DE3706592C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine für magere Kraftstoff-Luft-Gemische und Schichtladung, vorzugs­ weise als Viertaktmotor, mit einem stufenförmig ausgebil­ deten Kolben, der in eine Durchmesserreduktion des Zylinders einläuft, und einen Hauptbrennraum sowie ringförmigen Neben­ raum zwecks Trennung eines stets zündfähigen, relativ fetten Gemisches im Hauptbrennraum und zusätzlicher Luft und/oder mageren Gemisches im Nebenraum zwecks Einstellung des hohen und gewünschten Luftüberschusses für den gesamten Zylinder­ raum sowie einer Zufuhr von vorzugsweise Frischluft im unteren Totpunkt zur Erzeugung einer verstärkten axialen Schichtbildung, damit der Brennstoffverbrauch reduziert und die schadstoffarme Verbrennung innerhalb des Zylinders gefördert wird.

Außer Katalysatoren zur Schadstoffreduzierung sind weitere Versuche unternommen worden, derartige Brennkraftmaschinen so zu betreiben, daß eine Säu­ berung der Abgase mit verringertem Stickoxydge­ halt erzeugt wird. Dazu zählen einerseits Zündverzögerungen, um die Druckspitze und Tempe­ raturspitze im Verbrennungshub heraubzusetzen, sowie der Einsatz einer Zylinder-Kolben-Einheit gem. der DE-OS 25 09 628, die im wesentlichen Stufenkolben verschiedener Bauart aufweist, die beim Aufwärtshub den Verbrennungsraum in zwei Teilräume unterteilen, von denen jeder der Teilräume mit einer Zündkerze ausgerüstet ist und wie ein normaler Brennraum, jedoch mit zeit­ lich unterschiedlichen Zündzeitpunkten arbeitet.

Dadurch allein ändern sich indessen nicht die Druck- und Temperaturspitzen, bzw. tritt die beabsichtigte Minderung der Schadstoffemission, speziell der Stickoxyde nicht ein.

Entscheidend ist vielmehr das Gemisch/Luftver­ hältnis und deren optimale Verwirbelung vor und möglichst auch während der Verbrennung.

Dies aber ist mit dem Vorschlag gem. dieser DE- OS nicht möglich.

Aus der DE-OS 25 14 479 ist eine Brennkraftmaschine mit einem stufenförmigen Kolben bekannt, der in eine Durchmesserreduktion des Zylinders einläuft und dort ein geringes Spiel besitzt, mit einem Hauptbrennraum und einem Nebenraum, die lediglich im oberen Tot­ punkt des Kolbens durch einen engen Spalt voneinander ge­ trennt sind.

Ferner geht dort hervor, daß auch im Übergangsbereich zwischen den beiden Brennräumen auch sepparate Bauteile eingesetzt werden kön­ nen. Aus der DE-OS 27 45 381 geht hervor, daß eine verstärkte Schicht­ ladung durch einen zusätzlichen Luftkanal erzeugt wer­ den kann, dessen Öffnung im Bereich der Zylinderlaufflächen liegt. Die Abgaszusammensetzung ist bei diesen Motoren jedoch unbefriedigend.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor, bei dem der Verbrennungsprozeß innerhalb des Zylinders, und zwar sowohl beim Otto-, als auch beim Dieselmo­ tor so verbessert wird, daß bei möglichst geringem Kraftstoffverbrauch minimale Schadstoffmengen entstehen und dadurch spätere Nachbehandlungen, beispielsweise mittels Katalysator, ganz oder weitgehend überflüssig werden, was insbesondere durch eine verstärkte, axiale Schich­ tenbildung und/oder eine bessere Trennung zwischen einer zündfähigen und einer verbleibenden Luftschicht erreicht werden soll.

Erfindungsgemäß wird dies insbesondere mit dem Vorschlag im Patentanspruch 1 erreicht.

Vorteilhafterweise ist der Zylinderring als getrenntes Bauteil unterhalb des Zylinderkopfes vorgesehen.

Vorteilhafterweise ist der Nebenraum mit dem Verbrennungsraum über mindestens einen Kanal verbunden.

Vorteilhafterweise ist der Zylinderring Teil des Zylinderkopfes.

Vorteilhafterweise ist der Zylinderring Teil des Zylinderblockes.

Vorteilhafterweise ist der Kolbenboden eben aus­ gebildet.

Vorteilhafterweise ist der Kolbenboden konkav oder konvex geformt.

Vorteilhafterweise weist der Zylinderring min­ destens einen spiralförmigen Flügel gegenüber dem Verbrennungsraum auf.

Vorteilhafterweise beträgt die Höhe des Kolben­ halses bis zu etwa 30% der Gesamthöhe des Kol­ bens.

Vorteilhafterweise ist der Zylinderblock von einem Luftzuführungskanal durchdrungen, der in der Zylinderwand in der Nähe des unteren Totpunktes des Kolbens mündet.

Vorteilhafterweise mündet der Luftzuführungs­ kanal über Düsen in der Zylinderwand.

Vorteilhafterweise ist der Zylinderblock von einem Luftzuführungskanal durchdrungen, der in der Nähe des oberen Totpunktes des Kolbens mün­ det.

Vorteilhafterweise ist im Kolbenhals mindestens eine Mulde vorgesehen.

Vorteilhafterweise ist in der Kolbenschulter mindestens eine Vertiefung vorgesehen.

Vorteilhafterweise verläuft der Verbindungskanal geradlinig.

Vorteilhafterweise verläuft der Verbindungskanal spiralförmig.

Vorteilhafterweise besteht der Zylinderring aus keramischem Werkstoff.

Vorteilhafterweise ist der Zylinderring mit keramischem Werkstoff beschichtet.

Vorteilhafterweise sind mehrere Zylinderringe als Einlegeteil zusammengefaßt.

Vorteilhafterweise ist/sind der/die Zylinder­ ring(e) in den Zylinderkopf integriert.

Das Verfahren zum Betrieb des Verbrennungsmo­ tores zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß man den Kompressionsraum des Zylinders in einen Raum mit zündfähigem Gemisch vom lambda = 0,6-1,0, welches zunächst gezündet wird und eien weiteren Raum, einen Luftpolsterraum, gefüllt mit Luft, bzw. magerem Gemisch unter­ teilt, die bzw. das kurz vor Abschluß der Kompression, infolge des Überdruckes in den Luftpolstern teilweise in den Brennraum über Kanäle und einen Spalt stark wirbelnd einblasen und nach der Zündung, sobald der Kolbenboden die untere Kante des Zylinderringes überschreitet, stark wirbelnd in die brennenden Gase des Zylinders einströmen läßt, um mit hohem Luftüberschuß die weitere Verbrennung zu fördern, wobei zusätzlich noch über ein Luftzu­ führungsrohr im Bereich des unteren Totpunktes des Kolbens Frischluft in den Bereich des Kolbenhalses und der Kolbenschulter eingeblasen werden kann, um einen Schichtladeeffekt zu er­ zielen.

Im Gegensatz zu DE-OS 24 02 507 wird erfindungsgemäß der Brennraum nicht in zwei Brennräume getrennt, es bleibt vielmehr stets ein Brennraum und ein Luftpolster erhalten, die im Takt der Kolbenbewegung getrennt bzw. zugeschaltet werden, wobei es je nach dem Verhältnis von Bohrungen des Zylinderringes im Zylinder auf die Abstufung des Kolbens ankommt. Wenn der Kolbenhals sich dem Durchmesser des Zylinders nähert, rücken die Luftpolster aus dem Bereich des Zylinders entweder ganz in den Zylinderkopf oder Zylinderblock.

Dann entsteht aber im Luftpolster kein Überdruck mehr, der zum Überströmen notwendig ist. Auch ist das Gemischverhältnis im Brennraum und Luftpolster gleich, was nicht gewollt ist.

Diese Luftpolster können aus mindestens einem nicht unterteiltem Raum oder aus mehreren unterschiedlich großen und geformten Räumen bestehen.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil liegt insbesondere in folgendem:

Bekanntlich kann der Verbrennungsprozeß mit Luftüberschuß von etwa 50% einerseits das Entstehen von Stickoxyden weitgehend verhindern und andererseits den Kraftstoffverbrauch redu­ zieren. Ein Nachteil dieser auch als Magermoto­ ren bezeichneten Motoren ist, daß die Fahrtaug­ lichkeit unbefriedigend ist, weil mit zunehmen­ dem Luftüberschuß die Zündwilligkeit abnimmt und schließlich die Zündfähigkeit überhaupt aufhört. Aus diesem Grunde ist es notwendig, im Bereich der durch die Zündkerze ausgelösten Verbrennung ein noch sicher zündfähiges Gemisch anzubieten, das nur vorzugsweise bei annähernd λ = 1 liegt und nach erfolgter Zündung soviel Luft und/oder mageres allein nicht mehr zündfähiges Gemisch zugeführt wird, daß für den gesamten Brennraum der hohe gewünschte Luftüberschuß erreicht wird, was mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbrennungsmotor gelungen ist.

Sobald nämlich der Kolbenboden die untere Kante des Zylinderringes überschreitet, strömt aus dem Luftpolster stark wirbelnd Luft und/oder mageres Gemisch in die brennenden Gase des Zylinders und fördert daduch auch mit hohem Luftüberschuß die weitere Verbrennung.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Teilschnitt durch einen Zylin­ der,

Fig. 2 eine Ausführungsvariante der Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Zylinder­ ring,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Ausführungs­ variante der Fig. 3, und

Fig. 5 eine Draufsicht auf Fig. 4 von unten,

Fig. 6 den Längsschnitt durch einen Zylinder gem. Fig. 1, und

Fig. 7 einen Querschnitt durch einen Zylinder gem. Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des Zylinders 11 eines Verbrennungsmotors darge­ stellt. In dem Zylinder 11 befindet sich der Kolben 12 in der oberen Totpunktstellung. Der Zylinderkopf 13, mit den nicht dargestellten Ventilen in dem Einlaßkanal 14 und Auslaßkanal 15 schließt den Zylinder 11 dichtend ab und bilden so den Verbrennungsraum 16, der vom Zylinderkopf 13, dem Kolbenboden 17 und einem Zylinderring 18 umhüllt wird.

Die Bohrung 23 des Zylinderringes 18 ist mittels der Kante 19 zur Bohrung 20 des Zylinders 11 zentriert. Der Kolben 12 ist als Stufenkolben mit dem zylindrierten Kolbenhals 21 und der Kol­ benschulter 22 ausgebildet. Der Kolbenhals 21 ragt in dieser Totpunktstellung mit geringstem Spiel in die Bohrung 23 des Zylinderringes 18. Der das Luftpolster aufnehmende Nebenraum 24 wird durch die Kolbenschulter 22, die Innenseite 25 des Zylinderringes 18 und der Wandfläche 26 des Zylinderkopfes 13 gebildet.

Über den Dichtungs- bzw. Ölabstreifringen 27 ist wie üblich der Feuersteg 28 angeordnet. Ein Luft­ zuführungsrohr 30 ist im Bereich des unteren Totpunktes vorgesehen. Ein weiteres Luftzuführungs­ rohr kann ggf. auch zusätzlich am oberen Tot­ punkt vorgesehen sein.

Im folgenden sind die Arbeitsweisen der ver­ schiedenen Motortypen mit direkter und indirek­ ter Einspritzung sowie Vergaserbetrieb beschrie­ ben.

Zunächst als Beispiel ein konventioneller Viertakt-Ottomotor mit direkter Benzineinsprit­ zung.

In Fig. 1 befindet sich der Kolben 12 nach dem Ausstoßen der verbrannten Gase in der oberen Totpunktstellung. Das Auslaßventil im Auslaßka­ nal 15 ist geschlossen und das Einlaßventil im Einlaßkanal 14 offen. Mit dem ersten Hub des Kolbens beginnt das Ansaugen der Luft, mit dem zweiten Hub die Kompression dieser Luft und im Verlauf dieser Kompression die Benzineinsprit­ zung durch die Düse 32 in der Weise, daß im Kompressionsraum die Hauptmenge des Kraftstoffes verbleibt und zu einem gut zündbaren Gemisch komprimiert wird.

Die Luftpolster im Nebenraum 24 werden dagegen vorwiegend mit der vorkomprimierten Luft bzw. mit schwach angereichertem Benzinluftgemisch gefüllt. Der dritte Hub beginnt mit der Zündung durch die Zündkerze 33. Nachdem der Kolben so­ weit in Richtung unterer Totpunkt gewandert ist, daß die Kante des Kolbenbodens 34 die untere Kante 35 des Zylinderringes verläßt, strömen die heißen Verbrennungsgase in den Zylinder 11. Gleichzeitig oder kurzfristig danach strömt die komprimierte Luft bzw. das schwach angereicherte Luftbenzingemisch spiralförmig von den Flügeln 81 geleitet in die Verbrennungsgase und verwirbeln dort mit ihnen und vollenden somit den Verbrennungsprozeß mit großem Luft­ überschuß.

Mit Beginn des vierten Hubes erfolgt das Aus­ stoßen der verbrannten Gase durch den Auslaßka­ nal 15.

In dem Zeitpunkt, in dem die Kante 34 des Kol­ bens 12 die Kante 35 des Zylinderringes 18 er­ reicht, wird der Verbrennungsraum 16 im wesent­ lichen geschlossen, wobei die verbrannten Gase des Verbrennungsraumes 16 weiter ausgestoßen werden, die Verbrennungsgase im Nebenraum 24 wer­ den leicht komprimiert.

Nunmehr beginnt das Viertaktspiel von neuem. Sobald, wie bereits oben beschrieben, die Kante 34 des Kolbens 12 die Kante 35 des Zylinderringes 18 wieder erreicht und den Zylin­ derraum öffnet, strömt der unter leichtem Über­ druck stehende Inhalt des Nebenraumes 24 in den Zylinder, so daß beim zweiten Hub der Nebenraum 24 wieder mit weitgehend frischer Luft bzw. schwach angereicherter Luft gefüllt werden kann.

Mit diesem Verfahren läßt sich also Schichtla­ dung und Magermotorbetrieb optimal verwirklichen.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. In diesem Fall bleibt der Zylinder­ kopf 41 ohne angegossenen Zylinderring, d. h. also in der konventionellen Bauweise. Der Zylin­ derring 46 wird als neues Bauteil zentrisch zur Zylinderringbohrung 49 durch die Zylinderring­ zentrierung 47 in den Zylinderblock 48 dichtend eingesetzt. In dem Zylinderring 46 ist mindes­ tens ein Verbindungskanal 51 angebracht, der den Nebenraum (das Luftpolster) 50 mit dem Brennraum 52 verbindet. Der Kolbenboden 43 ist konkav gewölbt.

Der Nebenraum 50 mit dem Luftpolster wird von dem Zylinderring 46, der Wölbung 53 des Zylin­ derblockes 48 und der Kolbenschulter 45 gebil­ det.

Mit 56 ist mindestens eine Mulde am unteren Ende des Kolbenhalses 44 bezeichnet.

In Fig. 3 ist der Zylinderring 46 vom Zylinder­ block 48 aus gesehen dargestellt. Die vier Ver­ bindungskanäle 61 zielen radial zur Kolbenachse. Die Verbindungskanäle münden in den Brennraum 52 scharfkantig und in den Nebenraum 50 abgerundet, so daß der Lufstrahl turbulent in den Brennraum 52 tritt und in umgekehrter Richtung während der Verbrennung sich der Luftstrahl hinter der Öffnung zusammenzieht, was mit Verlusten verbun­ den ist. Der Luftdurchgang zum Brennraum 52 erfolgt also leichter, umgekehrt gebremster.

In Fig. 4 ist ein Zylinderring 71 im Quer­ schnitt dargestellt. Die Verbindungskanäle 72 sind winkelig zur Achse geneigt.

Fig. 5 stellt den Zylinderring 71 aus der Sicht des unteren Totpunktes dar. In dem Luftpolster 83 sind Lamellen 81 spiralförmig nach außen verlaufend angebracht.

Infolge dieser Ausbildung tritt die Luft aus dem Nebenraum 83 mit einem zu Kolbenboden und Kolbenschulter geneigten Drall in den Zylinder und verwirbelt dadurch das brennende Gemisch intensiv.

Fig. 6 zeigt den oberen Teil des Zylinderblockes 91 im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens. In den Zylinderblock 91 mündet mindestens ein Luftzuführungskanal 92, der mit mindestens einer Düse 93 in der Zylinder­ wand 94 mündet.

Fig. 7 zeigt einen Querschnitt im Bereich des unteren Totpunktes. Der im Zylinderblock 101 endende Luftzuführungskanal 102 teilt sich in diesem Falle in drei Luftdüsen 103, die in der Zylinderwand 104 liegen. Sie können über den gesamten Querschnitt in beliebiger Zahl verteilt sein.

Die in Fig. 2 bis 7 wiedergegebenen Details bieten erfindungsgemäß mehrere Vorteile für Viertakt-Ottomotoren mit indirekter Benzinein­ spritzung oder Vergaserbetrieb, wie auch für Dieselmotoren.

Beim Viertakt-Ottomotor mit indirekter Benzin­ einspritzung ist die Arbeitsfolge gleich wie beim beschriebenen Motor mit direkter Ein­ spritzung mit der Abweichung, daß die Benzin­ einspritzung früher als bei der direkten Ein­ spritzung erfolgt mit dem Effekt, daß die Über­ gangszone zwischen Luft und Gemisch stärker vermischt und die Schichtbildung nicht so ausge­ prägt ist.

Unterstützt werden kann die Schichtladung durch die Luftzufuhr im unteren Totpunkt des Kolbens durch den unteren Luftzuführungskanal.

Nachstehend wird die Arbeitsweise und Wirkung des erfindungsgemäß ausgebildeten Motors anhand eines Viertakt-Ottomotors mit Vergaserbetrieb beschrieben.

Bei Viertaktmotoren mit Vergaserbetrieb bedarf es einer zusätzlichen Einrichtung, weil Schichtladung und Füllung des Nebenraumes 24 (Luftpolster) mit Luft und/oder magerem Ge­ misch nicht möglich ist.

Für diesen Fall ist erfindungsgemäß ein Luftzu­ führungskanal 30 im Bereich des unteren Totpunktes 29 des Kolbens 12 vorgesehen. Durch diesen Luftzuführungskanal 30 wird Luft mit höherem als in diesem Zeitpunkt im Zylinder herrschenden Druck durch mindestens eine Öffnung zugeführt.

Sobald der Kolben 12 beim ersten Takt, dem An­ saugen, sich dem unteren Totpunkt 29 nähert und die Kante 38 der Kolbenschulter 22 den oberen Rand 39 des Luftzuführungskanales überschreitet, wird aus diesem Luft solange in den Zylinder gedrückt, bis zu Beginn des zweiten Taktes die Kolbenkante 38 der Kolbenschulter 22 wieder den oberen Rand 39 des Luftzuführungskanales erreicht und die Luftzufuhr beendet.

Die Öffnungszeiten richten sich im wesentlichen nach der axialen Höhe des Kolbenhalses 44, die die Größe des Öffnungswinkels 36 in Abhängigkeit vom Kurbelradius der Kurbelwelle bestimmt.

In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel eines Kolbendurchmessers von 70 mm und eines Kolbenhubes von 57 mm beträgt der Öffnungswinkel 36 ca. 90 Grad, was etwas der Hälfte des gesamten Ansaughubes entspricht.

Zur Verringerung etwaiger Luftverluste in die Kurbelwanne kann am unteren Schaftteil des Kol­ bens 12 ein zusätzlicher Kolbenring 27 vorgese­ hen sein.

Die Luftzufuhr kann mittels eines Turboladers oder sonstigen Verdichters herbeigeführt werden.

Um und über dem Kolbenboden 17 und dem Bereich des Kolbenhalses 21 und der Kolbenschulter 22 liegt der Bereich reiner Luft oder eines äus­ serst mageren Gemisches, so daß bei Vollendung der Kompression im Kompressionsraum in der Nähe der Zündkerze 33 ein fettes Gemisch liegt, das zum Kolbenboden hin immer magerer wird und schließlich nur noch aus Frischluft besteht, so daß eine perfekte Schichtladung erzielt wird.

Die Luftpolster im Nebenraum 24 sind vorzugsweise mit reiner Frischluft aus dem Hals/Schulter-Bereich des Kolbens 12 gespeist worden. Nach der Zündung und in dem Zeitpunkt in dem beim dritten Takt der Verbrennung, die Kolbenkante 38 die Ringkante freigibt, strömen Verbrennungsgase in den Zylinder und vermischen sich wiederum mit dem spiralförmig austretenden Luftpolstergemisch, verwirbeln intensiv und leiten die endgültige Verbrennung ein.

Am Ende dieses Verbrennungstaktes, wenn die Kolbenkante den oberen Rand des Zuführungsrohres erreicht, beginnt wieder das Zuströmen der Luft, so daß der untere Zylinderteil von Ver­ brennungsgasen freigespült wird.

Dies hat zufolge, daß am Ende des vierten Tak­ tes, dem Auspuff, der Kompressionsraum keine Verbrennungsgase mehr wie beim konventionellen Hubkolbenmotor enthält, sondern nur noch weit­ gehend Frischluft. Dies trifft ebenfalls für die Luftpolster im Nebenraum 24 zu. Diese Bauweise hat überdies den Vorteil, daß die heißen Par­ tien des Kolbens 42, nämlich dessen Boden 43, Hals 44 und Kolbenschulter 22 zusätzlich gekühlt werden.

Ein ähnlicher Effekt kann mit einem zweiten Einlaßventil für reine Luft erreicht werden, so daß ein Dreiventil-Motor entsteht.

Die Arbeitsweise des Motors ist dann wie folgt: Beim ersten Takt als Ansaugtakt öffnet zuerst das Einlaßventil für reine Luft. Nach einem Öffnungswinkel von 10-50 Grad schließt dieses Ventil wieder und das Einlaßventil für Gemisch öffnet mit einem Öffnungswinkel 30-100 Grad. Dadurch werden in dem Zylinder zwei Schich­ ten angesaugt, nämlich zuerst reine Luft und anschließend fettes, zündfähiges Gemisch. Beim zweiten Takt wird das fette Gemisch vorwiegend in den Brennraum und die Luftpolster im Neben­ raum 24 gleichmäßig komprimiert, bis die Kolben­ kante die Kante des Zylinderringes erreicht. Von diesem Augenblick an steigt der Druck in dem Nebenraum, d. h. dem Luftpolster stärker als im Brennraum, so daß das Gemisch in der Nähe der Verbindungskanäle 51 in den Brennraum strömt und die reine Luft mit Resten des Gemisches in dem Nebenraum 50 verbleibt. Dann verläuft der dritte und vierte Takt wie bereits oben beschrieben, d. h. beim Verbrennungstakt wird durch den Überdruck im Verbrennungsraum heißes Gas in den bzw. die Nebenräume 50 dringen, so daß die Luft stark wirbelnd in die brennenden Gase strömt, wenn der Kolben 42 den Verbrennungsraum 52 und Zylinder öffnet.

Die gewünschten Kraftstoff-Luft-Verhältnisse werden durch das Verhältnis der Volumina des Brennraumes zu Nebenraum eingestellt. Je größer das Volumen des Luftpolsters im Nebenraum bei gleichbleibender Größe des Brennraumes ist, desto mehr steigt der Luftüberschuß und Lambda.

In Fig. 1 ist z. B. das Hubvolumen 250 ccm, das Volumen des Brennraumes 17,5 ccm und das Volumen des Nebenraumes 12,4 ccm, so daß beide zusammen 29,9 ccm betragen. Das Verdichtungsverhältnis berechnet sich demnach zu ε = 9,5.

Durch die Höhe des Kolbenhalses und der Breite der Kolbenschulter läßt sich das Brennraum/Ne­ benraumverhältnis in weiten Bereichen variieren.

Das Optimum kann für jeden Motor nur durch Ver­ such erprobt werden.

In der "Schließ-Stellung", d. h. wenn die Kolben­ kopfkante den Zylinderring erreicht, herrscht ein theoretisch gleicher Druck in beiden Räumen von p = 12,2, berechnet nach der Formel p ₂ = p ₁ ^1,3. In gleicher Weise errechnet herrscht im oberen Totpunkt in dem Nebenraum ein um 5-6 bar höherer Druck. Dieser Überdruck kann durch die Kolbenbodenform in weiten Grenzen variiert wer­ den. Ein konvexer Kolbenboden, wie in Fig. 2 ge­ zeigt, erhöht bei sonst gleichen Abmessungen diesen Überdruck z. B. auf 9-10 bar, umgekehrt wird durch einen konkaven Kolbenboden dieser Überdruck reduziert.

Durch den Überdruck erfolgt ein Überströmen des Luftpolsters aus dem Nebenraum über die Ver­ bindungskanäle und zum Teil auch über den durch das Spiel zwischen Kolbenhals und Zylinderring­ bohrung entstehenden Spalt.

Die Länge des Kolbenhalses bestimmt die Brenn­ dauer des Gemisches ohne Zufluß von Frischluft aus dem Luftpolster des Nebenraumes. Die "Schließzeit" liegt zwischen 0 und 50 Grad Kur­ belwinkel.

Das Verhältnis des Kolbenhalsdurchmessers oder der Zylinderringbohrung zum Zylinderdurchmesser soll möglichst groß sein und den Wert 1 anstre­ ben, weil damit der Brennraum weitgehend offen gestaltet wird. Im Beispiel gem. Fig. 1 beträgt der Zylinderdurchmesser 70 mm, der des Kolbenhal­ ses 53 mm, das Durchmesserverhältnis beträgt also 0,76. Das Durchmesserverhältnis liegt somit im Bereich von 1-0,5.

Es ist günstig, den Kolbenhalsdurchmesser des Stufenkolbens um bis zu 50% kleiner als den Kolbendurchmesser vorzusehen. Die Höhe des Kolbenhalses kann bis etwa 30% der gesamten Höhe des Kolbens betragen. Anstelle eines Neben­ raumes für die Aufnahme des Luftpolsters können auch mehrere, möglichst ringförmig um den Zylin­ der herum, angeordnet sein. In der Kolbenschulter können auch mehrere Mulden vorgesehen werden.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, vielmehr können auch andere Ausführungsformen vorgesehen werden, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.

Claims (15)

1. Brennkraftmaschine für magere Kraftstoff-Luft-Gemische mit Schichtladung, vorzugsweise als Viertaktmotor, mit mindestens einem Brennraum, der von einem Zylinder (11) und einem stufenförmigen Kolben (12) begrenzt ist, wobei der Kolben im oberen Totpunkt in eine Durchmesserre­ duktion (25) des Zylinders einläuft und dort einen Haupt­ brennraum (16) einschließt, in welchen der Kraftstoff eingespritzt bzw. ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zur Bildung einer zündfähigen, relativ fetten Ladung zugeführt wird, mit einem ringförmigen Nebenraum (24), der im oberen Totpunkt des Kolbens von dem stufenförmigen Teil des Kolbens und den umgebenden Zylinderwänden begrenzt ist, wobei Haupt- und Nebenraum nur im Bereich des oberen Tot­ punktes durch einen engen Spalt zwischen der Durchmesser­ reduktion des Zylinders und dem eingeführten Kolbenteil voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Zylinderkopfes ein Zylinderring (46) als separates Bauteil angeordnet ist, welches Haupt- und Nebenraum voneinander trennt und dessen innere Bohrung (23) die Durchmesserreduktion bildet, und daß der Zylinderring an seiner dem Nebenraum zugewandten Seite spiralförmig angeordnete Flügel (81) aufweist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Nebenraum (50) mit dem Verbrennungsraum (52) über mindestens einen Kanal (51) verbunden ist (Fig. 2).

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verbrennungskanal geradlinig verläuft (Fig. 3).

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verbindungskanal (82) spiralförmig verläuft (Fig. 4 und 5).

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderring (18, 46) mit keramischen Werkstoff beschichtet ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderring (18, 46) aus keramischem Werkstoff besteht.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zylinder­ ringe (46) als Einlegeteil zusammengefaßt sind.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der/die Zylinderringe (18) in den Zylinder­ kopf (13) integriert ist/sind.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1-4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zylinderring (18) Teil des Zylinder­ kopfes (13) ist (Fig. 1).

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1-4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zylinderring (18) Teil des Zylinder­ blockes (48) ist.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und einen der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Kolben­ halses (21) bis zu 30% der Gesamthöhe des Kolbens (12) beträgt (Fig. 1).

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und einen der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß im Kolbenhals (44) mindestens eine Mulde (56) vorgesehen ist (Fig. 2).

13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und einen der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kolben­ schulter (55) mindestens eine Vertiefung (57) vorgesehen ist.

14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und einen der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderblock (101) von einem Luftzuführungskanal (102) durchdrungen ist, der in Zylinderwand (104) in der Nähe des unteren Totpunktes des Kolbens (12) mündet (Fig. 7).

15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und einen der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderblock (101) von einem Luftzuführungskanal (92) durchdrungen ist, der in der Nähe des oberen Totpunktes des Kolbens (12) mündet (Fig. 6).