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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor mit
mindestens einem Zylinder und einem Kolben, der für eine Hubbewegung in
dem Zylinder ausgelegt ist, wobei der Kolben eine Seitenfläche aufweist,
die mit mindestens zwei beabstandeten Kolbenringumfangsnuten für einzelne
Kolbenringe und einer Sammelkammer, die zwischen den Kolbenringnuten
angeordnet ist, ausgestattet ist, wobei die Sammelkammer eine Umfangsnut
in der Seitenfläche
aufweist, die dazu ausgelegt ist, ein unverbranntes Kraftstoff-Luftgemisch und Verbrennungsgase
aufzunehmen, die einen der Kolbenringe passiert haben, und das Luft-Kraftstoffgemisch
zu einer Öffnung
in dem Zylinder eines Evakuationskanals zu transportieren.
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Es
ist eine bekannte Tatsache, dass es nicht möglich ist, eine Kolbenringabdichtung
zwischen den Kolben und den umgebenden Zylinderwänden in einem Verbrennungsmotor
vorzusehen, die zu 100% die Brennkammern von dem Kurbelgehäuse des
Motors abdichtet. Eine bestimmte, geringe Menge von Verbrennungsgasen,
die hier als blow-by bezeichnet werden, strömt daher stets hinter den Kolbenring
und nach unten in das Kurbelgehäuse
des Motors. Damit ein übermäßiger Überdruck,
der teilweise durch die blow-by-Gase verursacht wird, in dem Kurbelgehäuse nicht
auftritt, muss das Kurbelgehäuse
belüftet sein.
Je wirksamer die Belüftung
ist, umso niedrige wird der Überdruck
in dem Kurbelgehäuse
sein, und umso niedriger werden daher die Motorpumpverluste sein.
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In
modernen Motoren wird eine geschlossene Kurbelgehäusebelüftung verwendet,
um Umwelteinflüsse
zu minimieren. Normalerweise werden die blow-by-Gase von dem Kurbelgehäuse über einen Schlauch
zu dem Einlasskrümmer
des Motors vor der Drosselklappe geleitet und mit der Einlassluft
gemischt. Um Öl
aus dem Öldunst
heraus zu trennen, das unvermeidbar in die blow-by-Gase eingemischt ist,
werden verschiedene Arten von Filtern und Ölfallen in der Kurbelgehäusebelüftung verwendet.
Alle bisher bekannten Kurbelgehäusebelüftungssysteme haben
gemeinsam, dass sie es nicht ermöglicht
haben, einen gewissen Überdruck
in dem Kurbelgehäuse
zu minimieren, der umso höher
wird, je höher
die Leistungsnachfrage ist. Dies bedeutet ebenso, dass ein viel
höherer
Druck in dem Kurbelgehäuse
des Motors als in der Brennkammer während des Einlasshubes besteht,
und dieser Druck versucht, den Öldunst
in den in dem Kurbelgehäuse über den Ölabstreifring
des Kolbens und in die Brennkammer des Motors zu pressen. Um soweit
wie möglich
den Ölstrom
zu der Brennkammer zu verhindern, muss die Ringspannung für den Ölabstreifring
hoch sein, und der Ölabstreifring
ist daher das Bauteil, das alleine die größte innere Reibung in dem Motor
verursacht. Das Öl,
das dennoch unvermeidlich in die Brennkammer des Motors eindringt,
verursacht nicht nur eine Verschmutzung der Motorabgase mit einer
entsprechenden Belastung des Katalysators. Es vermindert ebenso
die Oktanzahl des Kraftstoffs, was in modernen Motoren mit Klopfsensoren
und automatischen Zündvorschub
zu einer Verzögerung
der Zündung und
somit zu einem erhöhten
Kraftstoffverbrauch führt.
Nicht zuletzt hängen
der Ölverbrauch
des Motors selbst und die Kosten zum Ersetzen des verbrauchten Öls direkt
davon ab, wie viel Öl
in die Brennkammer aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Kurbelgehäuse und
dem Zylinderraum oberhalb des Kolbens eindringt.
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US-A-4
363 310 offenbart einen Motor der eingangs beschriebenen Art, der
es ermöglicht,
annähernd
ein Gleichgewicht zwischen den Drücken in der Brennkammer und
im Kolbengehäuse
aufrecht zu erhalten. Dies bedeutet, dass ein Unterdruck in dem
Kurbelgehäuse
während
des Einlasshubes vorhanden ist. Auf diese Weise wird die Druckdifferenz entlang
der Kolbenringe vernachlässigbar,
so dass die Ringspannung in dem Ölabstreifring
auf einen Bruchteil dessen vermindert werden kann, was heutzutage
normal ist, ohne die Gefahr einer Ölpenetration von dem Kurbelgehäuse zur
Brennkammer. Zusätzlich
zu den direkten Wirkungen, welche der Druckausgleich bei der Gestalt
niedrigeren Öl-
und Kraftstoffverbrauchs ergibt, werden wichtige Sekundärwirkungen
erzielt. Eine niedrigere Ringspannung, die eine geringere innere
Reibung mit entsprechend geringerem Kraftstoffverbrauch ergibt,
führt zu
einer geringeren Anlasserleistung für den Anlassermotor, d.h. einen
kleineren Anlassermotor und eine geringere Anlasserbatterie. Eine
geringere Menge an Verschmutzung in den Abgasen, welche durch Öl in der Brennkammer
verursacht wird, bedeutet eine geringere Belastung für den Katalysator,
der kleiner ausgeführt
werden kann. Schließlich
kann die Notwendigkeit nach externen Bauteilen wie Heizanordnungen
zum Verhindern eines Frierens des blow-by, Ölfallen und Schläuchen mit
zugehörigen
Verbindungsteilen beseitigt werden, was zu wichtigen Kostenansparungen
führt.
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Es
ist unvermeidbar, dass eine geringe Menge der blow-by-Gase, unverbrannter
Kraftstoff oder andere Verschmutzungen, die das Kurbelgehäuse erreichen,
nicht heraus belüftet
werden können,
sondern als eine Suspension in dem Öl in dem Kurbelgehäuse verbleiben
und zu einem beschleunigten Alterungsvorgang des Öls beitragen,
wodurch dessen Schmierqualitäten
beeinträchtigt
werden. Dies wiederum beeinflusst die Lebensdauer des Motors.
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Da
der Zylinder, in welchem der Kolben für eine Hubbewegung ausgelegt
ist, mit einem Evakuationskanal ausgestattet ist, der in Bezug auf
die Sammelkammer derart ausgerichtet ist, dass nach einer vorbestimmten
Bewegung des Kolbens von seinem oberen oder unteren Totpunkt eine
Kommunikation zwischen der Sammelkammer und dem Evakuationskanal
hergestellt wird, der wiederum vorteilhaft mit einem Einlasskanal
des Verbrennungsmotors kommuniziert.
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Es
ist allgemein eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben
der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, der einen großen Anteil des
Volumens eines verbrannten und/oder unverbrannten Luft-Kraftstoffgemisches
aufdämmen
kann, das während
des Verbrennungshubes über
die Kolbenringe gepresst wird, und einer Verminderung des Drucks
des Volumens verbrannten und/oder unverbrannten Luft-Kraftstoffgemisches
zu erzielen, das in dem Kolben aufgenommen wird.
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Dies
wird durch einen Motor mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch
1 erzielt.
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Auf
diese Weise wird verhindert, dass unverbranntes Kraftstoff-Luftgemisch
und Verbrennungsgase das Kurbelgehäuse erreichen. Stattdessen
werden sie direkt in den Evakuationskanal entlüftet und strömen in den
Einlasskanal, das einen Überdruck
in der Sammelkammer gibt, während
es einen Unterdruck in dem Evakuationskanal gibt. Unverbranntes Kraftstoff-/Luftgemisch,
das unterhalb des ersten Kolbenrings eingefangen ist, würde andernfalls
in die Brennkammer während
des Expansionshubes zurück
strömen,
sobald der Zylinderdruck nach unterhalb des Drucks des Gemisches
fällt,
jedoch würde diese
zu spät
für eine
Verbrennung des Gemisches auftreten. Durch Anordnen eines Raums
in dem Kolben, der mit der Sammelkammer kommuniziert, wird ein relativ
großes
Volumen in dem Kolben erzeugt. Dieses Volumen ist so groß, dass
der Druck des Kraftstoff-/Luftgemisches und der Verbrennungsgase in
der Sammelkammer und in dem Raum abfällt.
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Die
Erfindung wird ausführlicher
unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, die
ein Beispiel zeigen, wobei
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1 zeigt
eine Seitenansicht eines Kolbens gemäß der Erfindung,
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2 zeigt
ein Querschnitt entlang der Linie II-II in 1, und
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3 zeigt
ein Querschnitt durch einen Zylinderblock, in welchem ein Kolben
gemäß der Erfindung
vorgesehen ist.
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1 zeigt
ein Beispiel eines Kolbens mit einer Seitenfläche 2 und einer oberen
Kolbenfläche 3. Die
Seitenfläche 2 ist
mit mindestens zwei beabstandeten Kolbenringumfangsnuten 4, 5 ausgestattet,
die jeweils einen Kolbenring (gezeigt in 3) halten. Eine
Mehrzahl von Räumen
in der Form von länglicher
Kanäle 6 sind
in dem Kolben 1 angeordnet. Sie öffnen sich ein eine Sammelkammer 7,
die zwischen den Kolbenringnuten 4, 5 gebildet
ist. Der Kolben ist somit mit einer ersten und einer zweiten Kolbenringnut 4, 5 hergestellt,
zwischen denen die Sammelkammr 7 gebildet ist. Die erste
und die zweite Kolbenringnut 4, 5 sind derart
hergestellt, um ein Paar von Kolbenringen (in 1 nicht
gezeigt) in der Form von Kompressionsringen zu halten. Eine dritte
Kolbenringnut 8 ist ebenso in der Seitenfläche 2 des
Kolbens 1 angeordnet, um einen Ölabstreifring (nicht gezeigt)
zu erhalten. Der Abstand zwischen den zwei Kolbenringnuten 4, 5 ist
etwas größer als
es bei Kolben 1 für
einen herkömmlichen
Mehrzylinder-Benzinmotor üblich
ist.
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2 bezieht
sich auf einen Querschnitt durch den Kolben 1 entlang der
Linie II-II in 1. Die Kanäle 6 sind als Durchgangsbohrungen
in dem Kolben 1 ausgeführt,
die sich jeweils mit einer ersten und einer zweiten Öffnung 9, 10 in
die Sammelkammer öffnen.
Die Kanäle 6 sind
im wesentlichen parallel zueinander. Allerdings können die
Kanäle
in unterschiedlichen Richtungen in Bezug zueinander angeordnet sein
und sie können
ebenso miteinander verbunden sein, so dass sie miteinander kommunizieren.
Es ist ebenso möglich,
die Kanäle 6 als
einen einzelnen Hohlraum auszuführen.
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Wie
in 1 und 2 zu sehen ist, besteht die
Sammelkammer 7 aus einer Umfangsnut, die in der Seitenfläche 2 angeordnet
ist. Die Nut ist derart gebildet, dass sie unverbranntes Kraftstoff-Luftgemisch
und Verbrennungsgase aufnehmen, die den Kolbenring in der ersten
Kolbenringnut 4 passiert haben. Die Umfangsnut, welche
die Sammelkammer 7 bildet, kann breiter sein als die Kolbenringnuten 4, 5, 8.
Mit der Breite der Nut ist die Abmessung der Nut in der Axialrichtung
des Kolbens 1 gemeint.
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Das
Zusammenwirken des Kolbens 1 mit einem Zylinder 12 in
einem Verbrennungsmotor 11 wird in Verbindung mit 3 erläutert. Blow-by-Gase,
die während
des frühen
Expansionshubes des Kolbens 1 über den ersten Kolbenring 13 benachbart
zu der oberen Kolbenfläche 3 strömen, werden
in der Sammelkammer 7 und in den Kanälen 6 durch den zweiten
Kolbenring 14 in der zweiten Kolbenringnut 5 auf der
anderen Seite der Sammelkammer 7 gehalten. Wenn der Kolben 1 das
meiste seines Expansionshubes abgeschlossen hat, wird die Sammelkammer 7 mit
einem Evakuationskanal verbunden, der sich in den Zylinder 12 öffnet. Der
Evakuationskanal 15 ist mit einem Einlasskanal (nicht gezeigt)
des Motors 11 verbunden. Das unter Druck befindliche blow-by-Gas kann
sich nun expandieren und zu dem Einlasskanal über den Evakuationskanal 15 evakuiert
werden. Es wird keine zusätzliche
Luft oder kein zusätzliches Gas
verwendet, um das blow-by-Gas auszupressen. Stattdessen wird das
Gas durch seinen eigenen Druck evakuiert. Wenn der Kolben 1,
nachdem er den unteren Totpunkt passiert hat, beginnt, sich während des
Auslasshubes nach oben zu bewegen, kann jegliche Restmenge von Gas
evakuiert werden, da die Sammelkammer 7 während der
anfänglichen Hochbewegung
des Kolbens 1 noch in Kommunikation mit dem Evakuationskanal 15 ist.
Falls blow-by-Gas in der Kammer 7 und in den Kanälen 6 während des
abschließenden
Abschnitts des Auslasshubes und während des meisten des Einlasshubes
verbleiben sollte, kann diese Gasmenge zu dem Einlasskanal evakuiert
werden, wenn die Kammer 7 und der Evakuationskanal 15 wieder
miteinander verbunden sind.
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Bei
allen Betriebstakten ist somit die Sammelkammer 7 während bestimmter
Perioden mit dem Evakuationskanal 15 verbunden, und dies
stellt sicher, dass die Sammelkammer 7 und die Kanäle 6 zu Beginn
jedes Expansionshubes entleert werden. Um eine gute Kommunikation
zwischen der Sammelkammer 7 und dem Evakuationskanal 15 sicherzustellen, ist
die Breite der die Sammelkammer 7 bilden Umfangsnut annähernd gleich
der Höhe
der Öffnung 16 des
Evakuationskanals 15 in dem Zylinder 12. Die Höhe der Öffnung 16 bedeutet
in diesem Falle das Ausmaß der Öffnung 16 in
der Axialrichtung des Zylinders 12. Die Höhe der Seitenfläche 2a des
Kolbens 1 zwischen der Sammelkammer 7 und der
Kolbenringnut 4 und der Fläche 2b zwischen der
Kolbenringnut 5 und der Kammer 7 sollte jeweils
größer oder gleich
der Höhe
der Öffnung 16 des
Evakuationskanals 15 sein. Auf diese Weise wird verhindert,
dass blow-by-Gase über
die Seitenflächen 2a, 2b zwischen
der Sammelkammer 7 und den Kolbenringnuten 4, 5 strömen.
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Einer
oder mehr Kanäle 6 in
dem Kolben 1 stellen zusammen mit der Sammelkammer 7 einen relativ
großen
Raum in dem Kolben 1 zum Aufnehmen eines relativ großen Volumens
von blow-by-Gas während
des Betriebszyklus des Motors 11 bereit. Durch die Abmessungen
des in dem Kolben 1 gebildeten Raumes kann der Druck des
Gases in diesem Raum vermindert werden, und eine Leckage von Gas über den
zweiten Kolbenring 14 kann minimiert werden.
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Ein
Teil der HC-Emission, die in dem Katalysator eines herkömmlichen
Motors neutralisiert werden muss, wird durch die Menge unverbrannten Kraftstoff-Luftgemisches
verursacht, das über
den ersten Kompressionsring während
des Kompressionshubes gepresst und zwischen den Kolbenringen eingefangen
wird. Dieses Gemisch strömt
normalerweise zurück
zu der Brennkammer, sogenannter umgekehrter blow-by, wenn der Druck
dort während
des Expansionshubes geringer ist als der Druck in dem Gemisch zwischen
den Ringen. Allerdings kann dieses Kraftstoff-Luftgemisch sich ansammeln
und zu spät
zu der Brennkammer zurückkommen,
um zu verbrennen und zur Leistung des Motors beizutragen. Mit Hilfe
des Evakuationskanals 15 kann das unverbrannte Kraftstoff-Luftgemisch von der
Kammer 7 und den Kanälen 6 evakuiert
werden, bevor der Druck in der Brennkammer so niedrig wird, dass
das Gemisch über
den ersten Kolbenring 13 und zurück in die Brennkammer strömen kann.
Durch Beseitigen dieses „umgekehrten
blow-by" wird die
Menge der HC-Emission im Abgas vermindert, was bedeutet, dass die
Größe, das
Gewicht und somit die Kosten des Katalysators vermindert werden
können,
während
gleichseitig seine Lebensdauer erhöht werden kann.
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Wie
in 3 zu erkennen ist, kann der Kolben mit einem Schirm 17 ausgestattet
sein, der als bewegliches Ventilelement dient, welches das Kolbengehäuse 18 mit
dem Einlasskanal von dem oberen Totpunkt des Kolbens 1 etwa
bis zur Hälfte
durch einen Kolbenhub verbindet. Auf diese Weise wird das Druckdifferential
zwischen dem Kolbengehäuse 18 und
dem Einlasskanal vermindert. Ein Schließen des Evakuationskanals 15 verursacht
eine Verminderung des innerzyklischen Druckpulseffekts in dem Kolbengehäuse 18,
der andernfalls zu einem erhöhten Ölverbrauch
durch Übertragen
von Öl
in Suspension zu der Brennkammer führen würde. Der relativ niedrige Druck
in dem Kurbelgehäuse 18 bei
einer geringeren oder mittleren Drosselöffnung trägt zu einer Verminderung negativer
Effekte dieser inneren Druckpulse bei, wodurch ermöglicht wird,
den Motor 11 mit einem geringeren Kurbelgehäusevolumen
zu dimensionieren als dies bisher möglich gewesen ist.