DE19617207A1 - Viertaktmotor - Google Patents

Viertaktmotor

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Description

Die Erfindung betrifft Viertaktmotoren.
Viertaktmotoren leiden bei hohen Drehzahlen an einer schlechten Füllung der Zylinder mit Luft. Die Füllung der Zylinder mit Luft kann durch Turbinen oder Kompressoren verbessert werden, die jedoch unter anderem die Nachteile aufweisen, daß sie dem Motor Antriebskraft wegnehmen und nur begrenzt haltbar sind. Der schlechte Füllungsgrad kann ferner durch eine erhöhte Kraftstoffzufuhr ausgeglichen werden, die jedoch zu höheren Betriebs kosten und einer unerwünschten Mehrbelastung der Umwelt führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Viertaktmotor zu entwickeln, der sich durch einen optimalen Füllungsgrad der Zylinder in allen Drehzahlbereichen auszeichnet.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die Viertaktmotoren mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 3, die auf dem Konstruktionsprinzip des Zweitaktmotors nach Patent . . . (Patentanmeldung Nr. 196 02 703.9) aufbauen.
Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Aufbau und Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Viertaktmotoren sind nachstehend anhand der schematischen Fig. 1a bis 1d und 2 erläutert.
Hauptbestandteile des als Flachmotor ausgebildeten Viertaktmotors 1 nach den Fig. 1a bis 1d sind ein belüftetes Kurbelgehäuse 2, zwei an gegenüberliegenden Seiten des Kurbelgehäuses 2 angebrachte, druckfest abgedichtete und auf einer Achse 3-3 angeordnete Zylinder 4, 5 mit Motorkolben 6, 7, die über zwei Schubstangen 8, 9 und ein gemeinsames Schubstangenlager 10 auf den Kurbelzapfen 13 der Kurbelkröpfung 12 einer im Kurbelgehäuse 2 zweifach gelagerten Kurbelwelle 11 wirken, zwei am Kurbelgehäuse 2 druckfest angebrachte Schubstangenführungen 14, 15, die zusammen mit dem inneren Abschnitt 16 der Zylinder 4, 5 und den als Hohlkolben ausgebildeten Motorkolben 6, 7 jeweils eine Kompressorkammer 17, 18 zum Verdichten der Verbrennungsluft bilden, jeweils ein an einen Ansaugkanal 19 mit einem Flatterventil 26 angeschlossener Ansaugschlitz 21 im Zylinderfuß 20 für die Luft, ferner je eine Ladekammer 22, 23 für die Zylinder 4, 5, die über ein Verbindungsstück 24 und einen Luftaustrittsschlitz 25 mit einem Flatterventil 26 im Zylinderfuß 20 an die Kompressorkammer 17 bzw. 18 und eine Ansaugleitung 27 sowie ein Einlaßventil 28 im Zylinderkopf 29 an die Zylinderkammer 30 bzw. 31 des Zylinders 4 bzw. 5 angeschlossen ist, sowie ein Auslaßventil 32 mit einem Auslaßkanal 33 für die Brenngase, eine Einspritzdüse 34 für eine Kraftstoffdirekteinspritzung und eine Zündkerze 35 im Zylinderkopf 29.
Die beiden Schubstangen 8, 9 sind durch das Lagergehäuse 36 des Schubstangenlagers 10 miteinander verbunden, das einen zweiteiligen Gleitstein 37 aufweist, der in einer Gleitführung 38 des Lagergehäuses 36 quer zur Hubbewegung a, b der Motorkolben 6, 7 in Pfeilrichtung c, d hin- und herbewegbar ist und der auf dem Kurbelzapfen 13 der Kurbelwelle 11 mittels eines Gleitlagers 39 gelagert ist, das aus zwei Lagerschalen 39a, 39b besteht.
Das Lagergehäuse 36 des Schubstangenlagers 10 ist geteilt, und an das innere Ende 40 der beiden Schubstangen 8, 9 ist jeweils eine Gehäusehälfte 36a, 36b angeformt.
Die beiden Gleitflächen 37a, 37b des Gleitsteins 37 sind mit einer Weichmetallbeschichtung 41 versehen.
Die Schubstangen 8, 9 sind mit dem Kolbenboden 42 des zugehörigen Motorkolbens 6, 7 verschraubt.
Die Schubstangenführungen 14, 15 sind konisch ausgebildet, und die Innenwand 43 der Motorkolben 6, 7 weist eine entsprechende konische Form auf.
An die Zylinder 4, 5 und die Schubstangenführungen 14, 15 des Viertaktmotors 1 ist jeweils ein Befestigungsflansch 44, 45 angeformt, und die Zylinder 4, 5 sind mit der zugehörigen Schubstangenführung 14, 15 an dem Kurbelgehäuse 2 angeschraubt und gegen den Kompressordruck in den Kompressorkammern 17, 18 abgedichtet.
Die beiden Ladekammern 22, 23 der Zylinder 4, 5 sind über ein Rohrstück 46 mit einem Überdruckventil 47 miteinander verbunden.
Die Motorkolben 6, 7 werden über eine umlaufende Ringnut 49 in der Zylinderwand 48 mit Öl geschmiert, wobei die Ringnut 49 über eine Zuleitung 50 an die nicht dargestellte Ölpumpe eines Ölkreislaufs sowie eine Rückleitung 51 an die Ölwanne 52 im Kurbelgehäuse 2 des Viertaktmotors 1 angeschlossen ist. Beidseits der Ringnut 49 für die Kolbenschmierung sind in der Wand 48 der beiden Zylinder 4, 5 zwei Ölabstreifringe 53 eingesetzt. Die Motorkolben 6, 7 sind durch zwei in den Kolbenboden 42 eingesetzte Kolbenringe 54 gegen die Zylinderkammern 30, 31 sowie einen in den inneren Abschnitt 56 des Kolbenschaftes 55 eingesetzten Kolbenring 54 gegen die Kompressorkammern 17, 18 abgedichtet.
Das Schubstangenlager 10 wird durch zwei Ölbohrungen 57, die von den beiden an die Ölpumpe des Ölkreislaufs angeschlossenen Kurbelwellenlagern 58 durch die Kurbelwelle 11 zur Oberfläche des Kurbelzapfens 13 geführt sind, sowie zwei weitere von einer umlaufenden Ringnut 59 der beiden Lagerschalen 39a, 39b des Gleitlagers 39 des Gleitsteins 37 durch diesen zu dessen beiden Gleitflächen 37a, 37b geführte Ölbohrungen 60 mit Öl geschmiert.
Die Arbeitsweise des mit Ottokraftstoff ohne Zusatz von Öl betriebenen Viertaktmotors 1 geht aus den Fig. 1a bis 1d hervor.
Bei dem in Fig. 1a dargestellten Ansaugtakt, bei dem das Einlaßventil 28 offen und das Auslaßventil 32 geschlossen ist, bewegt sich der Motorkolben 6 des Zylinders 4 in Pfeilrichtung a nach innen, und die unter einem bestimmten Ladedruck stehende Luft strömt aus der Ladekammer 22 durch die Ansaugleitung 27 und das Einlaßventil 28 in die Kammer 30 des Zylinders 4. Beim Ansaugtakt wird ferner die in der Kompressorkammer 17 des Zylinders 4 befindliche Luft in der Schließstellung des Flatterventils 26, das in den an den Ansaugschlitz 21 im Zylinderfuß 20 angeschlossenen Ansaugkanal 19 eingebaut ist, und in der Offenstellung des Flatterventils 26 an dem mit der Ladekammer 22 in Verbindung stehenden Luftaustrittsschlitz 25 im Zylinderfuß 20 vorverdichtet und in die Ladekammer 22 gefördert. Beim anschließenden Verdichtungstakt, bei dem Einlaßventil 28 und Auslaßventil 32 des Zylinders 4 geschlossen sind, wird die in der Zylinderkammer 30 befindliche, vorverdichtete Verbrennungsluft durch den sich aus der unteren Totpunktlage nach Fig. 1b über eine mittlere Position nach Fig. 1c in Pfeilrichtung b in die obere Totpunktlage nach Fig. 1d bewegenden Motorkolben 6 hochverdichtet, wobei bei dem Verdichtungstakt der durch die Einspritzdüse 34 im Zylinderkopf 29 in die Zylinderkammer 30 eingespritzte Kraftstoff vergast und mit der Luft innig vermischt wird. Beim Verdichtungstakt bewegt sich der Gleitstein 37 des Schubstangenlagers 10 aus der Mittelposition 37′ in der unteren Totpunktlage des Motorkolbens 6 gemäß Fig. 1b zunächst in Pfeilrichtung d nach oben in eine obere Lage 37′′′ gemäß Fig. 1c und dann wieder in die Mittellage 37′ nach Fig. 1d, in der der Motorkolben die obere Totpunktlage einnimmt. Während des Verdichtungstaktes wird in der Offenstellung des Flatterventils 26 im Ansaugkanal 19 des Zylinders 4 und in der Schließstellung des Flatterventils 26 in dem Verbindungsstück 24 zwischen dem Luftaustrittsschlitz 25 im Zylinderfuß 20 und der Ladekammer 22 Frischluft durch den Ansaugkanal 19 in die Kompressorkammer 17 des Zylinders 4 angesaugt. Der Arbeitstakt, bei dem Einlaßventil 28 und Auslaßventil 32 im Zylinderkopf 29 geschlossen sind, wird durch die Zündung des in der Zylinderkammer 30 befindlichen Kraftstoff-Luftgemisches mittels der Zündkerze 35 eingeleitet. Da der Motorkolben 6 eine längere Zeit im oberen Totpunkt verweilt als übliche Pleuelmotoren, kann die Zündung ca. 10° nach dem oberen Totpunkt des Kolbens erfolgen und somit der idealen Kraftabnahmestellung der Kurbelwelle 11 entgegenkommen. Durch den im Zylinder 4 entstehenden Druck wird der Motorkolben 6 in Pfeilrichtung a nach innen bewegt, und die Kurbelwelle 11 wird durch die über die Schubstange 8 auf den Kurbelzapfen 13 ausgeübte Kolbenkraft P in Pfeilrichtung e in Drehung versetzt. Bei dem Arbeitstrakt verschiebt sich der Motorkolben 6 aus der oberen Totpunktlage nach Fig. 1d über die in Fig. 1a dargestellte mittlere Position in die untere Totpunktlage gemäß Fig. 1b, und der Gleitstein 37 des Schubstangenlagers 10 verschiebt sich aus der Mittellage 37′ nach Fig. 1d in Pfeilrichtung c nach unten in eine untere Lage 37′′ gemäß Fig. 1a und in Pfeilrichtung d wieder nach oben in die Mittellage 37′ gemäß Fig. 1b. Bei dem Arbeitstakt des Motorkolbens 6 wird die in der Kompressorkammer 17 des Zylinders 4 befindliche Luft in der Schließstellung des Flatterventils 26 im Ansaugkanal 19 des Zylinders 4 und in der Offenstellung des Flatterventils 26 an dem mit der Ladekammer 22 in Verbindung stehenden Luftaustrittsschlitz 25 im Zylinderfuß 20 vorverdichtet und in die Ladekammer 22 gefördert. Bei dem folgenden Ausstoßtakt, bei dem das Einlaßventil 28 im Zylinderkopf 29 geschlossen und das Auslaßventil 32 im Zylinderkopf geöffnet ist, puffen die noch unter Druck stehenden Verbrennungsgase durch das Auslaßventil 32 aus der Zylinderkammer 30 aus, und die Restgase werden durch den sich aus der unteren Totpunktlage nach Fig. 1b in die obere Totpunktlage nach Fig. 1d bewegenden Motorkolben 6 ausgestoßen. Während des Ausstoßtaktes wird in der Offenstellung des Flatterventils 26 im Ansaugkanal 19 des Zylinders 4 und in der Schließstellung des Flatterventils 26 in dem Verbindungsstück 24 zwischen dem Luftaustrittsschlitz 25 im Zylinderfuß 20 und der Ladekammer 22 erneut Frischluft durch den Ansaugkanal 19 in die Kompressorkammer 17 des Zylinders 4 angesaugt. Nach dem Ausstoßtakt folgt das nächste Arbeitsspiel der Zylinder-Kolbeneinheit 4, 6.
Durch die Einspeisung von vorverdichteter Frischluft aus der Kompressorkammer 17 in die Ladekammer 22 des Zylinders 4 beim Ansaugtakt und beim Arbeitstakt steht bei jedem Arbeitsspiel eine bei weitem ausreichende, vorverdichtete Menge an Frischluft mit einem konstanten Ladedruck zur Verfügung, so daß eine optimale Füllung des Zylinders mit Luft-Kraftstoffgemisch gewährleistet ist und ein wesentlich besserer Wirkungsgrad gegenüber den herkömmlichen Viertaktmotoren erreicht wird. Überschüssige Frischluft kann über das Rohrstück 46 und das einstellbare Überdruckventil 47 aus der Ladekammer 22 ausströmen, so daß der Ladedruck der Frischluft in der Ladekammer 22 konstant regelbar ist.
Die Zylinder-Kolbeneinheit 5, 7 des Viertaktmotors 1 arbeitet in der gleichen vorbeschriebenen Weise wie die Zylinder-Kolbeneinheit 4, 6 mit einem Zündabstand von 180°.
Der Ladedruck der Frischluft in den Ladekammern 22, 23 kann durch das Volumen der Ladekammern bestimmt werden.
Die Kompressorkammern 17, 18 der Zylinder-Kolbeneinheiten 4, 6 und 5, 7 haben ein Verdichtungsverhältnis von null, um eine Vakuumbildung auszuschließen.
Fig. 2 zeigt einen Viertakt-Reihenmotor 61 mit einer stehenden Zylinder-Kolbeneinheit 4, 6, dessen Funktionsweise derjenigen des vorbeschriebenen Viertakt-Flachmotors 1 entspricht.
Bezugszeichenliste
1 Viertaktmotor (Fig. 1a-1d)
2 Kurbelgehäuse
3-3 Zylinderachse
4 Zylinder
5 Zylinder
6 Motorkolben von 4
7 Motorkolben von 5
8 Schubstange, befestigt an 6
9 Schubstange, befestigt an 7
10 Schubstangenlager
11 Kurbelwelle
12 Kurbelkröpfung von 11
13 Kurbelzapfen von 11
14 Schubstangenführung für 8
15 Schubstangenführung für 9
16 innerer Abschnitt von 4, 5
17 Kompressorkammer von 4
18 Kompressorkammer von 5
19 Ansaugkanal von 4, 5
20 Zylinderfuß von 4, 5
21 Ansaugschlitz in 20
22 Ladekammer für 4
23 Ladekammer für 5
24 Verbindungsstück zwischen 22, 23 und 25 in 20
25 Luftaustrittsschlitz in 20
26 Flatterventil in 19 und an 25
27 Ansaugleitung zwischen 22, 23 und 28 in 29
28 Einlaßventil in 29
29 Zylinderkopf von 4, 5
30 Zylinderkammer von 4
31 Zylinderkammer von 5
32 Auslaßventil in 29
33 Auslaßkanal an 32
34 Einspritzdüse in 29
35 Zündkerze in 29
36 Lagergehäuse von 10
36a Gehäusehälfte von 36
36b Gehäusehälfte von 36
37 Gleitstein von 10
37a Gleitfläche von 37
37b Gleitfläche von 37
37′ Mittellage von 37
37′′ untere Lage von 37
37′′′ obere Lage von 37
38 Gleitführung für 37 in 36
39 Gleitlager von 37
39a Lagerschale von 39
39b Lagerschale von 39
40 inneres Ende von 8, 9
41 Weichmetallbeschichtung auf 37a, 37b
42 Kolbenboden von 6, 7
43 Innenwand von 6, 7
44 Befestigungsflansch an 4, 5
45 Befestigungsflansch an 14, 15
46 Rohrstück zur Verbindung von 22, 23
47 Überdruckventil in 46
48 Zylinderwand
49 Ringnut in 48
50 Zuleitung zu 49
51 Rückleitung von 49 zu 52
52 Ölwanne in 2
53 Ölabstreifring in 48
54 Kolbenring in 42 und 56
55 Kolbenschaft
56 innerer Abschnitt von 55
57 Ölbohrung zwischen 58 und 13
58 Kurbelwellenlager
59 Ringnut in 39a, 39b
60 Ölbohrung zwischen 59 und 37a, 37b
61 Viertaktmotor (Fig. 2)
P Kolbenkraft von 6, 7
a, b Hubbewegung von 6, 7
c, d Hin- und Herbewegung von 37
e Drehrichtung von 11.

Claims (7)

1. Viertaktmotor, bei dem die Konstruktion des als Flachmotor ausgebildeten Zweitaktmotors nach Patent . . . (Patentanmeldung 196 02 703.9) Verwendung findet, mit einem nach außen belüfteten Kurbelgehäuse (2), zwei an gegenüberliegenden Seiten des Kurbelgehäuses (2) angebrachten, druckfest abgedichteten und koaxial angeordneten Zylindern (4, 5) mit Motorkolben (6, 7), die über Schubstangen (8, 9) und ein gemeinsames Schubstangenlager (10) auf den Kurbelzapfen (13) der Kurbelkröpfung (12) einer im Kurbelgehäuse (2) zweifach gelagerten Kurbelwelle (11) wirken, zwei am Kurbelgehäuse (2) druckfest angebrachten Schubstangenführungen (14, 15), die zusammen mit dem inneren Abschnitt (16) der Zylinder (4, 5) und den als Hohlkolben ausgebildeten Motorkolben (6, 7) jeweils eine Kompressorkammer (17, 18) zum Verdichten der Verbrennungsluft bilden, jeweils einem an einen Ansaugkanal (19) mit einem Flatterventil (26) angeschlossenen Ansaugschlitz (21) im Zylinderfuß (20) für die Luft, je einer Ladekammer (22, 23), die über ein Verbindungsstück (24) und mindestens einen Luftaustrittsschlitz (25) mit einem Flatterventil (26) im Zylinderfuß (20) an die jeweilige Kompressorkammer (17, 18) und eine Ansaugleitung (27) sowie mindestens ein Einlaßventil (28) im Zylinderkopf (29) an die jeweilige Zylinderkammer (30, 31) angeschlossen ist, mindestens einem Auslaßventil (32) mit einem Auslaßkanal (33) für die Brenngase, einer Einspritzdüse (34) für eine Kraftstoffdirekteinspritzung und einer Zündkerze (35) im Zylinderkopf (29), einer Kolbenschmierung sowie einer Schmierung der Kurbelwellenlager (58) und des Schubstangenlagers (10).
2. Viertaktmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Verbindung der beiden Ladekammern (22, 23) der Zylinder (4, 5) über ein Rohrstück (46) mit einem Überdruckventil (47).
3. Viertaktmotor, bei dem die Konstruktion des Zweitaktmotors nach Patent . . . (Patentanmeldung 196 02 703.9) Verwendung findet, der als Reihenmotor (61) mit stehenden Zylindern (4) ausgebildet ist, mit einem nach außen belüfteten Kurbelgehäuse (2), einem an der Oberseite des Kurbelgehäuses (2) angebrachten, druckfest abgedichteten Zylinder (4) mit einem Motorkolben (6), der über eine Schubstange (8) und ein Schubstangenlager (10) auf den Kurbelzapfen (13) der Kurbelkröpfung (12) einer im Kurbelgehäuse (2) zweifach gelagerten Kurbelwelle (11) wirkt, einer am Kurbelgehäuse (2) druckfest angebrachten Schubstangenführung (14), die zusammen mit dem inneren Abschnitt (16) des Zylinders (4) und dem als Hohlkolben ausgebildeten Motorkolben (6) eine Kompressorkammer (17) zum Verdichten der Verbrennungsluft bildet, einem an einen Ansaugkanal (19) mit einem Flatterventil (26) angeschlossenen Ansaugschlitz (21) im Zylinderfuß (20) für die Luft, einer Ladekammer (22), die über ein Verbindungsstück (24) und mindestens einen Luftaustrittsschlitz (25) mit einem Flatterventil (26) im Zylinderfuß (20) an die Kompressorkammer (17) und eine Ansaugleitung (27) sowie mindestens ein Einlaßventil (28) im Zylinderkopf (29) an die Zylinderkammer (30) angeschlossen ist, mindestens einem Auslaßventil (32) mit einem Auslaßkanal (33) für die Brenngase, einer Einspritzdüse (34) für eine Kraftstoffdirekteinspritzung und einer Zündkerze (35) im Zylinderkopf (29), einer Kolbenschmierung sowie einer Schmierung der Kurbelwellenlager (58) und des Schubstangenlagers (10).
4. Viertaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubstangen (8, 9) durch das Lagergehäuse (36) des Schubstangenlagers (10) miteinander verbunden sind, das einen Gleitstein (37) aufweist, der in einer Gleitführung (38) des Lagergehäuses (36) quer zur Hubbewegung (a, b) der Motorkolben (6, 7) hin- und herbewegbar ist und der auf dem Kurbelzapfen (13) der Kurbelwelle (11) mittels eines Gleitlagers (39) gelagert ist, das aus zwei Lagerschalen (39a, 39b) besteht.
5. Viertaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Ölschmierung der Motorkolben (6, 7) über eine umlaufende Ringnut (49) in der Zylinderwand (48), wobei die Ringnut (49) über eine Zuleitung (50) an die Ölpumpe eines Ölkreislaufs sowie eine Rückleitung (51) an die Ölwanne (52) im Kurbelgehäuse (2) des Motors (1, 61) angeschlossen ist.
6. Viertaktmotor nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch zwei mit Abstand beidseits der Ringnut (49) der Kolbenschmierung in die Wand (48) der Zylinder (4, 5) eingesetzte Ölabstreifringe (53).
7. Viertaktmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch zwei in den Kolbenboden (42) eingesetzte Kolbenringe (54) zur Abdichtung der Kolben (6, 7) gegen die Zylinderkammern (30, 31) sowie mindestens einen in den inneren Abschnitt (16) des Kolbenschaftes (55) eingesetzten Kolbenring (54) zur Abdichtung der Kolben (6, 7) gegen die Kompressorkammern (17, 18).
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