-
Die Erfindung betrifft einen Motor
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Insbesondere
betrifft die Erfindung den Kolben des Motors.
-
Der Kolben eines Motors hat erheblichen Einfluss
auf die Betriebseigenschaften des Motors. Es ist Ziel der gegenwärtigen Entwicklung,
Motoren zu schaffen, die hohe Wirkungsgrade, hohe Lebensdauer und
geringe Abgasemissionen haben. Dazu werden unterschiedliche Maßnahmen
getroffen, die von einer Optimierung der mechanischen Gestaltung des
Motors über
die Optimierung des Motormanagements bis zu einer Optimierung der
Abgasnachbehandlungsanlagen gehen.
-
Aus der
US-PS 6,155,157 ist ein
für einen Dieselmotor vorgesehener
Kolben bekannt, der aus mehreren Einzelteilen zusammengebaut ist.
Der Kolbenboden und der unmittelbar anschließende, die Kolbenringe tragende
Teil des Kolbenhemds bilden einen oberen Kolbenteil, der mechanisch
mit weiteren Teilen (dem Schaft) des Kolbens verbunden ist. Dabei
steht der obere Kolbenteil über
zwei zueinander konzentrische, horizontale, ringförmige Planflächen mit
einem darunter angeordneten Stützteil
in Berührung.
Diese Bauform soll dazu dienen, die auf den Kolbenboden einwirkenden
Biegekräfte
besser auf das Kolbenhemd (unter Teil des Kolbens) zu übertragen.
-
Aus der
US-PS 6,164,261 ist ein
ebenfalls für einen
Dieselmotor vorgesehener Kolben bekannt, bei dem der scheibenförmige Kolbenboden
wie bei dem vorstehenden Beispiel an seiner Umfangsfläche Kolbenringnuten
aufweist. Der Kolbenboden ist von dem übrigen Kolben getrennt, wobei
er jedoch über
eine Planfläche
mit diesem in Anlage steht. Bolzen halten beide Teile fest zusammen.
-
Aus der
US-PS 5,724,933 geht hingegen
ein Kolben hervor, der im Prinzip dreiteilig aufgebaut ist. Auf
das Kol-benhemd
ist stirnseitig ein Trägerelement
mit zylindrischer Mantelfläche
aufgesetzt, das an seiner Mantelfläche die Kolbenringnuten aufweist. Auf
dem Trägerelement
sitzt der eigentliche Kolbenboden, der über mehrere ringförmige Planflächen an dem
Trägerelement
anliegt und mit einem zentralen Bolzen mit dem Trägerelement
verbunden ist.
-
Diese Bauform hat einen relativ großen Abstand
der Kolbenbodenfläche
von den Kolbenringnuten zur Folge, wodurch sich in dem entstehenden Spalt
zwischen dem Kolbenmantel und der Lauffläche der Zylinderbuchse oberhalb
des ersten Kolbenrings Abgasemissionen bilden können.
-
Aus der
US-PS 5,499,572 ist ein
mehrteiliger Kolben bekannt, dessen Kolbenhemd bspw. aus Kunststoff
besteht. Der Kolbenboden ist mit dem Kolbenhemd fest verbunden und
besteht aus Metall. Der Kolbenboden umfasst auch einen Teil der
Mantelfläche
und trägt
wenigstens eine Kolbenringnut.
-
Aus der
US-PS 4,649,806 ist ein
Kolben mit keramischem Kolbenboden bekannt. Der keramische Kolbenboden
wird durch eine Keramikscheibe gebildet, die in einer Fassung sitzt.
Die Fassung umgibt die Keramikscheibe mit einem ringförmigen Rand, der
an seiner zylindrischen Außenseite
einen Teil der Lauffläche
des Kolbens bildet. Die Fassung ist formschlüssig mit dem übrigen Kolben
verbunden.
-
Bei dieser Anordnung ergeben sich
tiefe Schadspalten als Spalt zwischen der Umfangsfläche des
Fassungselements und der Lauffläche.
Diese Anordnung ist hinsichtlich der Abgasemission nicht optimal.
-
Aus der
US-PS 4,667,627 ist eine
weitere Ausführungsform
eines Kolbens mit keramischem Kolbenboden bekannt. Der keramische
Kolbenboden wird durch ein scheibenförmiges Keramikelement gebildet,
das an seiner dem Brennraum abgewandten Seite eine zapfenartige
Verlängerung
hat. Diese ist in einem Metallring gefasst, der ein Außengewinde trägt und mit
dem übrigen
Kolben verschraubt ist. Die Kolbenringe sind bei dieser Anordnung
wegen der unvermeidbaren Dicke der Keramikscheibe tief (in erheblichem
Abstand zu der Kolbenstirnfläche)
angeordnet. Es ergeben sich im weiteren sowohl zwischen der Außenumfangsfläche der
Keramikscheibe und der Lauffläche
als auch unterhalb der Keramikscheibe Schadspalte, die zur Abgasemission
beitragen.
-
Davon ausgehend ist es Aufgabe der
Erfindung, einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der geringe Abgasemissionen
ermöglicht.
Darüber
hinaus soll ein entsprechender Kolben geschaffen werden.
-
Diese Aufgabe wird mit einem Verbrennungsmotor
gelöst,
der die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.
-
Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor weist
einen Kolben auf, dessen Kolbenboden durch ein von dem übrigen Kolben
gesondertes, im wesentliches scheibenförmiges Element gebildet wird.
Der Kolbenboden weist eine Anlagefläche auf, die mit einer Anlagefläche des
Kolbenhemds in dauernder Verbindung steht. Die beiden Anlageflächen definieren
somit eine geschlossene Trennfuge die dauernd geschlossen bleibt.
Die Anlageflächen
heben voneinander nicht ab. Zur Herstellung dieser Verbindung dient
ein Verbindungsmittel, das die Anlageflächen gegeneinander spannt.
Dadurch wird bewirkt, dass die Fuge ständig geschlossen bleibt, andererseits aber
Mikrobewegungen parallel zu den Anlageflächen möglich sind. Dies hat erheblichen
Einfluss auf die Betriebseigenschaften des Motors. Während der Kolbenboden
mit dem Brennraum in Berührung
steht und somit relativ hohe Temperaturen annehmen kann, steht das
Kolbenhemd mit der Zylinderlauffläche in Berührung und wird von dieser relativ
kühl gehalten.
Demzufolge ergibt sich eine Temperaturstufung, d.h. die Temperatur
des Kolbenbodens ist in der Regel größer als die Temperatur des
Kolbenhemds. Die Wärmeausdehnung
des Kolbenbodens ist somit auch größer als die des Kolbenhemds.
Die federnde Spannung des Kolbenbodens gegen das Kolbenhemd hält den Kolbenboden
zwar permanent an dem Kolbenhemd, jedoch kann sich die Anlagefläche des Kolbenbodens
gegen die Anlagefläche
des Kolbenhemds, bspw. infolge einer Wärmeausdehnung des Kolbenbodens
verschieben. Somit kann der Kolbenboden das Kolbenhemd nicht aufweiten,
wenn er sich ausdehnt. Der sich daraus ergebende unmittelbare Vorteil
ist, dass die Wärmeausdehnung
des dem Kolbenboden nahen Teils der Lauffläche des Kolbens nicht mehr
von der Temperatur des Kolbenbodens, sondern nur von der niedrigeren
Temperatur des Kolbenhemds bestimmt wird.
-
Ein solcher Kolben kommt, wie Experimente gezeigt
haben, mit deutlich geringerer Schmierung aus als ein herkömmlicher
Kolben. Die fehlende Übertragung
der Wärmeausdehnung
von dem Kolbenboden auf das Kolbenhemd hat zur Folge, dass der Kolben
seine Größe in Betrieb
weniger ändert und
infolge dessen mit geringerem Einbauspiel auskommt.
-
Das Federmittel ist vorzugsweise
so gestaltet, dass die auf die Anlageflächen ausgeübte Kraft größer ist,
als jede bei Betrieb des Motors auftretende und auf den Kolbenboden
in Gegenrichtung wirkende Kraft. Dadurch wird ein Abheben der Anlageflächen voneinander
verhindert. Außerdem
aber ist die von dem Federmittel ausgeübte Kraft immerhin noch so
gering, dass die Anlageflächen
in Richtung der Trennfuge aufeinander gleiten können, so dass Mikrobewegungen
infolge unterschiedlicher Wärmedehnungen
möglich
sind. Die Haft- und Gleitreibung zwischen den Anlageflächen ist
geringer als die durch unterschiedliche radiale Ausdehnung von Kolbenboden
und Kolbenhemd entstehende Kraft. Um dies zu erreichen ist das Federmittel
vorzugsweise als Flachfeder ausgebildet, die etwa mittig mit der Unterseite
des Kolbenbodens verbunden ist. Die beiden Enden der Flachfeder
stützen
sich an dem Kolbenhemd ab. Die Flachfeder dient als Befestigungselement
und gestattet keine nennenswerte Axialbewegung des Kolbenbodens.
Die Feder ist insofern hart.
-
Die Anlageflächen sind vorzugsweise Konusflächen. Dies
hat eine Selbstzentrierung des Kolbenbodens an oder in dem Kolbenhemd
zur Folge. Außerdem
ergibt sich eine konische Trennfuge. Die Konusflächen sind vorzugsweise so ausgebildet, dass
die Trennfuge nicht durch die Lauffläche des Kolbens verläuft, sondern
durch seine Stirnfläche, die
an den Brennraum grenzt. Die Trennfuge ist dabei ringförmig und
vorzugsweise in einem geringen Abstand zu der äußeren Mantelfläche des
Kolbens angeordnet. Der Abstand beträgt vorzugsweise etwa 1 mm,
so dass die Kolbenstirnfläche
in einen schmalen ringförmigen äußeren Bereich
noch von dem das Kolbenhemd bildenden Kolbenteil und ansonsten von dem
eingesetzten Kolbenboden gebildet wird. Der Abstand zwischen dem äußeren Rand
des Kolbenbodens und der Lauffläche
ist mindestens so groß, dass
auch bei der größten zu
erwartenden Ausdehnung des Kolbenbodens keine Berührung zwischen der
Lauffläche
und dem äußeren Rand
des Kolbenbodens auftritt. Dazu genügt ein Abstand im Bereich von
1/2 bis 2 mm. Der Abstand wird jedoch vorzugsweise nicht zu groß gemacht,
um die zu dem Kolbenhemd gehörende
Stirnfläche,
die mit dem Brennraum in Verbindung steht, möglichst gering zuhalten. Beispielsweise
wird der den Kolbenboden umgebenden ringförmige Bereich des Kolbenhemdteils
vorzugsweise schmaler sein als die Tiefe einer Kolbenringnut.
-
Die konische Fuge zwischen Kolbenfuge
und Kolbenhemd hat den Vorteil, dass Kolbenringe relativ hoch, d.h
nahe an dem brennraumseitigen Ende des Kolbens angeordnet werden
können.
Etwaige mit dem Brennraum in Verbindung stehende offene Spalten
die zur Abgasemission beitragen, werden so mit minimiert. Der Kolben
kann wegen der geringeren Radialdehnung mit geringerem Einbauspiel
eingebaut werden, was die Abgasemission weiter verbessert. Dieser
Aspekt ist insbesondere beim Viertaktmotor von Bedeutung.
-
Die konischen Anlageflächen des
Kolbenbodens und des Kolbenhemds sind vorzugsweise etwa mit einem
Winkel von 60° zur
Kolbenlängsachse
geneigt. Dadurch ist die in Folge der thermischen Ausdehnung des
Kolbenbodens auftretende Axialbewegung des Kolbenbodens gegen den
sonstigen Kolben ausreichend gering und andererseits wird die radiale
Ausdehnbewegung des Kolbenbodens nicht wesentlich auf das Kolbenhemd übertragen.
Hier werden Winkel von 45 – 80° zur Kolbenlängsachse als
praktikabel angesehen, wobei 60° den
derzeit bevorzugten Wert darstellt.
-
Die flächige Anlage zwischen Kolbenboden und
Kolbenhemd führt
ohne Verwendung zusätzlicher
Dichtungsmittel zu einer sehr guten und somit ausreichenden Gasdichtigkeit
des Kolbens. Außerdem
führt die
Trennfuge zur Hemmung eines Wärmeübergangs
von dem Kolbenboden auf den übrigen Kolben.
Das Kolbenhemd, das durch die Berührung mit der Zylinderlauffläche gekühlt ist,
kann somit etwas kühler
bleiben – der
Kolbenboden kann eine etwas höhere
Temperatur annehmen als bei einem ungeteilten Kolben. Der flächige Kontakt
zwischen dem Kolbenboden und dem Kolbenhemd stellt aber noch immer
einen ausreichenden Wärmeübergang
sicher, um eine Überhitzung
und somit Zerstörung
des Kolbenbodens auszuschließen.
-
Bedarfsweise können der Konuswinkel der Anlagefläche des
Kolbenbodens und der Anlagefläche
des Kolbenhemds auch unterschiedlich gewählt sein. Dadurch ist es möglich, den Kolbenboden
insbesondere in der Außenzone
seiner Anlagefläche, mit
der entsprechenden Anlagefläche
des Kolbenhemds in Berührung
zu bringen. Weiter zur Mitte hin entsteht dann ein Abstand, der
den Wärmeübergang stärker hemmt.
Dies kann vor allem dann Bedeutung haben, wenn der Kolbenboden aus
einem anderen Material besteht als der übrige Kolben, bspw. aus einem
höher schmelzenden
Material wie Titan oder Keramik.
-
Als bevorzugtes Material für den Kolbenboden
eignet sich bei höheren
thermischen Kolbenbelastungen beispielsweise Gamma-Titan-Aluminium. Seine
geringe Dichte ermöglicht
große
Motordrehzahlen, seine hohe Temperaturbeständigkeit auch den Einsatz bei
thermisch hoch belasteten Motoren.
-
Es ist auch möglich, den Kolbenboden mit
einer Beschichtung zu versehen. Z.B, kann die Beschichtung allein
an seiner brennraumseitigen Stirnfläche vorgenommen werden. Möglich sind
insbesondere Keramikbeschichtungen, Hartstoffbeschichtungen, wärmeisolierende
Beschichtungen usw. Dagegen kann das Kolbenhemd unbeschichtet bleiben oder
mit einer anderen Beschichtung versehen werden. Z.B, kann dies eine
auf die tribologischen Eigenschaften hin ausgewählte Beschichtung (Kohlenstoffbeschichtung
o.ä.) sein.
Auf diese weise können
in unterschiedlichen Beschichtungsprozessen zu erzeugende Beschichtungen
an dem Kolbenboden und der Lauffläche des Kolbenhemds ausgebildet
werden.
-
Die im Bereich der Kolbenstirn mündente Fuge
ist zu dem Brennraum hin beschlossen und stellt kein Reservoir zur
Erzeugung von schädlichen Emissionen
dar. Die Abdichtung wird durch direkte flächige Berührung der Anlageflächen erreicht.
Zusätzlich
kann, wenn gewünscht,
ein Dichtungsmittel vorgesehen sein. Dieses ist bspw, ein wärmebeständiger,
in einer entsprechenden Ringnut untergebrachter Ring. Dieser hindert
die Mikrobewegung des Kolbenbodens gegen das Kolbenhemd nicht.
-
Der Motor kann als Zweitaktmotor
oder als Viertaktmotor ausgebildet sein. In seiner Ausbildung als
Zweitaktmotor kann das Kurbelgehäuse
als Spülpumpe
genutzt werden. Der Motor kann sowohl mit Gemischzuführung als
auch mit Kraftstoffeinspritzung und sowohl als selbstgezündeter Motor
als auch als fremdgezündeter
Motor (Diesel oder Otto) ausgebildet sein. In seiner bevorzugten
Ausführungsform
ist der Motor ein Zweitaktmotor mit Gemischzuführung durch das Kurbelgehäuse und
Gemischschmierung. Es hat sich gezeigt, dass der Motor ohne sonstige
Hilfsmaßnahmen
mit einem Kraftstoff/Öl-Gemisch
von 1:200 unter Volllast stabil läuft, ohne nennenswerte Verschleißerscheinungen
zu zeigen. Selbst bei noch geringeren Ölzusätzen (weniger als 1:200) und
mehrhundertstündigem
Betrieb, befindet sich Öl
in ansehnlicher Menge in flüssiger
Form in dem Motor. Dies ist auch dann der Fall, wenn die Verdichtung
des Motors noch erhöht
wird. Auf diese Weise kann der Kraftstoffverbrauch des entsprechenden
Zweitaktmotors, gegenüber
einem herkömmlichen
Serienmotor, merklich gesenkt werden. Die Betriebskosten sinken
außerdem
infolge des niedrigeren Ölbedarfs.
Die Lebensdauer ist in keiner Weise beeinträchtigt, sondern eher noch erhöht.
-
Die Befestigungseinrichtung für den Kolbenboden
(z.B. eine scharfkantige Haltefeder, die sich etwa parallel zu dem
Kolbenboden erstreckt und mit diesem enge Strömungskanäle begrenzt) kann beim Zweitaktmotor
als Ölabscheider wirken.
Infolge der hohen Relativgeschwindigkeit zwischen Kolben und Gas
im Kurbelgehäuse
kann das Befestigungselement zum Niederschlag des Öls aus dem
vorhandenen feinen Ölnebel
beitragen. Anstelle der Haltefeder können auch andere in dem Kolben
vorgesehene, vorzugsweise scharfkantige Elemente als Ölabscheider
dienen. Die Haltefeder steht lediglich mit ihren Enden und ihrer
Mitte mit dem Kolben in wärmeübertragender
Verbindung. Sie kann deshalb relativ kalt bleiben, was die Ölabscheidewirkung
unterstützt.
-
Infolge des geringen Ölgehalts
des zugeführten
Benzin-Luftgemischs,
ergeben sich Abgase mit sehr geringen Anteilen öliger Kohlenwasserstoffe. Die
verbleibenden Abgase können
ohne Schwierigkeiten mit Katalysatoren nachbehandelt werden. Der resultierende
Zweitaktmotor ist sauber, betriebssicher und effektiv.
-
Die Mantelfläche des Kolbenhemds ist vorzugsweise
wie bei einem herkömmlichen
Kolben ausgebildet. Sie weicht von der exakten Zylinderform ab,
wobei der größte Durchmesser
im Bereich des Kolbenbolzen auftritt. Zum Kolbenboden hin und zum unteren
Schaftende des Kolbens hin ist der Durchmesser verringert. Außerdem weicht
der Querschnitt von der Kreisform ab. Diese Formabweichung von der
Zylinderform kann bei dem erfindungsgemäßen Kolben reduziert werden – zumindest
soweit sie der Verformung durch Ausdehnung des Kolbenbodens geschuldet
war. Diese Vorteile des erfindungsgemäßen Kolbens lassen sich auch
bei Einsatz in einem Viertaktmotor nutzen, der hinsichtlich der
Schmierung der Lauffläche
weniger kritisch ist als ein Zweitaktmotor.
-
Beim Einsatz in einem Viertaktmotor
ist es auch möglich,
den erfindungsgemäßen Kolben
exakt zylindrisch, oder wenigstens weit an die exakte Zylinderform
angenähert
auszubilden. Die thermische Verformung eines solchen Kolbens ist
wegen der fehlenden Radialkraftübertragung
zwischen Kolbenboden und Kolbenschaft oder -Hemd weitaus geringer als
es bei herkömmlichen
Kolben, bei denen der Kolbenboden mit dem Kolbenhemd einstückig verbunden
oder eine die Lauffläche
bildende Umfangsfläche aufweist.
Insbesondere kann das Kolbenhemd einen kreisförmigen Querschnitt erhalten.
Die im Querschnitt kreisförmige
sowie ansonsten tonnenförmige oder
zylindrische Ausbildung des Kolben gestattet weitgehend betriebstemperaturunabhängig verbesserte
Laufeigenschaften.
-
Wird ein Katalysator zur Abgasreinigung
eingesetzt, wird es als vorteilhaft angesehen, diesen in einem Gehäuse unterzubringen,
so dass das Abgas den Katalysator zunächst umströmt bevor es ihn durchströmt. Dadurch
können
Katalysatorelemente mit hoher Zellenzahl verwendet werden, die einen
erhöhten
Strömungswiderstand
aufweisen. Außerdem wird
eine gleichmäßige Erwärmung des
Katalysators erreicht.
-
Es hat sich gezeigt, dass es von
großem
Vorteil sein kann dem Abgas Luft zuzuführen, bevor es dem Katalysator
zugeführt
wird. Der Luftanteil kann einige Prozent des Abgasstrom betragen
und von einer gesonderten Pumpe eingeführt werden. Die Beimischung
in den Abgasstrom mittels Strahlpumpenprinzip ist ebenso möglich. Dadurch
kann der Sauerstoffanteil des Abgases erhöht werden, um die Katalysatorwirkung
zu verbessern.
-
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
-
1 einen
erfindungsgemäßen Motor
in prinzipdarstellung (geschnitten),
-
2 eine
Ausführungsform
eines Kolbens für
den Motor nach 1 in
Schnittdarstellung,
-
3 den
Kolbenboden des Kolbens nach 2 in
einer Ansicht von unten,
-
4 eine
Befestigungsfeder für
den Kolbenboden nach 3 in
Draufsicht,
-
5 ein
Sicherungselement für
die Befestigungsfeder nach 4 in
Draufsicht,
-
6 einen
für einen
Viertaktmotor vorgesehenen Kolben in Schnittdarstellung,
-
7 den
Kolben nach 6 mit seinem Kolbenboden
in Explosionsdarstellung,
-
8 den
Kolben nach 7 in Draufsicht,
-
9 den
Kolbenboden nach 7 in Draufsicht,
-
10 den
Kolbenboden in einer Ansicht von unten,
-
11 eine
Haltefeder für
den Kolbenboden in Draufsicht,
-
12 ein
Befestigungselement für
die Haltefeder in Draufsicht und Seitenansicht und
-
13 einen
Zweitaktmotor mit einem Frischöldosiersystem.
-
In 1 ist,
als Beispiel für
einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor,
ein im Zweitakt arbeitender Motor 1 veranschaulicht, der
einen Zylinder 2 mit zylindrischer Zylinderbuchse 3 aufweist.
Der Motor 1 ist fremdgezündet sein Zylinderkopf 4 ist
mit einer Zündkerze 5 versehen.
-
An der gegenüberliegenden Seite ist der
Zylinder 1 mit einem Kurbelgehäuse 6 versehen, in
dem eine Kurbelwelle 7 drehbar gelagert ist. Auf dem Kurbelzapfen 8 ist
ein Pleuel 9 gelagert, wobei die entsprechende Lagerung 11 als
gemischgeschmiertes Rollenlager ausgebildet ist. Das Pleuel 9 ist
an seinem Pleuelauge 12 mit einem Kolben 14 verbunden, der
in der Zylinderbuchs 3 geführt ist. In dem Pleuelauge 12 ist
eine gemischgeschmierte Lagerung 15 für einen Kolbenbolzen 16 angeordnet.
-
Das Kurbelgehäuse 6 dient als Pumpvolumen.
Es ist über
einen geeigneten Einlass, bspw. einen Schlitzeinlass, einen Drehschiebereinlass
oder dargestellt über
einen Membraneinlass 17, mit einer Gemischaufbereitungseinrichtung
wie einem Vergaser verbunden. Dieser dient der Erzeugung eines Kraftstoffluftgemischs.
Andere Gemischerzeugungseinrichtungen, wie Kraftstoffeinspritzung
und Dergleichen, können
alternativ oder zusätzlich
vorgesehen sein.
-
Von dem Kurbelgehäuse 6 führt wenigstens ein Überströmkanal 18 zu
wenigstem einem Überströmschlitz 19,
der oberhalb des unteren Totpunkts des Kolben 14 angeordnet
ist. Vorzugsweise sind mehrere Überströmkanäle 18 und Überströmschlitze 19 vorgesehen.
Oberhalb des unteren Totpunkts des Kolben 14 ist außerdem ein
Einlassschlitz 21 vorgesehen, der an einem Abgaskanal 22 angeschlossen ist.
Dieser enthält
eine Katalysatoranordnung 23. Diese ist in einem Gehäuse 24 untergebracht,
dessen Innenraum an ein Abgasrohr 25 angeschlossen ist.
Der Innenraum des Gehäuses 24 bildet
eine Ausgleichskammer (Puffervolumen). In dieser sitzt ein weiteres
Gehäuse 26,
das mit dem Gehäuse 24 gewissermaßen ein
doppelwandiges Gehäuse
bildet. Das Gehäuse 26 weist
eine offene Seite auf, in der ein Katalysator 27 angeordnet
ist. Dieser weist bei einem Motor 1 mit einem Hubraum von
63 cm3 bspw. 400 Katalysatorzellen auf.
Das Gehäuse 26 ist
allseitig von Abgas umgeben. Aus ihm heraus führt eine Leitung über einen
Abgasschaltdämpfer 28 ins
Freie.
-
Das Abgasrohr 25 kann ein
Element 31 zur Wirbelbildung enthalten, das bspw. durch
die Parallelschaltung eines kurzen und eines lagen Gaswegs gebildet
ist. Außerdem
ist es möglich,
in das Gehäuse 24 zusätzlich Luft
einzuleiten. Ein entsprechender Lufteinlass 31 ist in 1 symbolisch dargestellt. Dieser
kann an eine Luftpumpe angeschlossen sein, die von dem Motor 1 angetrieben
wird und einen Volumenstrom fördert,
der etwa im Bereich von 1-5 % des Abgasvolumenstroms liegt.
-
Eine Besonderheit des Motors 1 liegt
in dem Kolben 14, der gesondert in 2 veranschaulicht ist. Der Kolben 14 weist
ein ungefähr
zylindrisches Kolbenhemd 33 auf, das eine Querbohrung 34 für den Kolbenbolzen 16 aufweist.
Ansonsten weist das Kolbenhemd 33 die übliche Bauform eines Zweitakt-Kolbens
auf – es
trägt in
einem der oberen Stirnkante 35 benachbarten Bereich, Kolbenringnuten 36, 37.
In diesen sitzen nicht weiter veranschaulichte Verdrehsicherungen
für Kolbenringe.
Die obere Kolbenringnut 36 ist in einem Abstand zu der
Stirnkante 35 angeordnet, der zweckentsprechend gering
ist – bspw.
ist er so groß wie
der Abstand der Kolbenringnuten 36, 37 untereinander.
-
Der Kolben 14 weist einen
baulich von dem Kolbenhemd 33 getrennten Kolbenboden 38 auf.
Seine Außenkontur
entspricht wiederum der eines herkömmlichen Zweitaktkolbens – seine
Stirnfläche 39 ist
sphärisch
gewölbt.
Der Kolbenboden 38 besteht vorzugsweise aus dem gleichen
Material wie das Kolbenhemd 33 – z.B. Aluminiumguss.
-
Der Kolben ist zweiteilig, d.h. das
Kolbenhemd 33 ist ein gesondertes buchsenartiges Teil.
An seiner Oberseite weist es eine kegelstumpfförmige Einsenkung auf, die eine
konische Anlagefläche 41 festlegt.
Die ringförmige
Anlagefläche 41 kann
in einer Planfläche 42 übergehen,
die jedoch nicht mehr als Anlagefläche dient. Die Anlagefläche 41 weist
einen Kegelwinkel von etwa 120° oder
auch etwas mehr auf. Sie erreicht die äußere Mantelfläche 43 des
Kolbenhemds 33 nicht. Vielmehr endet sie an der Stirnseite
des Kolbenhemds 33 in einem in 2 veranschaulichten Abstand A von
ungefähr
1-2 mm. Die Mantelfläche 43,
die zugleich die Kolbenlauffläche
ist, ist ungeteilt. Sie erstreckt sich von der Stirnseite des Kolbens,
die unmittelbar an den Brennraum grenzt, bis zu dem kurbelkammerseitigen
Ende des Kolbens.
-
Der Kolbenboden 38 ist gesondert
in 3 mit Blick auf seine
Unterseite veranschaulicht. Der Kolbenboden 38 weist eine
ringförmige
Anlagefläche 44 auf,
die, wie aus 2 hervorgeht,
konisch (kegelstumpfförmig)
ausgebildet ist. Der Kegelwinkel stimmt mit dem Kegelwinkel der
Anlagefläche 41 überein.
An seinem äußeren Rand
läuft der
Kolbenboden 38 in einer scharfen Kante 45 aus.
Die Kante 45 ist von Flächen
begrenzt, die sich an der Kante im spitzen Winkel schneiden. An
seiner Innenseite geht die Anlagefläche 44 in eine Planfläche 46 über, die
im montierten Zustand jedoch nicht an der Planfläche 42 anliegt.
-
Etwa in der Mitte des Kolbenbodens 38 ist ein
Haltezapfen 47 vorgesehen, der in den Kolbenboden 38 eingesetzt
oder einstückig
mit diesem ausgebildet sein kann. Der Haltezapfen 57 weist
einen hammerförmigen,
in Draufsicht rechteckigen Kopf 48 auf, der zum Ansatz
einer in 4 gesondert
veranschaulichten Haltefeder 49 dient. Diese weist eine
im Umriss mit dem Kopf 48 übereinstimmende Mittelöffnung 51 auf,
die in einem etwa recheckigen Mittelteil der Haltfeder 49 angeordnet
ist. An beiden Seiten schließt
sich an, am Mittelteil jeweils ein Auflageabschnitt 52, 53 an,
der an seinen äußeren Rand
einer kreisförmigen
Krümmung
folgt und dazu dient, an einer an dem Kolbenhemd 38 vorgesehenen
Innenschulter 54 anzuliegen. Diese ist etwa auf gleicher Höhe mit dem
Kopf 48 angeordnet oder etwas unterhalb desselben, um der
Haltefeder 49 eine Vorspannung zu geben, wenn diese, wie
in 2 veranschaulicht
ist, zwischen dem Kopf 48 und der Innenschulter 54 gespannt
ist. Die Haltefeder ist ein scharfkantig begrenztes Blechteil.
-
Zur Befestigung der Haltefeder 49 dient
ein in 5 veranschaulichtes
Sperrteil 55. Es weist eine zentrale, im Umriss mit dem
Kopf 48 übereinstimmende Öffnung 56 auf,
sowie zwei Dellen oder Vorsprünge 57, 58,
die neben den langen Kanten der etwa recheckigen Öffnung 56 angeordnet
sind. Ihnen sind an der kurzen Kante der Öffnung 51 ( 4) zugeordnete Aussparungen 61, 62 zugeordnet.
Die Vorsprünge 57, 58 greifen
in die Aussparungen 61, 62 wenn die Haltefeder 49 und
das Sperrteil 55 um 90° verdreht übereinander
liegen.
-
Die Montage geht wie folgt:
-
Der Kolbenboden 38 wird
auf das Kolbenhemd 33 aufgesetzt. Danach wird die Haltefeder 49 so
eingesetzt, dass sie mit ihren Enden an der Innenschulter 54 anliegt
und mit ihrer Öffnung 51 über den Kopf 48 geschoben
ist. Danach wird das Sperrteil 55 über den Kopf 48 geschoben,
bis es hinter den Kopf 38 greift. Dabei spannt es die Haltefeder 49.
Nach Verdrehen des Sperrteils 55 um 90° fassen seine Vorsprünge 55, 58 in
die Einsparungen 61, 62, womit die Montage beendet
und der Kolbenboden 38 an dem Kolbenhemd 33 gesichert
ist. Die von der Haltefeder 49 aufgebrachte Federkraft
ist so groß,
dass der Kolbenboden 38 in jedem Betriebszustand des Motors 1 fest
an das Kolbenhemd 33 angepresst wird und die Anlageflächen 41, 44 nie
außer
Eingriff kommen. Mit anderen Worten, die zwischen beiden Anlageflächen 41, 44 bestehende
Fuge F öffnet
niemals und sie lässt
weder Gas noch Flüssigkeit
in nennenswertem Maße
durchströmen.
-
Der insoweit beschriebene Motor 1 arbeitet wie
folgt:
-
In Betrieb wird der Motor 1 über seinen
Membraneinlass 17 mit Gas/Luft-Gemisch versorgt. Dieses
enthält
geringste Mengen Öl.
Beispielsweise wird der Motor 1 mit einem Öl/Benzin-Gemisch
mit einem Mischungsverhältnis
von 1:200 oder mit noch geringerem Ölanteil versorgt. Er arbeitet
nach dem üblichen
Zweitaktprinzip. Dabei wird bei jedem Takt über den Überströmkanal 18, Gemisch
in den Brennraum gefördert
und im nachfolgenden Arbeitstakt verbrannt. Infolge des Betriebs
des Motors 1 erwärmt sich
der Kolbenboden 38 erheblich. Die Wärme wird, wenn auch durch die
Trennfuge gehemmt, zu einem Teil auf das Kolbenhemd 33 übertragen.
Dieses steht mit der Lauffläche
in Berührung
und wird somit auf einer niedrigeren Temperatur gehalten.
-
Infolge dessen dehnt sich der Kolbenboden 38 in
Radialrichtung stärker
aus als das Kolbenhemd 33. Die aufeinander liegenden und
aneinander gepressten Anlageflächen 41, 44 lassen
aber eine Mikrobewegung in Flächenrichtung
zu, d.h. der Kolbenboden 38 kann sich in Radialrichtung
ausdehnen, ohne dabei das Kolbenhemd 33 aufzuweiten. Seine Ausdehnung
verändert
somit das Einbaumaß des Kolbens 14 nicht.
Dies führt
dazu, dass der Motor 1 mit extrem magerer Schmierung auskommt
ohne sonstige Maßnahmen
zu erfordern. Selbst bei einem Mischungsverhältnis von 1:200 ist, wie Experimente zeigen, Öl auf der
Lauffläche
reichlich vorhanden. Der Motor läuft
relativ "nass". Die Verdichtung
des Motors 1 kann gegenüber
herkömmlichen
Zweitaktmotoren bis an die Klopfgrenze heran erhöht werden, ohne dass der Motor 1 Schaden
nimmt. Aufgrund dessen sowie aufgrund der etwas verminderten Wärmeausleitung über den
Kolbenboden 38, zeigt der Erfindungsgemäße Kolben 14 insbesondere
bei Verwendung in Kleinmotoren eine erhebliche Kraftstoffeinsparung.
Außerdem
ist der Ölgehalt
der Abgase gering, so dass diese ohne größere Schwierigkeiten auch mit
einem sehr feinkanaligen Katalysator 27 nachbehandelt werden
können.
-
6 bis 10 veranschaulicht einen
Kolben zum Einsatz in einem Viertaktmotor. Die wesentliche Besonderheit
dieses Kolbens besteht im Vergleich zu dem vorstehend beschriebenen
Kolben in einer etwas leichteren Ausführung des Kolbenhemds, wie
es bei Viertaktmotoren wegen der fehlenden Steuerfunktion des Kolbens üblich ist,
sowie in einer anderen Formgebung des Kolbenbodens 38.
Außerdem müssen die
Kolbenringe nicht gegen Verdrehung gesichert sein und als letzer
(unterster) Kolbenring kann ein Ölabstreifring
vorgesehen werden. Hinsichtlich des zweiteiligen Aufbaus des Kolbens 14,
wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen. Der Kolbenboden 38 weist
eine konische Einlagefläche 41 auf
und das Kolbenhemd 33 weist eine zugeordnete Anlagefläche 44 auf.
Beide Enden an der Stirnseite des Kolbens, so dass die entstehende
Trennfuge die äußere Lauffläche des
Kolbens 14 nicht erreicht. Die Kegelwinkel der Anlageflächen 41, 44 stimmen
miteinander überein.
Es ist jedoch auch möglich,
den Kegelwinkel der Anlagefläche 44 um
bspw. 1° geringer
zu machen als den in der Anlagefläche 41, um eine streifenförmige Anlage
im Bereich der Kante 45 zu erhalten.
-
Der Kolbenboden 38 weist
eine im wesentliche ebene Stirnfläche auf, die wie aus 7 und 9 hervorgeht, mit einer Tasche 63 für die Ventile
des Motors versehen sein kann.
-
Das Kolbenhemd ist in Draufsicht
nochmals in 8 veranschaulicht.
An die relativ breite Anlagefläche 44 schließt sich
außen
eine ringförmige
Planfläche 64 an,
die mit der Stirnfläche
des Kolbenbodens 38 in einer gemeinsamen Ebene liegt, wodurch der
Brennraum glatt abgeschlossen ist. Die Planfläche trennt den Kolbenboden 38 von
der Zylinderlauffläche.
-
Der Kolbenboden 38 ist mittels
der Haltefeder 49 an dem Kolbenhemd gehalten. Die Haltefeder 49 ist
gesondert in 11 veranschaulicht.
Sie stimmt im wesentlichen mit der Haltefeder für den Zweitaktkolben nach 2 überein. Infolge der etwas flacheren
Bauform des Kolbens ist der Kolbenboden 38 jedoch mit einem
relativ kurzen in Draufsicht rechteckigen Haltezapfen 47 versehen.
Entsprechend ist der den Haltezapfen 47 zweiseitig überragende
Kopf 48 ebenfalls relativ schmal ausgebildet. Die Haltefeder
weist dazu eine in ihrem Umriss dem Kopf 48 entsprechende Öffnung 51 auf, in
deren Schmalseiten zwei Öffnungen
oder Dellen 61, 62 vorgesehen sind. Diese dienen
der Arretierung des Sperrteils 55, dass zwei durch einen
Steg 65 miteinander verbunden Sperrschenkel 66, 67 aufweist.
Diese tragen die Vorsprünge 57, 58 zur
Verriegelung der Haltefeder 49 hinter dem Kopf 48.
-
Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor 1 benötigt für die Kolbenschmierung
lediglich äußerst geringe Ölmengen.
Er ist als Zweitaktmotor ähnlich gemäß 1 aufgebaut. Auf die zur 1 gehörige Beschreibung wird somit
im Zusammenhang mit 13 entsprechend
verwiesen. Der Zweitaktmotor nach 13 arbeitet
mit Luftspülung.
Das Kurbelgehäuse 6 wird
von Luft durchströmt.
Zur Schmierung des Kolbens 14 sowie zweier Kurbelwellenhauptlager 68, 69,
der Lagerung 11 und der Lagerung 15 dient ein Öldosiersystem 71.
Zu diesem gehört
ein Öltank 72,
der eine Öldosierpumpe 73,
beispielsweise eine Zahnradpumpe, speist. Diese fördert über zwei
Leitungen 74, 75 Öl zu den Kurbelwellenhauptlagern 68, 69.
Hier dosiert zugeführtes Öl schmiert zunächst die
Kurbelwellenhauptlager 68, 69. Außerdem wird
durch die Druckschwankungen in dem Kurbelgehäuse 6 und durch die
Drehung der Kurbelwelle 7 aus den Kurbelwellenhauptlagern 68, 69 austretendes Öl zerstäubt, verwirbelt
und somit sowohl zu den Lagerungen 11, 15 als
auch zu der Lauffläche
des Kolbens verbracht. Bedarfsweise können Schmierbohrungen vorgesehen
sein, die durch die Kurbelwelle zu der Lagerung 11, sowie,
falls erforderlich, z.B. durch das Pleuel zu der Lagerung 15 führen. Auch
ohne solche Schmierbohrungen lässt
sich ein derart mit wenig Öl
versorgter Motor zuverlässig
betreiben.
-
Es hat sich gezeigt, dass sich mit
einem Schmiersystem, wie es in 13 veranschaulicht
ist, ein Motor mit äußerst geringem Ölverbrauch
und sauberen Abgasen realisieren lässt. Der Ölverbrauch verhält sich
zu dem Benzinverbrauch bei ausgeführten Beispielmotoren im Verhältnis von
1:400.
-
Der Verbrennungsmotor 1 weist
einen Kolben 14 auf, dessen Besonderheit darin besteht,
dass der Kolbenboden 38 von dem Kolbenhemd 33 durch eine
Trennfuge getrennt ist. Als Haltemittel dient bspw. eine Haltefeder 49,
die so beschaffen und bemessen ist, dass sie den Kolbenboden 38 in
allen Betriebszuständen
fest gegen das Kolbenhemd 33 klemmt. Die zwischen beiden
Teilen definierte Trennfuge ist konisch ausgebildet, so dass einerseits
Dichtigkeit und sicherer Sitz des Kolbenbodens 38 und eine
Zentrierung des selben sowie ein motorater Wärmeübergang erreicht werden, wobei
andererseits die Wärmedehnung
des Kolbenbodens nicht auf das Kolbenhemd übertragen wird. Dehnt sich
der Kolbenboden 38 bei Erwärmung des Motors 1 bei
Betriebstemperatur aus, gleitet seine Anlagefläche 41 auf der Anlagefläche des
Kolbenbodens 38 so dass das Kolbenhemd geometrisch im wesentlichen
unverändert
bleibt. Ein solcher Motor weist einen geringen Ölbedarf eine gute und eine
außergewöhnliche Robustheit
auf. Zweitaktmotoren dieser Bauart lassen sich mit Treibstoffen
betreiben, die weniger als 0,5 % Öl enthalten. Diese macht den
Motor uneingeschränkt
Katalysatorfähig.
-
- 1
- Zweitaktmotor
- 2
- Zylinder
- 3
- Zylinderbuchse
- 4
- Zylinderkopf
- 5
- Zündkerze
- 6
- Kurbelgehäuse
- 7
- Kurbelwelle
- 8
- Kurbelzapfen
- 9
- Pleuel
- 11
- Lagerung
- 12
- Pleuelauge
- 14
- Kolben
- 15
- Lagerung
- 16
- Kolbenbolzen
- 17
- Membraneinlass
- 18
- Überströmkanal
- 19
- Überströmschlitz
- 21
- Auslassschlitz
- 22
- Abgaskanal
- 23
- Katalysatoranordnung
- 24
- Gehäuse
- 25
- Abgasrohr
- 26
- Gehäuse
- 27
- Katalysatoranordnung
- 28
- Schalldämpfer
- 31
- Lufteinlass
- 33
- Kolbenhemd
- 34
- Querbohrung
- 35,
- Stirnkante
- 36,
37
- Kolbenringnut
- 38
- Kolbenboden
- 39
- Stirnfläche
- 41
- Anlagefläche
- 42
- Planfläche
- 43
- Mantelfläche
- A
- Abstand
- 44
- Anlagefläche
- 45
- Kante
- 46
- Planfläche
- 47
- Haltezapfen
- 48
- Kopf
- 49
- Haltefeder
- 51
- Öffnung
- 52,53
- Anlageabschnitt
- 54
- Innenschulter
- 55
- Sperrteil
- 56
- Öffnung
- 57,58
- Vorsprünge
- 61,62
- Aussparungen
- 63
- Taschen
- 64
- Planfläche
- 65
- Steg
- 66,67
- Sperrschenkel
- 68,69
- Kurbelwellenhauptlager
- 71
- Öldosiersystem
- 72
- Öltank
- 73
- Öldosierpumpe
- 74,75
- Leitungen