heiße, brennende, unter Druck
stehende Abgase die bis jetzt geschlossene Brennkammer verlassen.
Sie spritzen durch kleine Nuten im Außenbund der Zylinderbodenmulde und
einen Spalt zwischen den Muldenbunden in den Hauptbrennraum, wo
sich verdichtete Luft befindet. In 8 ist zusätzlich der
Verlauf der Kanäle
des Kolbenschmiersystems dargestellt. Ol unter niedrigem Druck wird
durch die Kurbelwelle 2, das Pleuel 31, den Kreuzkopfbolzen 30 und
die Kolbenstange 27 zum Kolben 10 gepumpt und
weiter durch einen Kanal mit kleinem Durchmesser in mindestens vier Punkten
am Kolbenumfang zur Nut des Schmierrings 45 gepumpt. Öl füllt somit
die Nut des Schmierrings und schmiert gleichzeitig bei der Kolbenbewegung die
Innenfläche
des Zylinderrohrs.
-
Der
Kolben hat zwei Ölabstreifringe 46.
Der eine befindet sich oberhalb, der andere unterhalb des Schmierrings 45.
Die Ölabstreifringe
sammeln das gebrauchte Öl
aus der Zylinderinnenrohrfläche
in ihren Nuten. Aus diesen Nuten wird das gebrauchte Öl durch
die Kanäle
(mindestens vier Kanäle
am Kolbenumfang), einen großen
Kanal im Kolben, die Kolbenstange 28, den Kreuzkopfbolzen 30,
das Pleuel 31 und die Kurbelwelle 2 durch die
Absaugpumpe abgesaugt. Kleine Pfeile in den Kanälen zeigen den Öldurchfluss
im Kolben.
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9 zeigt
einen Längsschnitt
durch die Zylinderhaube 13 und den Kolben 10.
In der Zylinderhaube ist das große Luftauslassventil 15 eingebaut, das
durch den Schieber 21 geführt und geöffnet und anschließend durch
zwei Federn 47 zurück
zu seinem Sitz gezwängt
wird.
-
Im
Kolben sind beide Kolbenstangen 27 und 28 befestigt.
Der Kolben befindet sich in seiner höchsten Lage.
-
Das
große
Lufteinlassventil 14 ist identisch gebaut wie das große Luftauslassventil 15 und
liegt spiegelbildlich zur Schnittfläche auf der anderen Seite des
Zylinders.
-
In
der 10 ist das Paket der Dichtungsbuchse 24 dargestellt.
Die Dichtungsbuchsenpakete ermöglichen
die Abdichtung der Kolbenstangen beim Übergang durch den Zylinderboden,
auch dann, wenn sich der Abstand zwischen den beiden Kolbenstangen
aufgrund von Wärmeausdehnung
des Kolbens ändert
(Die Kolbenstangen sitzen fest im Kolben). Das Dichtungsbuchsenpaket
besteht aus der Einschraubbuchse 48, der Dichtungsbuchse 24,
der Einschraubdruckbuchse 49 und dem Tellerfederpaket 50.
Die Einschraubbuchse 48 hat oben eine Bohrung, deren Durchmesser
um ca. den doppelten Wert der Wärmeausdehnung
zwischen den Kolbenstangen größer ist
als der Durchmesser der Kolbenstange. Unterhalb dieser Bohrung,
in der Einschraubbuchse, befindet sich eine kleine hochpolierte
Fläche,
an die die hochpolierte Stirn der Dichtungsbuchse 24 durch
das Tellerfederpaket 50 angedrückt ist. Das Tellerfederpaket
wird durch die Einschraubdruckbuchse 49 gespannt. Weil
der innere Durchmesser der Einschraubbuchse 48 größer ist
als der Durchmesser der Dichtungsbuchse 24, verschiebt sich
bei Verschiebung der Kolbenstange auch die Dichtungsbuchse. Trotz
dieser Verschiebung bleibt die Abdichtung zwischen Hauptbrennraum
und Kurbelraum erhalten. Die Dichtungsbuchse dient auch als Ölabstreifbuchse.
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11 zeigt
einen Schnitt durch den Kreuzkopfbolzen 30, den Pleuelkopf 31,
die Köpfe
mit Schlitten der Kolbenstangen 27; 28 mit den
zugehörigen
Lagern sowie den Verlauf und die Verbindung zwischen den Kanälen für die Ölzufuhr
und Ölabsaugung,
die sich in den oben genannten Teilen befinden. Zusätzlich sind
die Auslassventile 26 mit den Ventilführungshülsen 33, das Kurbelgehäuse 1 und die
Führungsleisten 29 dargestellt.
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12 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
wo die Kolbenmulde 51 und die Zylinderbodenmulde 52 als Einsätze dargestellt
sind. In dieser Ausführung
können
die Muldeneinsätze
aus anderen Baustoffen gefertigt werden als denen, die bis jetzt
in Kolben oder Kurbelgehäuse
Verwendung finden.
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Wirkungsweise
-
Wirkungsweise
des in den 1 – 12 dargestellten
Motors, der mit homogenem Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben wird.
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4-Takt-Verfahren
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Während des
Ausschubtaktes ziehen die zwei Kolbenstangen 27; 28 den
Kolben 10 nach unten und der Kolben schiebt die Abgase
aus dem Hauptbrennraum (zwischen der Kolbenunterseite und dem Zylinderboden)
durch die geöffneten
Auslassventile 26 zu den Auslasskanälen. Die Abgase leisten einen
wesentlich geringeren Widerstand als in herkömmlichen Motoren, weil vier
Auslassventile zusammen einen großen Auslassquerschnitt ergeben und
zudem kurze Abgaswege den Ausschub erleichtern. Gleichzeitig saugt
die Kolbenoberseite während der
Kolbenbewegung nach unten die Luft aus dem Saugrohr 22 durch
das geöffnete
große
Lufteinlassventil 14 zum Zylinderoberraum (zwischen der
Zylinderhaube 13 und der Kolbenoberseite). Das große Luftauslassventil 15 bleibt
geschlossen. Wenn der Kolben in die Nähe des unteren Totpunktes kommt und
seine Geschwindigkeit deutlich verringert, bewegen sich die mit
dem Kolben nicht fest verbundenen Einlassventile 25 zusammen
mit dem pneumatischen Dämpfer 12 aufgrund
von Trägheitswirkung
weiter nach unten. Zu Beginn drosselt der pneumatische Dämpfer die
Bewegung des Einlassventils nach unten so lange, bis der Bund des
Dämpfers
die obere Passbohrung im Dämpferzylinder
verlässt
und sich zu einer breiteren Stelle im Dämpferzylinder hin verschiebt.
Anschließend
kommt es zu einer schnellen Bewegung des Einlassventils nach unten,
bis kurz vor dem unteren Totpunkt des Kolbens der Bund des Dämpfers die
untere Passbohrung im Dämpferzylinder
erreicht und die weitere Bewegungsgeschwindigkeit des Einlassventils
bis zu seiner tiefsten Stelle (wenn die Stoßbuchse 38 die Tellerfeder 42 erreicht) deutlicht
dämpft.
In diesem Moment, wenn der pneumatische Dämpfer seine tiefste Stelle
erreicht, sind die Einlassventile voll geöffnet.
-
Aus
dem Saugrohr 22 strömende
Luft verdichtet sich im Zylinderoberraum aufgrund einer schnellen
Geschwindigkeitsabnahme der Kolbenbewegung (dynamischer Aufladungseffekt).
Ein Teil dieser Luft strömt
weiter durch die bereits geöffneten Einlassventile
zum Hauptbrennraum, spült
diesen Raum von Restabgasen frei und strömt weiter durch die noch geöffneten
Auslassventile zu den Auslasskanälen
(s. 7). Ab diesem Moment endet der Ausschubtakt und
der Ansaugtakt beginnt.
-
Die
Kolbenstangen drücken
gegen den Kolben, woraufhin er anfängt, sich vom unteren Totpunkt aus
nach oben zu bewegen. Die Auslassventile schließen sich. Während der Bewegung des Kolbens nach
oben schließt
sich das große
Lufteinlassventil 14. Trotz voll geöffneter Einlassventile im Kolben
verdichtet sich die Luft im Zylinderoberraum und gleichzeitig sinkt
der Luftdruck unter dem sich nach oben bewegenden Kolben im Hauptbrennraum
ab. Die Luft strömt
vom Zylinderoberraum über
die Einlassventile zum Hauptbrennraum. Der erste Luftanteil (erste Schicht)
verbleibt am Zylinderboden und wärmt
sich von den heißen
Flächen
der Auslassventile und der Muldenwände.
-
Diese
Luft hat Turbulenzen, die bei der Strömung durch die Einlassventile
bei der Kolbenbewegung nach oben verursacht wurden, nach der Trennung
der Brennkammer spült
diese Luft die beiden getrennten Mulden von Restabgasen frei. Die
kleinere Abgasmenge aus der Brennkammer vermischt sich mit der frischen
Luft, die gerade aus den Einlassventilen gekommen ist. Bei sehr
großem
Luftüberschuss
hat die kleine Abgasmenge keinen negativen Einfluss auf den weiteren
Verbrennungsverlauf, sondern wirkt im Gegenteil als Mittel zur Absenkung
der Stickstoffemissionen.
-
Die
weitere Luft, die in den Hauptbrennraum strömt, verbleibt aufgrund eines
Saugeffektes einen kurzen Moment lang unter dem Kolbenboden des sich
nach oben bewegenden Kolbens. Diese Luft weist viel stärkere Turbulenzen
auf, die durch eine größere Kolbengeschwindigkeit
verursacht werden als sie zu Beginn des Ansaugtaktes vorhanden ist. Sie
wird anschließend
durch nachströmende
Luftschichten ersetzt. Gegen Ende des Ansaugtaktes lässt die
Kolbengeschwindigkeit nach und beträgt am oberen Totpunkt null.
Die deutliche Verminderung der Kolbengeschwindigkeit kurz vor dem
oberen Totpunkt bewirkt, dass das nicht fest mit dem Kolben verbundene
Einlassventilpaket sich aufgrund von Trägheitskraft weiter nach oben
bewegt. Zu Beginn wird diese Bewegung durch die Wirkung des pneumatischen
Dämpfers
so lange gedrosselt, bis der Bund des Dämpfers die untere Passbohrung
im Dämpferzylinder
verlässt
und sich zu einer breiteren Stelle im Dämpferzylinder verschiebt. Anschließend kommt
es zu einer schnellen Bewegung des Einlassventilpakets nach oben,
bis der Bund des Dämpfers die
obere Passbohrung im Dämpferzylinder
erreicht und wieder die Bewegung des Einlassventilpakets drosselt
bis die Einlassventile ihre Sitze erreichen. Der pneumatische Dämpfer bewegt
sich aufgrund von Trägheitskraft
weiter nach oben und spannt die kreuzförmigen Ventilhalter 37.
Die Einlassventile sind geschlossen und in diesem Moment endet der
Ansaugtakt und der Verdichtungstakt beginnt.
-
Noch
während
der Einlassventilschließung im
Kolben öffnet
sich das große
Lufteinlassventil 14 in der Zylinderhaube. Die Kolbenstangen
ziehen jetzt den Kolben nach unten. Die Einlassventile und der pneumatische
Dämpfer
stehen aufgrund der Wende der Kolbenbewegung weiter unter Einwirkung
der Trägheitskraft,
die Einlassventile sind an ihre Sitze 44 angedrückt. Der
schnell wachsende Druck im Hauptbrennraum verstärkt diesen Druck auf die Einlassventile.
Der sich nach unten bewegende Kolben verdichtet die Luft im Hauptbrennraum.
Gleichzeitig strömt
Luft aus dem Saugrohr 22 in den Zylinderoberraum, die durch
den sich nach unten bewegenden Kolben angesaugt wird.
-
Motorsteuerung in Teillastbetrieb
-
Wenn
der Kolben ca. ein Viertel des Abstands vom unteren Totpunkt erreicht,
spritzt die Einspritzdüse 4 die
Kraftstoffstrahlen in die beiden Mulden. Der in Richtung Kolbenmulde
abgespritzte Kraftstoffstrahl fliegt in verdichteter Luft, trifft
auf eine Seite der Kolbenmulde (s. 3) und verursacht
auf der geneigten Fläche
der Mulde einen kugelförmigen Drall
aus Luft-Kraftstoff-Gemisch.
-
Der
zweite kleinere Kraftstoffstrahl wird in Richtung Zündkerze 5 mit
Neigung in den Muldenboden abgespritzt. Dieser Kraftstoffstrahl
verursacht ebenfalls einen kugelförmigen Drall aus Luft-Kraftstoff-Gemisch,
der aber eine andere Drehrichtung hat als derjenige in der Kolbenmulde.
Die Kolbenmulde hat eine niedrige Temperatur (wegen längerem Kontakt
mit strömender
Frischluft beim Ansaugtakt) als die Zylinderbodenmulde, die sich
zwischen vier Auslassventilen befindet. Trotz niedriger Temperatur
hat der in die Kolbenmulde eingespritzte Kraftstoff ausreichend
Zeit zu verdampfen aufgrund einer kleinen Kraftstoffmenge, einem
langen Weg zur Mulde und einem intensiven Drall.
-
Der
Kolben bewegt sich weiter nach unten. Der Bund der Kolbenmulde kommt
in Berührung
mit dem Außenbund
der Zylinderbodenmulde und von diesem Moment an bilden die beiden
Mulden eine geschlossene Brennkammer, die die Luft-Kraftstoffdampf-Gemische
aus beiden Mulden abschließt.
Der Kolbenmuldenbund taucht mit sehr geringem Spiel in den Zylinderbodenmuldenbund.
In der geschlossenen Brennkammer wächst das Verdichtungsverhältnis des
Luft-Kraftstoffdampf-Gemisches (wegen Volumenverlusts durch den
eintauchenden Kolbenmuldenbund) schneller als das Verdichtungsverhältnis der
Luft außerhalb
der Brennkammer im Hauptbrennraum.
-
Der
Druckverlust in der Brennkammer ist aufgrund des Spiels zwischen
den beiden Bunden gering.
-
Zu
diesem Zeitpunkt schließt
sich das große Lufteinlassventil 14 und
das große
Luftauslassventil 15 öffnet
sich. Kurz vor dem unteren Totpunkt des Kolbens zündet die
Zündkerze 5 das
Luft-Kraftstoffdampf-Gemisch und nach kurzem Zündverzug kommt es zur Flammenausbreitung
in der gesamten Brennkammer.
-
Bei
weiterer Bewegung nach unten erreicht der Kolben seinen unteren
Totpunkt und die Brennkammer ihr kleinstes Volumen. Ab diesem Moment endet
der Verdichtungstakt und der Verbrennungstakt beginnt.
-
In
der geschlossenen Brennkammer hält
die Verbrennung an und aufgrund von Wärmefreisetzung wächst der
Druck rasch. Wegen günstiger
Platzierung der Zündkerze
im wärmsten
Teil der Brennkammer (der Zylinderbodenmulde), kleinem Volumen der kugelförmigen Brennkammer
und kälteren
Wänden der
gegenüber
liegenden Kolbenmulde (trotz möglichst
großem
Verdichtungsverhältnis)
kommt es nicht zur klopfenden Verbrennung. Der Kolben bewegt sich
jetzt nach oben. Kurz vor Trennung der Brennkammer spritzen darin
enthaltene brennende, heiße
Gase durch einen kleinen Spalt zwischen dein Innenbund der Kolbenmulde
und dem Außenbund der
Zylinderbodenmulde sowie auch durch kleine Vertiefungen im Außenbund
der Zylinderbodenmulde (die sich im Bereich der Bundeinführungsfase
befinden – s. 8),
gezielt nach oben und nach unten in den Hauptbrennraum zu unter
Druck stehender kälterer,
aber dichterer Luft. Die Luft dehnt sich rasch aus. Die Verbrennung
von nicht in der geschlossenen Brennkammer verbrannten Kraftstoffdämpfen und anderen
brennbaren Gasen, z.B. CO, die jetzt an Sauerstoff gelangt sind,
hält an
und Nachreaktionen finden statt. Der Druck im Hauptbrennraum wächst rasch.
-
Jetzt
zieht der Kolben die Kolbenstangen nach oben. Die Zugkraft wird
von den Kolbenstangen auf das Pleuel 31 übertragen,
wo sie in das Drehmoment des Motors umgewandelt wird. Der sich nach oben
bewegende Kolben drängt
die Luft aus dem Zylinderoberraum durch das große Luftauslassventil 15 in
das Umlaufrohr 23 hinaus. Diese hinausgedrängte Luft
gelangt zum Teil ins Saugrohr 22, zum Teil ins Abgasrohr. Die Entscheidung
darüber
hängt ab
von der Lufttemperatur (Regelung mit einem Thermostat) sowie vom
Lastzustand des Motors (Regelung mit einer Steuerungsanlage). Kurz
vor dem oberen Totpunkt des Kolbens schließt sich das große Luftauslassventil 15 und
das große
Lufteinlassventil 14 öffnet
sich.
-
Wenn
der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht, endet der Verbrennungstakt
und der Ausschubtakt beginnt. Ab diesem Moment schließt sich der
Teillastbetrieb im 4-Takt-Verfahren
an.
-
In
Teillastbetrieb wird abhängig
vom Bedarf nach Motorleistung Kraftstoff in entsprechenden Mengen
in die Mulden eingespritzt. Die Einspritzmenge wird so berechnet,
dass in der geschlossenen Brennkammer das homogene Gemisch sich
im Bereich von λ =
0,8 bis λ =
1,2 (abhängig
von der angegebenen Motorlast) befindet, was eine „saubere" Verbrennung in der
Brennkammer ergibt. Der weitere Verlauf der Verbrennung erfolgt
im Moment der Brennkammertrennung, wenn die noch brennenden Gase
zu der verdichteten Luft rund um die Brennkammer in den Hauptbrennraum „eingespritzt" und weitere Nachreaktionen
verursacht werden.
-
Durch
die zweistufige Verbrennungskombination werden äußerst schadstoffarme Abgase
ausgestoßen
und es wird eine optimale Luftausnutzung mit sehr geringen Leistungsverlusten
beim Ladungswechsel (Ein-, Ausströmung) erreicht.
-
Motorsteuerung in Vollastbetrieb
-
Bei
steigender Motorbelastung reicht die Leistung, die die zentral liegende
Brennkammer (zwei geschlossene Mulden) erbringt, trotz Verwendung
eines „fetten" Luft-Kraftstoff-Gemischs
mit einem λ-Wert
von 0,8 nicht aus. In diesem Fall wird in den Zylinder (Hauptbrennraum)
zusätzlich
Kraftstoff eingespritzt.
-
Unmittelbar
nach Trennung der Brennkammer zu Beginn des Ansaugtaktes wird aus
der Einspritzdüse 4 Kraftstoff
in die beiden Mulden gespritzt. In diese Mulden strömt Luft
aus den Einlassventilen, die große Turbulenzen aufweist, und
die die Mulden von Restabgasen frei spült. Gleichzeitig nimmt sie extrem
feine Kraftstofftropfen mit, die in guten thermischen Bedingungen
(warme Muldenwände
und von den Auslassventilen angewärmte Luft) schnell ausdampfen
und ein Luft-Kraftstoffdampf-Gemisch bilden. Dieses Gemisch verbleibt
in den untersten warmen Luftschichten in der Nähe der Zylinderbodenmulde,
weil es durch die aus den Einlassventilen neu ankommenden Luftschichten
zusammengedrückt wird.
Der Kolben bewegt sich weiter nach oben und in die oberen Teile
des Hauptbrennraums gelangt nur reine, kühle und dichte Luft.
-
In
der Nähe
des oberen Totpunktes des Kolbens schließen sich die Einlassventile
und der Verdichtungstakt beginnt. Das gleiche Verfahren wie in Teillastbetrieb
wiederholt sich, nur mit dem Unterschied, dass sich außerhalb
der geschlossenen Brennkammer keine reine Luft wie im Teillastbetrieb, sondern
zwei Gasschichten befinden: eine wärmere aus Luft-Kraftstoffdampf-Gemisch,
die am Zylinderboden verbleibt und eine zweite aus fast reiner Luft, die
am kälteren
Kolbenboden und den Einlassventilen verbleibt und die die erste
Schicht vor Wärmeverlusten
isoliert.
-
Einen
anderen Verlauf als im Teillastbetrieb hat der Verbrennungstakt
nach der Brennkammertrennung. Heiße, brennende Gase spritzen
aus den getrennten Brennkammern (Mulden) und verursachen eine Verbrennung
des Luft-Kraftstoffdampf-Gemisches, das sich im Zylinderbodenbereich
konzentriert. Anschließend
wächst
der Druck im Hauptbrennraum viel stärker an als in Teillastbetrieb
und wird in ein deutlich größeres Drehmoment
des Motors umgewandelt. Wegen großem Luftüberschuss im Hauptbrennraum
verläuft
die Verbrennung optimal, es kommt auch zu Nachreaktionen und zu
einer deutlichen Temperatursenkung der Abgase bereits am Ende des
Verbrennungstaktes. Als Folge werden die Abgase genauso schadstoffarm
aus dem Hauptbrennraum ausgeschoben wie in Teillastbetrieb.
-
In
beiden Fällen – in Teillast-
und in Volllastbetrieb – ist
die Menge der zum Hauptbrennraum übergepumpten Luft fast gleich.
Ein kleine Differenz zwischen den Mengen der zum Hauptbrennraum übergepumpten
Luft kommt zustande durch unterschiedliche Luftgeschwindigkeit im
Saugrohr während
der Ansaugung, weil von dieser Luftgeschwindigkeit die dynamische
Aufladung abhängig
ist.
-
Bei
dieser Motorkonstruktion gibt es keine Drosselorgane als Steuerorgane,
die Luft wird ungedrosselt zum Zylinderoberraum angesaugt und während des
Ansaugtaktes nur in den Hauptbrennraum übergepumpt.
-
Der
Motor wird in verschiedenen Lastzuständen nur durch die Menge des
eingespritzten Kraftstoffs gesteuert. In Teillastbetrieb erfolgt
die Einspritzung nur einmal in die sich schließenden Mulden, in Vollastbetrieb
zweimal (oder mehrmals): das erste Mal zu Beginn des Ansaugtaktes
in die sich trennenden Mulden, das zweite Mal am Ende des Verdichtungstaktes
in die sich schließenden
Mulden.
-
- 1
- Kurbelgehäuse
- 2
- Kurbelwelle
- 3
- Nockenwelle
- 4
- Einspritzdüse
- 5
- Zündkerze
- 6
- Kipphebelachse
- 7
- Dichtung
- 8
- Ölwanne
- 9
- Zylinder
- 10
- Kolben
- 11
- Deckel
- 12
- Pneumatischer
Dämpfer
- 13
- Zylinderhaube
- 14
- Lufteinlassventil
- 15
- Luftauslassventil
- 16
- Nockenwelle
des Lufteinlassventils
- 17
- Nockenwelle
des Luftauslassventils
- 18
- Gehäuse
- 19
- Saugrohrsegment
- 20
- Umlaufrohrsegment
- 21
- Schieber
- 22
- Saugrohr
- 23
- Umlaufrohr
- 24
- Dichtungsbuchse
- 25
- Einlassventil
- 26
- Auslassventil
- 27
- Kolbenstange – Ölzufuhr
- 28
- Kolbenstange – Ölabsaugung
- 29
- Führungsleisten
- 30
- Kreuzkopfbolzen
- 31
- Pleuel
- 32
- Auslassventilsitz
- 33
- Ventilführungshülse
- 34
- Kipphebel
- 35
- Ventilstößelmutter
- 36
- Ventilfeder
- 37
- Ventilhalter
- 38
- Stoßbuchse
- 39
- Buchse – oben
- 40
- Buchse – unten
- 41
- Einschraubbuchse
- 42
- Tellerfeder
- 43
- Einschraubring
- 44
- Ventilsitz
- 45
- Schmierring
- 46
- Ölabstreifringe
- 47
- Feder
- 48
- Einschraubbuchse
- 49
- Einschraubdruckbuchse
- 50
- Tellerfederpaket
- 51
- Kolbenmulde – Einsatz
- 52
- Zylinderbodenmulde – Einsatz