DE102010036821A1

DE102010036821A1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102010036821A1
Application number: DE201010036821
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-08-03
Filing date: 2010-08-03
Publication date: 2012-02-09

Abstract

Ein Verbrennungsmotor (100, 101), mindestens aufweisend, einen Zylinder (1) der endseitig mit einem Zylinderkopf (3) verschlossen ist, in dem ein Kolben (2) in Axialrichtung (X) zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt (UT) verschiebbar ist, und in dem ein Kraftstoff-Luftgemisch zündbar ist, und der einen Verbrennungsraum V aufweist, in dem eine Initialzündung des Kraftstoff-Luftgemisches möglich ist, zeichnet sich dadurch aus, dass in einem oberen Bereich des Zylinders (1) und/oder einer Laufbuchse (5), die im Zylinder angeordnet ist, mindestens eine senkrecht zur Axialrichtung (X) des Zylinders (1) zumindest teilweise ringförmig verlaufende Verbrennungsausnehmung (4) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, mindestens aufweisend einen Zylinder, der endseitig mit einem Zylinderkopf verschlossen ist, in dem ein Kolben in Axialrichtung X zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt (UT) verschiebbar ist, und in dem ein Kraftstoff-Luftgemisch zündbar ist, und der einen Verbrennungsraum V aufweist, in dem eine Initialzündung des Kraftstoff-Luftgemisches möglich ist.
Verbrennungsmotoren sind aus dem Stand der Technik ausreichend bekannt. So unterscheidet man beispielsweise Otto- bzw. Dieselmotoren oder auch Zweitakt- bzw. Viertaktmotoren. Viele Motoren weisen in der Regel Kolben auf, die innerhalb des Motors in Axialrichtung verschoben werden können, um so die Explosionskraft mittels einer Pleuelstange in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umzusetzen.
So ist z. B. aus der DE 36 30 505 A1 ein Zweitakt-Verbrennungsmotor bekannt, bei dem auf der Oberseite des Kolbens ein hohlzylinderförmiger Steuerungsaufsatz koaxial angeordnet ist. Durch die Bewegung des Kolbens wird das Öffnen und Schließen des Zylinderauslasses gesteuert.
Auch die DE 85 13 353 U1 beschreibt eine Zweitakt-Brennkraftmaschine mit einem „tassenförmig” ausgebildeten Kolben und einer darauf abgestimmten Öffnung im Zylinder.
Problematisch an den Verbrennungsmotoren des Standes der Technik ist, dass diese immer noch einen vergleichsweise geringen Wirkungsgras aufweisen, und dass solche Motoren zur Steigerung des Wirkungsgrades mit aufwändigen technischen Einrichtungen z. B. Kompressoren oder Turboladern versehen werden müssen, um den Wirkungsgrad bzw. die Leistung pro Hubraum zu steigern.
Ausgehend von dieser Problemstellung ist es Aufgabe der Erfindung, einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, der mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand auf einfache Weise den Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors verbessert.
Zur Problemlösung zeichnet sich der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor dadurch aus, dass im oberen Bereich B des Zylinders und/oder einer Laufbuchse, die im Zylinder angeordnet ist, mindestens eine senkrecht zur Axialrichtung X des Zylinders zumindest teilweise ringförmig verlaufende Verbrennungsausnehmung angeordnet ist.
Vorteilhafterweise ist die Verbrennungsausnehmung während eines Verdichtungsvorgangs des Verbrennungsmotors mit einem Kraftstoffluftgemisch füllbar und die Verbrennungsausnehmung ist im oberen Totpunkt des Kolbens von den Kolbenseitenwänden verschlossen, wobei bei der Initialzündung des Kraftstoff-Luftgemisches im Verbrennungsraum V des Verbrennungsmotors eine Bewegung des Kolbens in Richtung des unteren Totpunktes initiierbar ist, durch die eine Zündung des in der Verbrennungsausnehmung befindlichen Kraftstoffluftgemisches ermöglichst wird, wenn der Kolben die Verbrennungsausnehmung bei seiner Bewegung zum unteren Totpunkt (OT) freigibt. Durch die Initialzündung im Verbrennungsraum V des Verbrennungsmotors wird also der Kolben in Richtung des unteren Totpunkt bewegt, wodurch es zu einer Kettenreaktion in den nacheinander freigegebenen Verbrennungsausnehmungen kommt, da durch die Herunterbewegung des Kolbens die ringförmig verlaufende Verbrennungsausnehmung freigelegt wird, die durch die noch vorherrschende Explosion im Verbrennungsraum V ebenfalls gezündet wird. Eine verlängerte Explosionzeit im Verbrennungsraum V wird hierdurch ermöglicht. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise mit einer vergleichbar geringeren bzw. wenig Kraftstoff-Luftgemisch verbrauchenden Initialzündung begonnen werden, und auf dem Weg des Kolbens zum unteren Totpunkt kann durch eine oder mehrere senkrecht zur Axialrichtung X des Zylinder ringförmig verlaufende Verbrennungsausnehmung auf dem Weg des Kolbens hin zum unteren Totpunkt eine Mehrzahl von Explosionen des Kraftstoffluftgemisches erfolgen, die beispielsweise während des gesamten Weges des Kolbens auf dem Weg zum unteren Totpunkt eine stufenweise Explosion innerhalb des Verbrennungsmotors ermöglichen und so einen sehr hohen Verbrennungsdruck realisieren, wodurch eine verbesserte Leistung bei gesteigertem Wirkungsgrad erreicht wird. Hierbei ist es möglich, dass beispielsweise zwei, drei oder vier ringförmig verlaufende Verbrennungsausnehmungen im Zylinder und/oder der Laufbuchse des Verbrennungsmotors angeordnet sein können.
Durch diese erfindungsgemäße Anordnung der senkrecht zur Axialrichtung X des Zylinders ringförmig verlaufenden Verbrennungsausnehmungen ist eine stufenweise Explosionsentfaltung innerhalb des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor möglich. Hierdurch kann der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors gesteigert werden.
Hierbei ist es möglich, dass die Verbrennungsausnehmungen direkt in den Zylinder eingebracht, beispielsweise eingefräst oder beim Guss eingeformt werden oder dass die Verbrennungsausnehmung in eine Laufbuchse eingebracht werden, die in einen Zylinder eingebracht wird. Theoretisch ist es auch denkbar, dass sich die Verbrennungsausnehmungen bzgl. ihrer Tiefe von der Laufbuchse bis hin zum Zylinder erstrecken.
Hierbei ist es möglich, dass die Verbrennungsausnehmungen einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Verbrennungsausnehmungen einen dreieckigen oder viereckigen Querschnitt aufweisen.
Die Verbrennungsausnehmungen können sich als vollständige Ringe ringförmig entlang des Zylinderinnenwandfläche (Zylinder) oder der Laufbuchseninnenwandfläche (Laufbuchse) erstrecken oder auch nur abschnittsweise, z. B. als unterbrochener Ring.
Der Kolben des Verbrennungsmotors kann in üblicher Weise über eine Pleuelstange mit einer Kurbelwelle verbunden werden, über die die Kraft beispielsweise an ein Getriebe weitergegeben werden kann. Der Zylinderkopf kann in bekannter Weise mindestens einen Auslass und ein Einlassventil aufweisen, durch das frische Kraftstoffluftgemisch in den Motor gelangt und das verbrannte Abgas aus dem Motor herausströmen kann.
Die Befüllung der Verbrennungsausnehmungen erfolgt während des Ansaugvorgangs des Verbrennungsmotors. Ist druch den Ansaugkanal ein frisches Kraftstoff-Luft Gemisch in den Verbrennungsraum gelangt, bewegt sich der Kolben wieder in Richtung des oberen Totpunktes und verdicht das Kraftstoff-Luft Gemisch. Hierbei werden durch die Außenwandflächen des Kolbens auch die Verbrennungsausnehmungen durch die Kolbenaußenwandflächen des Kolbens verschlossen.
Der obere Bereich B kann sich in Axialrichtung X beispielsweise von der Unterseite des Zylinderkopfes bis zur Oberseite des Kolbens erstrecken, wenn sich dieser im unteren Totpunkt befindet. Es ist auch möglich, dass sich der obere Bereich B, in dem die Verbrennungsausnehmungen angeordnet sind nur über ungefähr die Hälfte dieser Strecke erstreckt.
Eine weitere Alternative eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors betrifft einen Verbrennungsmotor, mindestens aufweisend einen Zylinder, der endseitig mit einem Zylinderkopf verschlossen ist, in dem ein Kolben in Axialrichtung X zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt (UT) axial verschiebbar ist und in dem ein Kraftstoff-Luftgemisch zündbar ist, und der einen Verbrennungsraum V aufweist, in dem eine Initialzündung des Kraftstoff-Luftgemisches möglich ist, und wobei der Zylinder eine Zylinderinnenwand aufweist und der Zylinder durch den Kolben in einen Abgasraum A einen Verdichtungsraum L und einen Verbrennungsraum V unterteilbar ist und wobei der Kolben eine Kolbeninnenwandfläche, eine Kolbenaußenwandfläche aufweist. Der Kolben weist zu dem eine Kolbenunterseite und einen Kolbenboden aufweist.
Auch mittels dieser Alternative der Erfindung ist es möglich, einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, der das oben beschriebene Problem löst und die Konstruktion eines Verbrennungsmotors ermöglicht, der einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
Zur Problemlösung zeichnet sich dieser alternative Verbrennungsmotor dadurch aus, dass in die Kolbeninnenwandfläche mindestens eine senkrecht zur Axialrichtung X des Kolbens zumindest teilweise ringförmig verlaufende Verbrennungsausnehmung angeordnet ist, und dass der Zylinder mindestens eine Auslassöffnung im Bereich des Abgasraumes A zum Herauslassen des Abgases aus dem Verbrennungsmotor und mindestens eine Einlassöffnung beispielsweise im Bereich des Verdichtungsraumes L zum Einlass des Kraftstoffluftgemisches in den Verdichtungsraum L aufweist und wobei der Zylinderkopf mindestens einen Stegteil und einen Stehkolbenteil, bestehend aus einem Stehkolbenboden und einer Seitenwandfläche aufweist, wobei im Bereich des Stehkolbenbodens eine Zündvorrichtung zur Zündung des Kraftstoffluftgemisches in einem Verbrennungsraum V einbringbar ist, der zwischen dem Stehkolbenboden und dem Kolbenboden ausgebildet ist, und bei dem die Kolbeninnenwandfläche des Kolbens an der Seitenwandfläche des Stehkolbenteils entlang bewegbar ist, und bei dem im Kolben mindestens ein Zuführkanal vorgesehen ist, durch den das Kraftstoff-Luftgemisch im unteren Totpunkt vom Verdichtungsraum L über die Ausnehmung in den Verbrennungsraum V leitbar ist.
Des Weiteren kann im Kolben ein Einlasskanal vorgesehen sein, durch den im oberen Totpunkt durch die Einlassöffnung des Zylinders das Kraftstoff-Luftgemisch in den Verdichtungsraum L strömen kann.
Auch diese alternative Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors weist mindestens eine senkrecht zur Axialrichtung X des Kolbens zumindest teilweise ringförmig verlaufende Verbrennungsausnehmung aus, die während eines Verdichtungsvorgangs des Verbrennungsmotors V mit dem Kraftstoff-Luftgemisch füllbar ist und die im oberen Totpunkt des Kolbens vom Kolben bzw. den Kolbenseitenflächen verschlossen ist, wobei bei der Initialzündung des Kraftstoffluftgemisches im Verbrennungsraum V eine Bewegung des Kolbens in Richtung des unteren Totpunktes (UT) initiierbar ist, die eine Zündung des in der Verbrennungsausnehmung V befindlichen Kraftstoff-Luftgemisches ermöglicht, wenn der Kolben die Verbrennungsausnehmung bei der Bewegung zum unteren Totpunkt (UT) freigibt.
Die Verbrennungsausnehmungen können sich als vollständige Ringe ringförmig entlang des Zylinderinnenwandfläche (Zylinder)) erstrecken oder auch nur abschnittsweise, z. B. als unterbrochener Ring.
Insbesondere wenn mehrere senkrecht zur Axialrichtung X des Kolbens ringförmig verlaufende Verbrennungsausnehmung in Axialrichtung X hintereinander angeordnet sind, ist wie bereits oben beschrieben mittels einer Initialzündung eine stufenweise Explosionsentfaltung während der Bewegung des Kolbens in Richtung des unteren Totpunktes möglich, wodurch eine besonders kraftvolle und langhaltende Zündung möglich ist, die es ebenfalls ermöglicht, dass der Wirkungsgrad des Motors weiter gesteigert wird.
Wie bereits aus der DE 85 13 353 U1 bekannt, besitzt die zuvor beschriebene alternative Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors einen sogenannten „tassenförmig” ausgebildeten Kolben, bzw. Topfkolben, der in eine darauf abgestimmte Öffnung des Zylinderkopfes bzw. einen speziell ausgebildeten Zylinderkopf abgestimmt ist, sodass dieser insbesondere im Bereich des oberen Totpunktes im Wesentlichen vollständig in diesen eingreifen kann. Der Bereich des zuvor beschriebenen „Topfkolbens”, der in den Raum zwischen Zylinder und Zylinderkopf eingreift, könnten auch als eine bewegliche Laufbuchse angesehen werden, in den die Verbrennungsausnehmungen eingebracht sind. Diese beweglichen Laufbuchsen, können vorteilhafterweise einstückig mit dem Kolben ausgebildet sein.
An diesem Kolben können beispielsweise an der Kolbenaußenwandfläche und/oder an der Kolbeninnenwandfläche eine Mehrzahl von Kolbenringausnehmungen zur Aufnahme Kolbenringen ausgebildet sein, die für eine Abdichtung zwischen Kolben und Zylinder bzw. zwischen Kolben und Zylinderkopf sorgen.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn insbesondere die Kolbenringe, die an den Kolbeninnenwandflächen angeordnet sind unterhalb und/oder oberhalb der Verbrennungsausnehmungen bzw. zwischen einzelnen Verbrennungsausnehmungen angeordnet sind, um den Raum zwischen den einzelnen Verbrennungsausnehmungen wirkungsvoll abzudichten, wenn die einzelnen Verbrennungsausnehmungen noch durch den besonders ausgeformten Zylinderkopf verschlossen sind. Hierdurch wird es ebenfalls ermöglicht, dass jeweils nur das sich in der jeweiligen Verbrennungsausnehmung befindliche Kraftstoff-Luftgemisch gezündet wird, das bereits vom Kolben bzw. vom Zylinderkopf bzw. dem speziellen Stehkolbenteil des Zylinderkopfes freigegeben wird. Auf diese Weise ist vorteilhafterweise eine Präzise vorherbestimmbare stufenweise Explosionsentfaltung während des Arbeitsschrittes des Verbrennungsmotors möglich. Durch diese stufenweise Explosionsentfaltung ist es daher möglich, den Arbeitsschritt bzw. den Explosionsvorgang des Kraftstoffluftgemisches im Verbrennungsmotor zu verlängern und so eine kraftvollere Verbrennung zu erhalten, die einen höheren Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors ermöglicht.
Die Erfindung betrifft auch einen Kolben für einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor, bei dem die Kolbeninnenwandfläche mindestens eine senkrecht zur Axialrichtung X des Kolbens zumindest teilweise ringförmig verlaufende Verbrennungsausnehmung aufweist, und bei dem die Kolbeninnenwandfläche des Kolbens an der Seitenwandfläche eines Stehkolbenteils entlang bewegbar ist, und bei dem im Kolben mindestens ein Zuführkanal vorgesehen ist, durch den ein Kraftstoff-Luft-Gemisch im unteren Totpunkt vom einem Verdichtungsraum in den Verbrennungsraum V leitbar ist, und bei dem im Kolben mindestens ein Einlasskanal angeordnet ist, durch den ein Kraftstoff-Luft-Gemisch im oberen Totpunkt durch die Einlassöffnung in einen Verdichtungsraum L leitbar ist.
Anhand einer Zeichnung sollen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt einer Alternative eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors zum Zeitpunkt des oberen Totpunktes;
2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor gemäß 1 im Zeitpunkt des unteren Totpunktes;
3 einen Längsschnitt durch eine alternative Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit einem Topf- und einem Stehkolben im Zeitpunkt des oberen Totpunktes und der Initialzündung;
4 den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor aus 3 zum Zeitpunkt, zu dem die erste Verbrennungsausnehmung freigegeben wird;
5 den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor aus 4, in der Stellung, in dem eine zweite Verbrennungsausnehmung für die stufenweise Explosionsentfaltung freigegeben wird;
6 den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor aus 5, in dem Zeitpunkt, in dem eine dritte Verbrennungsausnehmung im Rahmen der stufenweisen Explosionsentfaltung freigegeben wird;
7 den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor aus 6, zu dem Zeitpunkt, in dem die vierte Verbrennungsausnehmung für die stufenweise Explosionsentfaltung freigegeben wird;
8 den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor aus 7, zum Zeitpunkt des unteren Totpunktes, und
9 eine perspektivische Schnittdarstellung des Kolbens, der für den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor gemäß den 3 bis 8 Verwendung findet.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 100, der einen Zylinderkopf 1 aufweist, der endseitig mit einem Zylinderkopf 2 verschlossen ist. In den Zylinder 1 ist ein Kolben 2 in Axialrichtung X zwischen einem oberen Totpunkt und einem untere Totpunkt verschiebbar. 1 zeigt den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 100 im Zeitpunkt des oberen Totpunktes, das heißt das der Kolben seine oberste Stellung eingenommen hat. Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor 100 weist einen Verbrennungsraum V auf, in dem sich ein Kraftstoffluftgemisch befindet. Auch in den Verbrennungsausnehmungen 4.1, 4.2 und 4.3, die im oberen Bereich B des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 100 angeordnet sind, befindet sich ein Kraftstoff-Luftgemisch. Mittels einer hier nicht dargestellten Zündkerze kann im Verbrennungsraum V eine Initialzündung des Kraftstoff-Luftgemisches erfolgen, die den Kolben zwei in Richtung des unteren Totpunktes bewegt. Auf dem Weg zum unteren Totpunkt gibt der Kolben zwei die im oberen Bereich B des Zylinders 1 senkrecht zur Axialrichtung X des Zylinders 1 ringförmig verlaufende erste Verbrennungsausnehmung 4.1 frei, sodass auch das sich in diese Ausnehmung befindliche Kraftstoff-Luftgemisch gezündet wird und zur Explosion gerät. Auf dem weiteren Weg des Kolbens 2 in Richtung zum unteren Totpunkt wird auch die zweite Verbrennungsausnehmung 4.2 freigegeben, sodass auch hier wieder eine Explosion des in dieser Ausnehmung befindlichen Kraftstoff-Luftgemisches erfolgt. Auf seinem weiteren Weg in Richtung des unteren Totpunktes gibt der Kolben 2 auch die letzte Verbrennungsausnehmung 4.3 frei, sodass auch das sich in dieser Verbrennungsausnehmung 4.3 befindliche Kraftstoff-Luftgemisch gezündet und zur Explosion gebracht werden kann. Vorteilhafterweise kann bei dieser Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 100 eine stufenweise Explosionsentfaltung realisiert werden, dadurch, dass durch die Initialzündung des Kraftstoffluftgemisches im Verbrennungsraum V auch eine stufenweise Explosionsentfaltung der Kraftstoff-Luftgemische, die in den einzelnen Verbrennungsausnehmungen gespeichert sind erfolgen kann, wenn der Kolben seinen Weg in Richtung des unteren Totpunktes beginnt. Auf diese Weise kann eine besonders sparsame und trotzdem wirkungsvolle Verbrennung im Inneren des Verbrennungsmotors 100 realisiert werden. Insbesondere für die Initialzündung ist dabei nur eine geringe Menge eines Kraftstoffluftgemisches notwendig. Die im Zylinderkopf 3 angeordneten Ventile sind bei der Zündung des Kraftstoffluftgemisches geschlossen, sodass ein dichter Verbrennungsraum V zwischen Zylinderkopf 3, Kolben 2 und den Laufbuchsen 5 des Zylinders 1 entsteht. Der Kolben 2 ist mittels einer Pleuelstange mit einer Kurbelwelle verbunden, die drehbar in einem zum Verbrennungsmotor gehörenden Gehäuse gelagert ist. Über die drehbare Kurbelwelle kann beispielsweise ein Stromgenerator betrieben werden.
Zur Zuführung bzw. Abführung des Kraftstoffluftgemisches bzw. des Abgases weist der Zylinderkopf einen Ansaugkanal sowie einen Abgaskanal auf. Wenn die entsprechenden Ventile geöffnet sind, kann entweder das frische Kraftstoff-Luftgemisch angesaugt werden oder das verbrannte Abgas abgeführt werden.
Wie in 1 dargestellt, sind die senkrecht zur Axialrichtung X des Zylinders 1 ringförmig verlaufenden Verbrennungsausnehmungen 4 in die Laufbuchse 5 des Verbrennungsmotors 100 eingebracht. Die Laufbuchse 5 ist mit dem Zylinder 1 des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 100 verbunden.
2 zweigt den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 100 aus 1 zum Zeitpunkt des unteren Totpunktes. Das heißt, dass der Kolben seine unterste Stellung im Verbrennungsmotor 100 erreicht hat und dass die Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches abgeschlossen ist. 2 zeigt, dass im oberen Bereich B des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 100 eine Mehrzahl von senkrecht zur Axialrichtung X des Zylinders 1 ringförmig verlaufende Verbrennungsausnehmungen 4.1, 4.2 und 4.3 angeordnet sind. Diese Verbrennungsausnehmungen 4.1, 4.2 und 4.3 sind in die Laufbuchse 5 eingebracht, die im des Zylinders 1 angeordnet ist. Die einzelnen Verbrennungsausnehmungen 4.1, 4.2 und 4.3 sind zum Zeitpunkt des unteren Totpunktes des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 100 vollständig vom Kolben 2 freigeben, sodass das sich in diesen Verbrennungsausnehmungen 4 befindliche Kraftstoffluftgemisch mittlerweise vollständig verbrannt bzw. zur Explosion gebracht worden ist, um eine besonders effektive und sparsame Verbrennung innerhalb des Verbrennungsraumes V des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 100 zu ermöglichen.
3 zeigt die Schnittdarstellung einer Alternative eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 101, der einen Zylinder 1 aufweist, der ebenfalls endseitig mit einem Zylinderkopf 3 verschlossen ist, und in dem ein Kolben 2 in Axialrichtung L zwischen einem oberen Totpunkt OT und einem unteren Totpunkt UT axial verschiebbar ist, und in dem ein Kraftstoff-Luftgemisch zündbar ist, wobei der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor 101 einen Verbrennungsraum V aufweist, in dem eine Initialzündung des Kraftstoff-Luftgemisches möglich ist, und wobei der Zylinder 1 eine Zylinderinnenwand 1.1 aufweist, und der Zylinder 1 durch den Kolben 2 in einen Abgasraum A, einen Verdichtungsraum L und einen Verbrennungsraum V unterteilt wird. Der Kolben 2 weist eine Kolbeninnenwandfläche 2.1, eine Kolbenaußenwandfläche 2.2 sowie eine Kolbenunterseite 2.3 und einen Kolben 2.4 auf. Dieser Kolben 2 ist als sogenannter Topfkolben ausgebildet und weist in seinem oberen Bereich im Bereich der Kolbeninnenwandfläche 2.1, vier senkrecht zur Axialrichtung X des Kolbens 2 ringförmig verlaufende Verbrennungsausnehmungen 4.1, 4.2, 4.3 und 4.4 auf. Dieser obere Bereich des Kolbens 2 ist derart ausgebildet, dass er in eine entsprechende Ausnehmung zwischen den Seitenwandflächen 3.4 des Zylinderdeckels, bestehend aus Stegteil 3.1, Stehkolbenteilen 3.2 und dem Stehkolbenboden 3.3 eingreifen kann. Wenn sich der Kolben 2 im oberen Totpunkt befindet, sind die Verbrennungsausnehmungen 4.1, 4.2, 4.3 und 4.4, die in der Kolbeninnenwandfläche 2.1 ausgebildet sind vollständig verschlossen, da diese von der Seitenwandfläche 3.4 des Zylinderdeckels 3 mit dem Stehkolbenteil 3.2 verschlossen sind. Im Kolben 2 ist ein Verbrennungsraum V ausgebildet, der mit einer Mehrzahl von Zuführkanälen 8 verbunden ist, die den Zustrom eines verdichteten Kraftstoff-Luftgemisches in den Verbrennungsraum V ermöglichen. Der Kolben 2 weist ebenfalls mehrere Einlasskanäle 9 auf, durch die ein Kraftstoff-Luftgemisch von den Einlassöffnungen 12 des Zylinders 1 über die Einlasskanäle 9 des Kolbens 2 in einen Verdichtungsraum L einströmen kann, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet. Zudem dienen die Einlasskanäle im Kolben 2 der Kühlung des Kolbens 2. Der Zylinderdeckel 3 weist einen Stegteil 3.1, Stehkolbenteile 3.2 einen Stehkolbenboden 3.3 und eine Seitenwandfläche 3.4 auf. Zudem ist im Zylinderdeckel 3 eine Auslassöffnung 6 angeordnet, durch die verbranntes Abgas aus dem Abgasraum A aus dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 101 heraus geleitet werden kann. Der Kolben 2 des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 101 ist beispielsweise mit einer Pleuelstange verbindbar, die lineare Bewegung des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 100 beim Verschieben des Kolbens 2 in Richtung des unteren Totpunktes OT in eine Drehbewegung einer mit der Pleuelstange verbundenen Kurbelwelle ermöglicht. Im Bereich des Stehkolbenbodens 3.3 kann beispielsweise eine Zündkerze, bzw. eine Zündvorrichtung angeordnet sein, die das sich im Verbrennungsraum V befindliche Kraftstoff-Luftgemisch initial zündet und die erste Bewegung des Kolbens 2 in Richtung des unteren Totpunktes UT initiiert.
4 zeigt des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 101 aus 3 zu einem Zeitpunkt, kurz nachdem die Initialzündung des Kraftstoff-Luftgemisches im Verbrennungsraum V erfolgt ist. Der Kolben zwei hat sich bereits in Richtung des unteren Totpunktes bewegt, sodass die erste Verbrennungsausnehmung 4.1 von den Seitenwandflächen 3.4 des Stehkolbenteils 3.2 freigegeben wurde, wodurch eine erste Explosionsstufe im Verbrennungsraum V des Kolbens 2 ermöglicht wird, die mit dem Kraftstoffluftgemisch gespeist wurde, das aus der ersten Verbrennungsausnehmung 4 freigegeben wurde. 4 zeigt ebenfalls, dass sich der Abgasraum A vergrößert und der Verdichtungsraum L verkleinert. Im Abgasraum A entsteht so ein Vakuum, und im Verbrennungsraum L entsteht so ein Überdruck. Der Zuführkanal 8 und die Kraftstoff-Luftgemisch Einfüllöffnung 9 sind durch die Zylinderinnenwand 1 verschlossen.
5 zeigt den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 101 aus 3 zum nächsten stufenweisen Explosionsentfaltungszeitpunkt. In diesem Zeitpunkt ist der Kolben 2 bereits ein weiteres Stück in Richtung des unteren Totpunktes bewegt worden, wobei die zweite Verbrennungsausnehmung 4.2 von der Seitenwandfläche 3.4 und dem Stehkolbenboden 3.3 freigegeben worden ist, sodass das sich in der zweiten Verbrennungsausnehmung 4.2 befindliche Kraftstoff-Luftgemisch ebenfalls in den Verbrennungsraum V gelangt und dort durch die Initialzündung ebenfalls gezündet werden kann. In dieser Stellung des Kolbens 2 hat sich der Abgasraum A weiter vergrößert und der Verdichtungsraum L, in dem sich ein frisches Kraftstoff-Luftgemisch befindet, weiter verdichtet.
6 zeigt den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 101 aus 3 zum Zeitpunkt der dritten Explosionsstufe, die durch das sich in der dritten Verbrennungsausnehmung 4.3 befindliche Kraftstoff-Luftgemisch ermöglicht wurde. Dadurch, dass der Kolben 2 sich ein weiteres Stück in Richtung des unteren Totpunktes bewegt hat, wird von der Seitenwandfläche 3.4 und dem Stehkolbenboden 3.3 des speziell ausgeformten Zylinderdeckels mit dem Stehkolben auch die dritte Verbrennungsausnehmung 4.3 freigegeben. Dadurch gelangt das Kraftstoff-Luftgemisch, das sich in dieser Verbrennungsausnehmung 4.3 befunden hat, ebenfalls in den Verbrennungsraum V und wird dort zur Explosion gebracht. Hierzu ist keine erneute Zündung der nicht hier dargestellten Zündkerze erforderlich, sondern es wird hier eine Kettenreaktion vollzogen, die die einzelnen Explosionsstufen, verursacht. Dies wird durch die stufenweise Freigabe der einzelnen Verbrennungsausnehmungen 4.1, 4.2, und 4.3 ermöglicht.
Es zeigt sich, dass der Abgasraum A weiter vergrößert wird, während der Verdichtungsraum L weiter verkleinert wird, sodass das sich im Verdichtungsraum L befindliche Kraftstoff-Luftgemisch weiter verdichtet wird und dass sich im Abgasraum A befindliche Vakuum weiter vergrößert wird.
7 zeigt den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 101 aus 3 zum Zeitpunkt der vierten Explosionsstufe. Dies bedeutet, dass nun auch die vierte Verbrennungsausnehmung 4.4 von der Seitenwandfläche 3.4 und dem Stehkolbenboden 3.3 des Zylinderdeckels 3 freigegeben wurde, sodass das sich in dieser Verbrennungsausnehmung 4.4 befindliche Kraftstoff-Luftgemisch ebenfalls in den Verbrennungsraum V gelangt und dort zur Explosion gerät. Der Kolben 2 wird dadurch ein weiteres Stück in Richtung des unteren Totpunktes bewegt. Dadurch vergrößert sich der Abgasraum A in dem sich immer noch ein Vakuum befindet und der Verdichtungsraum L wird verkleinert, wodurch das sich im Verdichtungsraum L befindliche Kraftstoff-Luftgemisch weiter verdichtet wird.
8 zeigt den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor aus 3 im unteren Totpunkt. Alle Verbrennungsausnehmungen 4.1, 4.2, 4.3 und 4.4 sind nun freigegeben und die stufenweise Explosionsentfaltung des Kraftstoff-Luftgemisches beginnend mit der Initialzündung und fortgeführt durch die Zündung der Kraftstoff-Luftgemische, die sich in den einzelnen Verbrennungsausnehmungen 4 befanden, ist nun abgeschlossen. Die Kettenreaktionen der einzelnen Verbrennungsstufen ist hiermit abgeschlossen. Das durch die Explosion produzierte Abgas wird nun aufgrund des sich im Abgasraum A befindlichen Vakuums aus dem Verbrennungsraum V des Kolbens 2 entlang der Kolbeninnenwandfläche 2.1 aus den Verbrennungsraum 2 gesaugt. Gleichzeitig gelangt das verdichtete frische Kraftstoff-Luftgemisch durch die Ausnehmung 7 und den Zuführkanal 8 in den Verbrennungsraum V des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 101 der sich anschließend wieder in Richtung des oberen Totpunktes bewegt, wodurch auch der Spalt zwischen Kolben 2 und Seitenwandflächen 3.4 und Stehkolbenboden 3.3 des Zylinderdeckels wieder geschlossen wird. Die Ausnehmung 7 ist im unteren Bereich des Zylinders 1 des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 101 angeordnet.
9 zeigt eine perspektivische Schnittdarstellung des Kolbens 2, der für den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 101 verwendet wird. Der Kolben 2 weist an seiner Kolbeninnenseite 2.1 eine Mehrzahl von Verbrennungsausnehmungen 4 auf. In diesem Fall weist der Kolben 2, vier Verbrennungsausnehmungen 4 auf, die einen im Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen. Zwischen diesen Verbrennungsausnehmungen sind Kolbenringausnehmungen 10 angeordnet, in die Kolbenringe eingebracht werden können, die für eine Abdichtung der einzelnen Verbrennungsausnehmungen 4.1, 4.2, 4.3 und 4.4 untereinander bzw. zum Verbrennungsraum V hin sorgen. Der Verbrennungsraum V ist mit einer Mehrzahl von Zuführkanälen 8 verbunden, die den Zustrom eines verdichteten Kraftstoff-Luftgemisches in den Verbrennungsraum V ermöglichen. Der Kolben 2 weist ebenfalls einen Kraftstoff-Luftgemischeinlasskanal 9 auf, durch den ein frisches Kraftstoff-Luftgemisch in den hier nicht dargestellten Verdichtungsraum L gelangen kann. Zudem sind auch im Bereich der Kolbenaußenwandfläche 2.2 eine Mehrzahl von Kolbenringausnehmungen 11 angeordnet, die ebenfalls mit Kolbenringen versehen werden können, um eine Abdichtung der Kolbenaußenwandfläche 2.2 gegenüber der Zylinderinnenwand 1.1 zu ermöglichen. Im unteren Bereich des Kolbens 2 sind ebenfalls zwei Ausnehmungen zu erkennen, durch die ein Bolzen gesteckt werden kann, der eine Pleuelstange am Kolben 2 gelenkig befestigbar macht, sodass über die Pleuelstange eine Kurbelwelle angetrieben werden kann.
Bezugszeichenliste

100: Verbrennungsmotor
101: Verbrennungsmotor
1: Zylinder
1.1: Zylinderinnenwand
2: Kolben
2.1: Kolbeninnenwandfläche
2.2: Kolbenaußenwandfläche
2.3: Kolbenunterseite
2.4: Kolbenboden
3: Zylinderkopf
3.1: Stegteil
3.2: Stehkolbenteil
3.3: Stehkolbenboden
3.4: Seitenwandfläche
4.1: Verbrennungsausnehmung
4.2: Verbrennungsausnehmung
4.3: Verbrennungsausnehmung
4.4: Verbrennungsausnehmung
5: Laufbuchse
6: Auslassöffnung
7: Ausnehmung
8: Zuführkanal
9: Einlasskanal
10: Kolbenringausnehmung
11: Kolbenringausnehmung
12: Einlassöffnung
V: Verbrennungsraum
A: Abgasraum
L: Verdichtungsraum
X: Axialrichtung
OT: oberer Totpunkt
UT: unterer Totpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3630505 A1 [0003]
DE 8513353 U1 [0004, 0023]

Claims

Verbrennungsmotor (100), mindestens aufweisend, einen Zylinder (1), der endseitig mit einem Zylinderkopf (3) verschlossen ist, in dem ein Kolben (2) in Axialrichtung X zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt (UT) verschiebbar ist und in dem ein Kraftstoff-Luftgemisch zündbar ist, und der einen Verbrennungsraum V aufweist, in dem eine Initialzündung des Kraftstoff-Luftgemisches möglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem oberen Bereich B des Zylinders (1) und/oder einer Laufbuchse (5), die im Zylinder angeordnet ist, mindestens eine senkrecht zur Längsrichtung X des Zylinders (1) zumindest teilweise ringförmig verlaufende Verbrennungsausnehmung (4.1, 4.2, 4.3) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor (101), mindestens aufweisend, einen Zylinder (1), der endseitig mit einem Zylinderkopf (3) verschlossen ist, in dem ein Kolben (2) in Längsrichtung L zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt (UT) verschiebbar ist und in dem ein Kraftstoff-Luftgemisch zündbar ist, und der einen Verbrennungsraum V aufweist, in dem eine Initialzündung des Kraftstoff-Luftgemisches möglich ist, und wobei der Zylinder (1) eine Zylinderinnenwand (1.1) aufweist und der Zylinder durch den Kolben (2) in einen Abgasraum A, einen Verdichtungsraum L und einen Verbrennungsraum V unterteilbar ist und wobei der Kolben () eine Kolbeninnenwandfläche (2.1), eine Kolbenaußenwandfläche (2.2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kolbeninnenwandfläche (2.1) mindestens eine senkrecht zur Axialrichtung X des Kolbens (2) zumindest teilweise ringförmig verlaufende Verbrennungsausnehmung (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) angeordnet ist – und dass der Zylinder (1) mindestens eine Auslassöffnung (6) und mindestens eine Einlassöffnung (12) aufweist, – und dass im Zylinder (1) mindestens eine Ausnehmung (7) im Bereich des Verdichtungsraumes L angeordnet ist, – und dass der Zylinderkopf (3) mindestens einen Stegteil (3.1) und einen Stehkolbenteil (3.2), bestehend aus einem Stehkolbenboden (3.3) und einer Seitenwandfläche (3.4) aufweist, wobei im Bereich des Stehkolbenbodens (3.3) eine Zündvorrichtung zur Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches in einem Verbrennungsraum V einbringbar ist, – und dass die Kolbeninnenwandfläche (2.1) des Kolbens (2) an der Seitenwandfläche (3.4) des Stehkolbenteils (3.2) entlang bewegbar ist, – und dass im Kolben (2) mindestens ein Zuführkanal (8) vorgesehen ist, durch den das Kraftstoff-Luft-Gemisch im unteren Totpunkt vom Verdichtungsraum L über die Ausnehmung (7) in den Verbrennungsraum V leitbar ist, – und dass im Kolben (2) mindestens ein Einlasskanal (9) angeordnet ist, durch den das Kraftstoff-Luft-Gemisch im oberen Totpunkt durch die Einlassöffnung (12) in den Verdichtungsraum L leitbar ist.
Verbrennungsmotor (100, 101) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (100, 101) mehrere Verbrennungsausnehmungen (4.1, 4.2, 4.3, 4.4... 4n) aufweist, die in den Zylinder (1), die Laufbuchse (5) oder den Kolben (2) eingebracht sind
Verbrennungsmotor (100, 101) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) an seiner Kolbeninnenwandfläche (2.1) mindestens eine Kobenringausnehmung (10) zur Aufnahme eines Kolbenrings aufweist.
Verbrennungsmotor (100, 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) ans einer Kolbenaußenwandfläche (2.2) mindestens eine Kobenringausnehmung (11) zur Aufnahme eines Kolbenrings aufweist.
Verbrennungsmotor (100, 101) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kobenringsausnehmungen (10) unter- und/oder oberhalb der Verbrennungsausnehmungen (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) angeordnet sind.
Kolben (2) für einen Verbrennungsmotor (101) nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbeninnenwandfläche (2.1) mindestens eine senkrecht zur Axialrichtung X des Kolbens (2) zumindest teilweise ringförmig verlaufende Verbrennungsausnehmung (4.1, 4.2,4.3, 4.4) aufweist, – und dass die Kolbeninnenwandfläche (2.1) des Kolbens (2) an der Seitenwandfläche (3.4) des Stehkolbenteils (3.2) entlang bewegbar ist – und dass im Kolben (2) mindestens ein Zuführkanal (8) vorgesehen ist, durch den ein Kraftstoff-Luft-Gemisch im unteren Totpunkt vom Verdichtungsraum L in den Verbrennungsraum V leitbar ist – und dass im Kolben (2) mindestens ein Einlasskanal (9) angeordnet ist, durch den ein Kraftstoff-Luft-Gemisch im oberen Totpunkt durch die Einlassöffnung (12) in den Verdichtungsraum L leitbar ist.