DE102004013461B4 - Verbrennungs-4-Takt-Kolbenmotor mit axialstromigem zyklischem Gaswechsel im Zylinder und zentral liegender geteilter Brennkammer - Google Patents

Abstract

Verbrennungs-4-Takt-Kolbenmotor mit axialstromigem zyklischem Gaswechsel in einem Zylinder (9), zentral liegender geteilter Brennkammer, getrennten, in verschiedenen Teilen des Motors angeordneten Einlass (25)- und Auslassventilen (26) und zweimaliger Frischladungsansaugung aus einem Saugrohr (22) durch einen Kolben (10) zu einem Zylinderoberraum,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass die Brennkammer von zwei Mulden gebildet wird, von denen eine, die Zylinderbodenmulde, mit einem Außenbund in der Mitte eines Zylinderbodens axial zwischen zwei Kolbenstangen (27; 28) und radial innerhalb der Auslassventile (26) angeordnet ist; in der Zylinderbodenmulde eine Einspritzdüse (4) und eine Kerze (5) angeordnet sind, wobei eine Trennungsfläche des Außenbundes oberhalb des Zylinderbodens angeordnet ist; eine Kolbenmulde mit einem Innenbund in der Mitte eines Kolbenbodens axial zwischen zwei Kolbenstangen (27; 28) und radial innerhalb der Einlassventile (25) angeordnet ist, wobei die Trennungsfläche des Innenbundes unterhalb des Kolbenbodens angeordnet ist;
b) dass die beiden Mulden zusammen eine geschlossene Brennkammer bilden, wenn der Innenbund der...

Description

• 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).
• 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.
• 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.
• 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.
• In allen Aufladesystemen und auch in normalen Saugsystemen wird die Frischladung im Einlasskanal vorbereitet und während des Ansaugtaktes nach dem Offnen des Einlassventils durch die Kolben zum Zylinder angesaugt. Dennoch ist der richtige Verlauf der Zylinderfüllung durch den Platzmangel im Zylinderkopf und weitere damit in Verbindung stehende Probleme erschwert.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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).
• 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 im Übergang zum Einlasskanalhals, wo das Einlassventil eingebaut ist. Der Einlasskanalhals und das Einlassventil sind die wärmste Stelle im Einlasskanal. Während dieses Übergangs durch den Einlassventilhals 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 Verbrennungs prozesses stattfindet.
• 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).
• 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.
• 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.
• 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.
• 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 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.
• 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.
• 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.
• 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 fördern 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).
• Aus der DE 197 18 083 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einem axialstromigen zyklischen Gaswechsel im Zylinder mit Membranventilen bekannt, durch welche eine Frischladung in einen Zylinderraum eingesaugt und über Kanäle in einem Kolben in eine Brennkammer geleitet wird.
• Aus der DE 41 34 706 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einem axialstromigen zyklischen Gaswechsel mit Membranventilen bekannt, durch welche eine Frischladung in einen Zylinderraum eingesaugt und über Einlassventile in einem Kolbenboden in eine Brennkammer geleitet wird.
• Der Erfindung liegt sinngemäß die Aufgabe 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.
• Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
• Erfindungsgemäß ermöglicht der 4-Takt-Kolbenmotor eine optimale Luft-Kraftstoff-Gemisch-Verbrennung, die in aus zwei Mulden gebildeten Brennkammern und anschließend im gesamten Hauptbrennraum verläuft. Bei Teillastbetrieb werden der Druck und die Wärme der während der ersten Stufe 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.
• Bei Volllastbetrieb bewirkt die zweistufige Verbrennung zuerst in der Brennkammer wie beim Teillastbetrieb 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.
• Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Durch die Anordnung der Einlassventile im Kolben wird im geöffneten Zustand während eines Ansaugtaktes eine Füllung des Zylinders mit Frischladung ermöglicht, die aus dem Zylinderoberraum zum von dem Kolbenboden und dem Zylinderboden gebildeten Zylinderhauptbrennraum durch den Kolben übergepumpt wird, und dass kalte und dichte Luft fast unabhängig von dem Motorlastzuständen ungedrosselt im Zylinder aufgeladen werden kann.
• Der Effekt, das die Trägheitskraft zum Öffnen bzw. Schließen des Einlassventils bei der Kolbenwende verwendet werden kann, bewirkt, dass während des gesamten Hubs beim Ansaugtakt die Einlassventile voll geöffnet bleiben.
• Die Frischladung im Zylinder weist eine Schichtladungsstruktur mit Turbulenzen im Schichtenbereich auf, d.h. unten bei der Zylinderbodenmulde und den Auslassventilen liegen die wärmsten Schichten und nach oben immer kältere. Die Schichtladung begünstigt eine vollständige, sparsame und „saubere" Verbrennung bei allen Motorlastzuständen und senkt gleichzeitig die Möglichkeit des Auftretens von „klopfender 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. Die Anordnung der Auslassventile im Zylinderboden ermöglicht eine bessere Entfernung der Abgase, weil mehrere Auslassventile zusammen einen größeren Auslassquerschnitt ergeben. 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.
• Die während eines Verdichtungstaktes durch den Kolben in den Zylinderoberraum angesaugte Frischladung wird während eines Verbrennungstaktes durch den Kolben über ein Umlaufrohr in das Saugrohr geleitet, wodurch eine ausreichend dynamische Luftaufladung bei niedriger Motordrehzahl erreicht wird. 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.
• Zusätzliche Vorteile dieser Erfindung: Die Luft im Zylinderoberraum, die während des Verdichtungstaktes angesaugt wurde, wird während des Verbrennungstaktes über das Umlaufrohr zum Saugrohr übergepumpt, kann aber auch zum Abgasrohr geleitet 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.
• 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.
• 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.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
• Es zeigen
• 1: Verkleinerung – Querschnitt A-A (s. 4) durch den Motor – Schnittverlauf durch die Zylindermitte (Ansaugtakt)
• 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)
• 3: Verkleinerung – Querschnitt C-C (entsprechend A-A) durch den Motor – Schnittverlauf durch die Zylindermitte (Verdichtungstakt)
• 4: Teilschnitt D-D (s. 1) – Ansicht auf den Zylinderboden mit Zylinderbodenmulde und Auslassventilen; Querschnitt durch den Zylinder und die Kolbenstangen
• 5: Teilschnitt E-E (s. 1) – Ansicht von oben auf: Kolben, Kolbenstangen, Einlassventile und Einlassventilhalter
• 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
• 7: Teilschnitt H-H (Querschnitt durch den Motor) – Schnittverlauf durch die 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
• 9: Teilschnitt G-G (Längsschnitt s. 5) – Schnittverlauf durch: Zylinderhaube, Kolben mit pneumatischem Dämpfer, zwei Kolbenstangen und Kolbenmulde
• 10: Vergrößerung – Teilschnitt J-J – Schnitt durch das Dichtungsbuchsenpaket
• 11: Teilschnitt K-K (s. 2) – Schnitt durch den Kreuzkopf
• 12: Teilschnitt L-L (entsprechend wie H-H 7) – Alternative Ausführung mit Mulden als Einsätze
• 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.
• 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.
• 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 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.
• Der Zylinder 9 ist entweder als einzelnes Rohr mit der Wassermantelkühlung oder als Zylinderblock von oben an das Kurbelgehäuse befestigt. Im Zylinder befindet sich der Kolben 10 mit einem in der Mitte eingebauten pneumatischen Dämpfer 12, der mit dem Einlassventilpaket verbunden ist. 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.
• 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 Mitte des Ventils 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.
• Das Saugrohr 22 ist mit dem Saugrohrsegment 19 verbunden, das Umlaufrohr 23 ist mit dem Umlaufrohrsegment 20 verbunden.
• 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.
• 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.
• Am Anschluss des Zylinders zum Kurbelgehäuse sind Verbindungen zwischen der Kühlung im Zylinderwassermantel und der Kühlung im Kurbelgehäuse dargestellt.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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. Öl 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.
• 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.
• 11 zeigt einen Schnitt durch die 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.
• 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.
• Wirkungsweise
• Wirkungsweise des in den 1–12 dargestellten Motors, der mit homogenem Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben wird
• 4-Takt-Verfahren
• 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 Dämpfzylinder 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 dem 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 schichten 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

Claims (3)

1. Verbrennungs-4-Takt-Kolbenmotor mit axialstromigem zyklischem Gaswechsel in einem Zylinder (9), zentral liegender geteilter Brennkammer, getrennten, in verschiedenen Teilen des Motors angeordneten Einlass (25)- und Auslassventilen (26) und zweimaliger Frischladungsansaugung aus einem Saugrohr (22) durch einen Kolben (10) zu einem Zylinderoberraum, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Brennkammer von zwei Mulden gebildet wird, von denen eine, die Zylinderbodenmulde, mit einem Außenbund in der Mitte eines Zylinderbodens axial zwischen zwei Kolbenstangen (27; 28) und radial innerhalb der Auslassventile (26) angeordnet ist; in der Zylinderbodenmulde eine Einspritzdüse (4) und eine Kerze (5) angeordnet sind, wobei eine Trennungsfläche des Außenbundes oberhalb des Zylinderbodens angeordnet ist; eine Kolbenmulde mit einem Innenbund in der Mitte eines Kolbenbodens axial zwischen zwei Kolbenstangen (27; 28) und radial innerhalb der Einlassventile (25) angeordnet ist, wobei die Trennungsfläche des Innenbundes unterhalb des Kolbenbodens angeordnet ist; 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 ermöglicht, wenn der Kolben (10) einen unteren Totpunkt erreicht, als das Verdichtungsverhältnis einer verdichteten Frischladung im Zylinder (9) außerhalb der geschlossenen Brennkammer.
2. Verbrennungs-4-Takt-Kolbenmotor nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, a.) dass die Einlassventile (25) im Kolben (10) angeordnet sind und im geöffneten Zustand während eines Ansaugtaktes eine Füllung des Zylinders (9) mit Frischladung ermöglichen, die aus dem Zylinderoberraum zu einem zwischen dem Kolbenboden und dem Zylinderboden ausgebildeten Zylinderhauptbrennraum durch den Kolben (10) übergepumpt werden kann, b.) dass die Einlassventile (25) ausgehend durch die Wirkung einer bei einer Kolbenwende in der Nähe des unteren Totpunktes am Ende eines Ausschubtaktes und in der Nähe eines oberen Totpunktes am Ende des Ansaugtaktes entstehenden Trägheitskraft geöffnet bzw. geschlossen werden, c.) dass im Zylinderboden Auslassventile (26) angeordnet sind.
3. Verbrennungs-4-Takt-Kolbenmotor nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Umlaufrohr (23) vorgesehen ist, wobei die während eines Verdichtungstaktes durch den Kolben (10) in den Zylinderoberraum angesaugte Frischladung anschließend während eines Verbrennungstaktes durch den Kolben (10) über das Umlaufrohr (23) zum Teil in das Saugrohr (22) übergepumpt werden kann.