Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, insbesondere Zweitaktmotor, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs.
Ein derartiger Aufbau eines Verbrennungsmotors ist aus den folgenden Druckschriften bekannt: DE 41 00 256 A1, DE 34 47 663 A1, DE 32 18 311 C2, US 4,512,291, US 4,373,474, DE 41 10 945 A1 und US 2,354,357.
Bei diesen Motoren ist zwischen dem Kolben und der Kurbelwelle eine separate Vorkammer vorgesehen, deren Volumen durch die Kolbenbewegung verändert wird. Da die Kurbelwelle außerhalb dieser Vorkammer liegt, kann das Totvolumen, welches bei herkömmlichen Motoren durch die Kolbenbewegung unverändert bleibt, wesentlich verringert werden. Das Totvolumen kann im Extremfall auf das Volumen des Überströmkanals reduziert werden. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, daS bereits in der Vorkammer das Frischgas auf einen wesentlich höheren Druck vorverdichtet wird als bei den bekannten Verbrennungsmotoren. Strömt dieses auf einen hohen Druck vorverdichtete Frischgas in den Brennraum ein, so wird nicht nur eine bessere Zylinderfüllung erzielt, sondern auch eine effektivere Zylinderspülung erreicht. Der Restgasanteil im Bennraum kann auf Minimum reduziert werden. Besteht das Frischgas lediglich aus angesaugter Luft, so kann in Kauf genommen werden, daß ein Teil dieser in den Brennraum einströmenden vorverdichteten Luft über den Auslaßkanal wieder ins Freie tritt, wodurch der Vorteil erzielt wird, daß die Abgase aus dem Brennraum zu einem noch höheren Anteil ausgespült werden. Dennoch bleibt aufgrund des relativ hohen Druckes des vorverdichteten Frischgases das Füllvolumen hoch.
Die US 2,354,357 zeigt einen Motor, bei dem die zwischen dem Kolben und der Kurbelwelle sich befindende Begrenzungswand durch ein Getriebe verlagert werden kann. Zwar ist dadurch das Vorverdichtungsverhältnis veränderbar, jedoch ist der konstruktive Aufwand hierfür sehr hoch.
Als nachteilig kann bei einem deratigen Motoraufbau angesehen werden, daß die Vorverdichtung des Frischgases in der Vorkammer auf einen festen Wert begrenzt ist, bzw. entsprechend der US 2,354,357 hohe bauliche Vorkehrungen getroffen werden müssen um das Vorverdichtungsverhältnis zu ändern.
Die DE-C-487 030 und die FR-A-2 517 742 zeigen einen Verbrennungsmotor mit einem Kolben, wobei der Kolben zusätzlich zum Kolbenboden einen an seiner der Plenelstange zugewandten Seite einen Deckel aufweist. Dieser Deckel dient jedoch nicht zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem auf einfache Weise eine optimale Vorverdichtung eingestellt und auf einfache Weise verstellt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
Durch die Anordnung des Deckels im Kolben wird die Vorverdichtung auf den gewünschten Wert eingestellt. Soll der Wert der Vorverdichtung geändert werden, so muß lediglich der Kolben gegen einen anderen Kolben mit anders angeordnetem Deckel ausgestauscht werden. Außerdem dient der vom Kolbenboden und Deckel eingeschlossene Raum als Isolationsraum, der ein unerwünschtes Aufheizen des in der Vorkammer sich befindenden Gases verhindert. Durch die Möglichkeit der Volumenänderung der Vorkammer kann das Verdichtungsverhältnis bzw. der Absolut druck in der Brennkammer auf optimale Werte eingestellt werden. Insbesondere sind für Dieselmotoren extrem hohe Drücke erzielbar.
Die verschlossene Seite des Kolbens bildet eine Begrenzungswand für die Vorkammer. Dabei kann der Kolben hohl ausgeführt sein, was den Vorteil hat, daß dieser Hohlraum als thermischer Isolator zwischen dem Hub- und Brennraum und der Vorkammer dient.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, daß die Begrenzungswand im Bereich des Zylinderfußen vorgesehen ist. Hierdurch wird der gesamte Zylinder vom Kolben in die Vorkammer und in den Hub- und Brennraum unterteilt. Deren jeweilige Volumina hängen direkt von der Lage des Kolbens im Zylinder und von der Lage des Deckels ab. Die Verdichtungen sowohl in der Vorkammer als auch im Hub- und Brennraum erfolgen demnach ausschließlich im Zylinder.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Verbrennungsmotor als Boxermotor ausgebildet, wobei insbesondere wenigstens zwei Zylinder einander gegenüberliegen. Dies hat den Vorteil, daß die Energie für die Hauptverdichtung, Vorverdichtung und für das Ansaugen direkt über die Kolbenstange vom einen Kolben auf den anderen Kolben übertragen wird, ohne daß die Kurbelwelle zwischengeschaltet werden muß. An der Kurbelwelle entfällt dann lediglich noch die abzugebende Leistung. Hierdurch können Lagerungen aller Antriebsaggregate kleiner dimensioniert werden, da lediglich die abzugebende Leistung aus dem Kolben-Kolbenstangensystem ausgeleitet wird.
Bevorzugt greift die Kolbenstange in der Mitte des Kolbens an. Hierdurch wird ein symmetrischer Krafteinfluß erzielt, der Kippneigungen des Kolbens auf ein Minimum reduziert. Dies hat den Vorteil, daß der Kolben selbst relativ flach gestaltet werden kann.
Bevorzugt ist die Kolbenstange über Dichtungselemente, z.B. eine Schaftdichtung oder dgl. in der Begrenzungswand dichtend geführt. Diese Dichtungselemente erlauben eine optimale Abdichtung der Vorkammer, so daß in dieser bereits relativ hohe Drücke erzielt werden können. Eine Abdichtung des Kurbelgehäuses gegen Überdruck ist nur noch so weit erforderlich, daß keine Fluide aus dem Kurbelgehäuse austreten können. Das Kurbelgehäuse kann auch mit einer Entlüftung versehen sein.
Für die Übertragung der abzugebenden Leistung an den Abtrieb ist die Kolbenstange über eine Kulisse, Schwinge oder dgl. mit der Kurbelwelle verbunden. Über diese Kulisse wird die hin- und hergehende Bewegung der Kolbenstange in eine Drehbewegung umgesetzt.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Vorkammer mit einem ein Einlaßventil aufweisenden Einlaßkanal, und bei einer Weiterbildung der Hub- und Brennraum mit einem ein Auslaßventil aufweisenden Auslaßkanal versehen. Über die Ventile können die ein- bzw. abströmenden Gase exakt gesteuert werden, so daß keine Rückströmungen auftreten. Vorteilhaft sind die Ventile als Rückschlagventile oder Klappen ausgebildet.
Bevorzugt entspricht das Volumen des Hub- und Brennraums dem 0,5 bis 2-fachen Volumen der Vorkammer.
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele im einzelnen wiedergegeben sind. Dabei zeigen:
In den Figuren 1 bis 4 ist eine mit 1 bezeichnete Kolben-Zylinder-Einheit wiedergegeben. Dabei ist mit 2 und 2' ein Zylinder, mit 3 und 3' ein Kolben und mit 4 und 4' ein Zylinderkopf bezeichnet. Der Kolben 3 führt in üblicher Weise linear oszillierende Bewegungen im Zylinder 2 aus. Dabei unterteilt er den Zylinderinnenraum in einen vor dem Kolben 3 liegenden Hub- und Brennraum 5 und einen hinter dem Kolben 3 liegenden Raum auf. Im Hub- und Brennraum 5 findet die Verbrennung statt, wobei in den Hub- und Brennraum 5 eine Zündkerze 6 und ggf. eine Einspritzdüse 7 ragen können. Ferner sind ein Einlaßkanal 8 und ein Auslaßkanal 9 vorgesehen, die jeweils über ein Ventil 10 bzw. 11 verschließbar sind. Die Ventile 10 und 11 können als Rückschlageventile oder Klappen ausgebildet sein. Am Kolben 3 greift ein Verbindungselement 12 an, welches den Kolben 3 mit einer in den Figuren 5 und 6 schematisch dargestellten Kurbelwelle 13 verbindet. Ein derartiger Aufbau wird in der Regel bei Zweitaktmotoren verwendet.
Das Verbindungselement 12 ist in der Figur 2, in welcher der Stand der Technik dargestellt ist, als Pleuel 14 ausgebildet, welches die oszillierenden Bewegungen des Kolbens 3 auf die Kurbelwelle 13 überträgt. Dabei führt das Pleuel 14 in bekannter Weise Schwenkbewegungen um die Kolbenbolzenlagerung 15 und oszillierende Bewegungen aus. Hierfür benötigt das Pleuel 14 einen freizuhaltenden Raum oder Totraum hinter dem Kolben 3. Der hinter dem Kolben sich befindende Raum 16 ist über einen Überströmkanal 17 mit dem Hub- und Brennraum 5 dann verbunden, wenn der Kolben 3 seinen unteren Totpunkt einnimmt.
Bei dem in der Figur 1 wiedergegebenen ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Verbindungselement 12 als Kolbenstange 18 ausgeführt, welche den Kolben 3 mit der Kurbelwelle 13 verbindet. Diese Kolbenstange 18 führt lediglich linear oszillierende Bewegungen in Richtung des Pfeils 19 aus. Hierfür wird kein zusätzlicher Raum neben der Kolbenstange 18 benötigt, was ebenfalls leicht aus Figur 1 ersichtlich ist. Ferner ist erkennbar, daß der sich hinter dem Kolben 30 befindende Raum über eine Begrenzungswand 20 abgeschlossen ist, wodurch eine Vorkammer 21 gebildet wird. Diese Vorkammer 21 wird also vom Kolben 3, vom hinteren Ende des Zylinders 2 und der Begrenzungswand 20 umschlossen. In diese Vorkammer 21 mündet der Überströmkanal 17. Eine Abdichtung der Kolbenstange 18 in der Begrenzungswand 20 erfolgt über ein Dichtelement 22, welches z.B. eine Schaftdichtung ist.
In der Figur 3, in der der Kolben 3 geschnitten dargestellt ist, ist erkennbar, daß der Kolbenfuß über einen Deckel 23 verschlossen ist. Dieser Deckel 23 ist z.B. eingeschweißt und dient zur zusätzlichen Halterung der Kolbenstange 18. Über den Deckel 23 wird das Volumen der Vorkammer verringert, indem der sich im Kolben 30 befindende Raum 24 abgretrennt wird. Dieser Raum 24 kann als thermischer Isolationsraum verwendet werden.
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 4 befindet sich der Deckel 23 in etwa in der Mitte des Kolbens, wodurch der Raum 24 verringert und das Volumen der Vorkammer 21 vergrößert werden.
Bei dem in der Figur 5 dargestellten Prinzipbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verbennungsmotors ist dieser als Boxermotor ausgeführt. Dabei liegen die beiden Zylinder 2 und 2' einander gegenüber und die beiden Kolben 3 und 3' sind über eine gemeinsame Kolbenstange 18 verbunden. Aus Figur 5 wird deutlich, daß keine Seitenkräfte bzw. Kippbewegungen auf die Kolben 3 bzw. 3' wirken und daß die Massenkräfte durch die fehlenden Pleuelstangen wesentlich verringert sind. Außerdem ergibt sich durch die Boxerausführung des Verbrennungsmotors eine um die Pleuellagerbreite geringere Bauweise. An der Kolbenstange 18 ist außerdem eine Kulisse 25 mit Gleiteinsatz 26 befsetigt, mit der die oszillierenden Bewegungen auf die Kurbelwelle 13 übertragen werden.
Nachfolgend wird die Funktion des Verbrennungsmotors kurz beschrieben. Von seinem Weg vom unteren Totpunkt in Richtung des oberen Totpunkts werden die in den Hub- und Brennraum 5 mündenden Öffnungen des Überströmkanals 17 und des Auslaßkanals 9 geschlossen und der Kolben verdichtet in üblicher Weise das sich im Hub- und Brennraum 5 befindende Frischgas. Nach dem Zünden des verdichteten Frischgases und nachdem der Kolben 3 den oberen Totpunkt überschritten hat, wird dieser in seine untere Totpunktlage gedrückt. Dabei wird einerseits das in die Vorkammer 21 angesaugte Frischgas vorverdichtet, wobei das Ventil 10 zuvor geschlossen worden ist. Außerdem wird der Kolben 3' von seiner unteren Totpunktlage in Richtung des oberen Totpunkts bewegt. Die Kraftübertragung vom Kolben 3 auf den Kolben 3' erfolgt direkt über die Kolbenstange 18 ohne Zwischenschaltung der Kurbelwelle 13. Im Bereich des unteren Totpunkts wird das im Hub- und Brennraum 5 befindliche Abgas ausgestoßen und das in der Vorkammer 21 vorverdichtete Frischgas über den Überströmkanal 17 in den Hub- und Brennraum 5 eingeblasen. Da das Frischgas mit einem relativ hohen Druck in den Hub- und Brennraum 5 einströmt, wird eine optimale Spülung erzielt. Ist dem Frischgas noch kein Kraftstoff beigemischt worden, so kann zu einer weiteren Verbesserung der Spülung dieses zum Teil auch wieder über den Ausblaskanal 9 ausgeblasen werden. Auf jeden Fall bewirkt die hohe Vorverdichtung des Frischgases ein schnelles und gründliches Füllen des Hub- und Brennraums 5 nach dem Schließen des Ventils 11.
Eine weitere Verbesserung der Füllung kann dadurch erzielt werden, daß das Frischgas über eine Ladevorrichtung, z.B. einen Abgasturbolader oder dgl. in die Vorkammer 21 gefördert wird.
Über die Kulisse 25 und den Gleiteinsatz 26 wird das freiwerdende Moment auf die Kurbelwelle 13 übertragen. Dabei gleitet der Gleiteinsatz 26 in der Kulisse 25 in der in der Figur 5 wiedergegebenen Ansicht in vertikaler Richtung und die Kulisse 25 selbst oszilliert in horizontaler Richtung.
In der Figur 6 ist die Kulisse 25 im Schnitt dargestellt und der Gleiteinsatz 26, der die nach Art eines Pleuellagers ausgebildete Lagerung 27 der Kurbelwelle 13 umgreift, deutlich erkennbar. Die beiden oszillierenden Bewegungen der Kulisse 25 und des Gleiteinsatzes 26 überlagern sich zur Drehbewegung der Kurbelwelle 13.