DE19507836C2 - Ottomotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ottomotor, der einen, in einem Kolbenraum eines Zylinders axial verschiebbaren und mit einem Triebwerk verbundenen, Kolben aufweist, wobei das Trieb­ werk mit einer Pleuelstange sowie einer mit dieser verbundenen Kurbelwelle versehen ist, die in einem Kurbelraum drehbar an­ geordnet ist, mit einem Arbeitsspiel von zwei Umdrehungen der Kurbelwelle in dem Kurbelraum und von vier Takten des Kolbens, wobei der den oberen Teil des Kolbenraumes bildende Brennraum nach oben durch einen, ein oder mehrere Einlaß- und Auslaßven­ tile sowie eine Zündkerze aufweisenden, Zylinderkopf abge­ schlossen ist und der Kolbenraum am äußeren Umfang durch eine Kolbenlaufbuchse begrenzt und der Innendurchmesser des Zylin­ ders in seinem unteren Bereich größer als der Außendurchmesser der Kolbenlaufbuchse ist, wodurch zwischen beiden ein zu dem Kurbelraum hin offener Ringkanal ausgebildet ist, in dessen oberem Abschnitt in der Kolbenlaufbuchse ringförmig und annä­ hernd gleichmäßig verteilt Überströmöffnungen in axialer Rich­ tung in einer Höhe angeordnet sind, die der Stellung der obe­ ren Kante des Kolbens, etwa 10% über dessen unterem Totpunkt, entspricht.

Durch die US 4 879 974 ist eine Viertaktbrennkraftmaschine be­ kannt, die in sechs Zyklen arbeitet. Bei der Brennkraftmaschi­ ne ist der Vergaser über ein Rohr mit dem Kurbelraum, der als ein Kompressionsraum ausgebildet ist, verbunden. An dem Kom­ pressionsraum ist ein zu dem Einlaßventil in den Verbrennungs­ raum führendes Rohr angeschlossen. Zwischen dem Vergaser und dem Kompressionsraum sowie zwischen dem Kompressionsraum und dem Zuführungsrohr zu dem Einlaßventil ist jeweils ein Reed­ ventil angeordnet. Im Bereich des unteren Totpunktes des Kol­ bens der Brennkraftmaschine weist der Kolbenraum mehrere Kanä­ le und Öffnungen auf, über die der Kompressionsraum mit dem Verbrennungsraum im Bereich des unteren Totpunktes des Kolbens verbunden ist.

Im ersten Zyklus der Arbeitsweise der Brennkraftmaschine steht der Kolben im oberen Totpunkt, und es besteht ein Unterdruck im Kompressionsraum. Das Reedventil zum Vergaser ist geöffnet, und es strömt über den Vergaser Luft oder ein mageres Gemisch ein.

Beim zweiten Zyklus erfolgt die Verbrennung im Verbrennungs­ raum, und der Kolben wird durch den entstehenden Druck nach unten geschoben. Dadurch schließt das Reedventil zum Vergaser, und es öffnet sich das Reedventil zu der Zuführungsleitung zum Einlaßventil. Die Luft oder das magere Gemisch strömt in die Zuführungsleitung ein.

Während des dritten Zyklus befindet sich der Kolben in seinem unteren Totpunkt. Beide Reedventile sind geschlossen, und über die Kanäle und Schlitze strömt ein Teil der restlichen Luft oder des mageren Gemisches in den Verbrennungsraum. Das ein­ strömende Gas umschließt die Oberseite des Kolbens, wobei das Abgas über das Auslaßventil aus dem Verbrennungsraum strömt.

In dem anschließenden vierten Zyklus bewegt sich der Kolben nach oben, und es strömt erneut Luft oder ein Gemisch von dem Vergaser in den Kompressionsraum. Das restliche Abgas wird über das noch geöffnete Auslaßventil aus dem Verbrennungsraum gedrückt.

Spätestens zu Beginn des fünften Zyklus wird mit einem Injek­ tor in die Luft oder das Magergemisch in der Zuführungsleitung Kraftstoff eingespritzt, und es entsteht ein angereichertes Kraftstoff-Luft-Gemisch.

Das Einlaßventil wird geöffnet, und das angereicherte Kraft­ stoff-Luft-Gemisch strömt in den Verbrennungsraum, wobei über das Reedventil aus dem Kompressionsraum Luft oder Gemisch nachströmt.

Im sechsten Zyklus strömt weiterhin aus der Zuführungsleitung über das Einlaßventil ein Gemisch in den Verbrennungsraum ein, und gleichzeitig strömt über die Kanäle und Schlitze aus dem Kompressionsraum die Luft oder mageres Gemisch in den unteren Teil des Verbrennungsraumes und bildet in dem Bereich eine Schicht aus Luft oder magerem Gemisch.

Es folgt nunmehr der vorstehend beschriebene erste Zyklus.

Bei der bekannten Lösung bilden sich in dem Verbrennungsraum zwei weitgehend unvermischte Schichten, wobei im oberen Teil des Verbrennungsraumes die Schicht vor dem Verbrennen aus an­ gereichertem Kraftstoff-Luft-Gemisch und nach dem Verbrennen aus Abgas besteht, während um die Oberseite des Kolbens eine Schicht aus Luft oder einem mageren Gemisch gebildet ist. Da­ durch soll eine weitgehend vollständige Verbrennung des Kraft­ stoff-Luft-Gemisches im Verbrennungsraum erreicht werden.

Mit der bekannten Lösung ist jedoch aufgrund der Schichtenbil­ dung nur ein relativ geringer Wirkungsgrad der Brennkraftma­ schine erreichbar.

Außerdem erfordert die Steuerung der sechs Zyklen der Brenn­ kraftmaschine einen relativ hohen Aufwand.

Es ist weiterhin bekannt, die Leistung eines Ottomotors durch Aufladen noch zu steigern. Die Aufladung kann mit mechanisch angetriebenen Ladern mit Aufladegebläsen oder durch Abgastur­ binen erreicht werden. Damit ist es möglich, die Leistung eines Motors erheblich zu steigern. Die Aufwendungen für eine derartige Aufladung sind jedoch sehr hoch und kostenaufwendig. Der Ottomotor wird durch eine Aufladung mechanisch stark bela­ stet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ottomotor ent­ sprechend dem Oberbegriff nach Anspruch 1 zu schaffen, bei dem die Leistung erhöht und dabei die mechanische Belastung durch eine Kühlung des Kurbelgehäuses und der Wandung des Kolbenrau­ mes sowie des Auslaßventiles verringert werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß über das oder die Einlaßventile in dem Brennraum ein Kraftstoff-Luft- Gemisch als Basisfüllung einströmbar ist und daß in dem Kur­ belgehäuse eine den Kurbelraum mit einem Drehschieber verbin­ dende Bohrung angeordnet ist und daß der Drehschieber mit Zu­ führungen für ein zusätzliches Kraftstoff-Luft-Gemisch sowie von Spülluft verbunden ist und die Zuführungen in gesteuerter Weise zu dem Kurbelraum des Kurbelgehäuses öffnet und schließt, wobei vor der Verbrennung nach Freigabe durch die obere Kante des Kolbens über den offenen Ringkanal und die Überströmöffnungen das in dem Kurbelraum verdichtete, zusätz­ liche Kraftstoff-Luft-Gemisch dem Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Brennraum zumischbar ist und wobei nach der Verbrennung nach Freigabe durch die obere Kante des Kolbens über den offe­ nen Ringkanal und die Überströmöffnungen die in dem Kurbelraum verdichtete Spülluft dem Abgas in dem Brennraum zumischbar ist.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird erreicht, daß durch das zusätzliche Kraftstoff-Luft-Gemisch die Literleistung des Ottomotors erhöht wird. Gleichzeitig wird dessen Laufleistung verbessert, indem das Kurbelgehäuse und der Kolbenraum gekühlt sowie die thermische Beanspruchung des Auslaßventiles verrin­ gert werden. Die Spülluft sorgt gleichzeitig für eine ständige Reinigung des Kurbelgehäuses sowie des Brennraumes.

Über den Drehschieber ist die Steuerung der Einströmvorgänge dabei stabil lösbar.

Zweckmäßigerweise ist die Zuführung für das zusätzliche Kraft­ stoff-Luft-Gemisch zu dem Drehschieber als eine Rohrleitung ausgebildet, die den Drehschieber mit einem Vergaser für das Gemisch verbindet.

Eine vorteilhafte Lösung besteht dabei darin, daß der Vergaser für das zusätzliche Kraftstoff-Luft-Gemisch der gleiche Ver­ gaser wie der für das frische Kraftstoff-Luft-Gemisch, das dem Brennraum über das Einlaßventil als Basisfüllung zugeführt wird, ist. Es ist natürlich auch möglich, einen eigenen Verga­ ser vorzusehen.

Die Zuführung für die Spülluft an dem Drehschieber ist eben­ falls vorzugsweise als eine Rohrleitung ausgebildet, die mit der Außenatmosphäre in Verbindung steht und in der ein Luft­ filter angeordnet ist.

Zur Verbesserung des Leistungsgewichtes des Ottomotors und zur Verringerung der Freifläche im Kurbelraum können die Ausspa­ rungen der Kurbelwelle mit spezifisch leichten Werkstoffen ausgefüllt sein.

Um eine gute Steuerung der Einströmvorgänge in den Brennraum zu erreichen, ist es vorteilhaft, daß die Überströmöffnungen in der Kolbenlaufbuchse einen sich in Richtung des unteren Totpunktes des Kolbens verringernden Querschnitt aufweisen.

Zur Erhöhung der Festigkeit können, vorzugsweise bei großen Motoren, zwischen der Kolbenlaufbuchse und der Innenwand des Zylinders diese miteinander verbindende, vertikale Stege ange­ ordnet sein.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die Vorderansicht eines Ottomotors im Schnitt in der Stellung "Ansaugen",

Fig. 2 den Ottomotor nach Fig. 1 in der Stellung "Verdichten",

Fig. 3 den Ottomotor nach Fig. 1 in der Stellung "Zünden, Verbrennen",

Fig. 4 den Ottomotor nach Fig. 1 in der Stellung "Ausschie­ ben".

In den Fig. 1 bis 4 ist ein als Hubkolbenmaschine ausgebilde­ ter Ottomotor mit einem Kolben 3 im Viertaktverfahren darge­ stellt. Hierbei umfaßt ein Arbeitsspiel zwei Umdrehungen einer Kurbelwelle 7. Durch die vier Takte erfolgt das Ansaugen eines frischen Kraftstoff-Luft-Gemisches über wenigstens ein Einlaß­ ventil 10 in einem Brennraum 13, das Verdichten desselben und im Arbeitstakt das Zünden sowie Verbrennen des verdichteten Gemisches, wodurch der Kolben 3 nach unten gedrückt wird und Arbeit verrichtet. Anschließend wird das verbrannte Gas als Abgas ausgeschoben. Während des Ausschiebens des Abgases B (Fig. 4) durch den Kolben 3 aus dem Brennraum 13 über wenig­ stens ein Auslaßventil 11 wird ein zusätzliches Kraftstoff- Luft-Gemisch C über einen Drehschieber 15 in das Kurbelgehäuse 6 des Ottomotors gesaugt. Während des Ansaugens eines frischen Kraftstoff-Luft-Gemisches A über das Einlaßventil 10 in dem Brennraum 13 wird durch die Abwärtsbewegung des Kolbens 3 (Fig. 1) das zusätzliche Kraftstoff-Luft-Gemisch C im Kurbel­ gehäuse 6 vorverdichtet. Vor Erreichen des unteren Totpunktes gibt der Kolben 3 das Gemisch C frei und drückt es zur zusätz­ lichen Ladung in den Brennraum 13.

Während der Verdichtung beider Gemische A; C im Brennraum 13 durch den sich aufwärts, in Richtung seines oberen Totpunktes bewegenden Kolben 3 (Fig. 2) wird Spülluft D in den Kurbelraum 5 des Kurbelgehäuses 6 gesaugt. Diese wird nach dem Takt "Zünden, Verbrennen" (Fig. 3) durch die Bewegung des Kolbens 3 in Richtung seines unteren Totpunktes freigegeben und strömt in den Brennraum 13. Sie vermischt sich mit den Abgasen B, kühlt diese und wird mit diesen gemeinsam über das Auslaßven­ til 11 ausgestoßen. Hierbei ist es zweckmäßig, daß das in das Kurbelgehäuse 6 gesaugte bzw. atmosphärisch gedrückte Kraft­ stoff-Luft-Gemisch C sowie die Spülluft D durch den Kolben 3 zum Strömen in den Brennraum dann freigegeben werden, wenn der Kolben 3 etwa 90% seines Hubes in Richtung des unteren Tot­ punktes zurückgelegt hat.

In den Fig. 1 bis 4 ist ein Ottomotor in seinen vier Stellun­ gen dargestellt. In einem Kolbenraum 1 ist der Kolben 3 axial verschiebbar angeordnet. Er ist mit einem Triebwerk verbunden, das eine Pleuelstange 4 sowie eine mit dieser verbundene Kur­ belwelle 7 aufweist. Die Kurbelwelle 7 ist in einem Kurbelraum 5 des Kurbelgehäuses 6 drehbar angeordnet. Der Kolbenraum 1 ist an seinem äußeren Umfang durch eine Kolbenlaufbuchse 8 be­ grenzt. Der Zylinderkopf 9 weist ein oder mehrere Einlaß­ ventile 10 und Auslaßventile 11 sowie eine Zündkerze 12 auf.

In dem Kurbelgehäuse 6 befindet sich eine Bohrung 14, die den Kurbelraum 5 mit dem Drehschieber 15 verbindet. Der Dreh­ schieber 15 kann scheiben- oder walzenförmig ausgebildet sein. Über eine Rohrleitung 18 ist der Drehschieber 15 mit einem nicht dargestellten Vergaser für das zusätzliche Kraftstoff- Luft-Gemisch C verbunden. Dabei kann der Vergaser ein separa­ ter Vergaser sein oder aber gleichzeitig für das frische Kraftstoff-Luft-Gemisch A verwendet werden. Weiterhin ist der Drehschieber 15 mit einer Rohrleitung 19 verbunden, über die die Spülluft D zuführbar ist.

Der Innendurchmesser des Zylinders 2 ist in seinem unteren Be­ reich größer als der Außendurchmesser der Kolbenlaufbuchse 8, wodurch zwischen beiden ein Ringkanal 16 ausgebildet ist. Die­ ser ist zum Kurbelraum 5 hin offen. Im oberen Abschnitt des Ringkanals 16 sind in der Kolbenlaufbuchse 8 ringförmig und annähernd gleichmäßig verteilt Überströmöffnungen 17 ange­ ordnet. In axialer Richtung sind diese dabei in einer Höhe vorgesehen, die der Stellung der oberen Kante des Kolbens 3, etwa 10% über dessen unterem Totpunkt, entspricht. An dieser Stelle weisen die Überströmöffnungen 17 vorzugsweise ihre größte Breite auf und verjüngen sich dann in Richtung des un­ teren Totpunktes des Kolbens 3, wobei sie sich bis annähernd zu der Lage der oberen Kante des Kolbens 3 in dieser Stellung erstrecken können.

Die Überströmöffnungen 17 verbinden den Ringkanal 16 und damit den Kurbelraum 5 mit dem Brennraum 13. Ihr Öffnen und Schlies­ sen wird über die Oberkante des Kolbens 3 gesteuert. Zur Erhö­ hung der Stabilität des Ottomotors können in dem Ringraum 16 in nicht dargestellter Weise Stege angeordnet sein, die die Kolbenlaufbuchse 8 mit der Innenwand des Zylinders 2 verbin­ den.

Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Ottomotors ist dann be­ sonders effektiv, wenn im Kurbelraum 5 kein unnötiger Frei­ raum vorhanden ist und sich damit zwischen dem unteren und dem oberen Totpunkt des Kolbens 3 eine möglichst große Volumen­ änderung ergibt. Hierzu ist es vorteilhaft, daß an der Kurbel­ welle 7 die Aussparung für den Massenausgleich, die Bohrungen zur Gewichtsreduzierung und ähnliche Hohlräume durch Werk­ stoffe mit einem geringen spezifischen Gewicht ausgefüllt wer­ den.

Die Arbeitsweise mit dem Drehschieber 15 entspricht dem ein­ gangs dargelegten Viertaktverfahren. Hierbei ist in Fig. 4 dargestellt, daß zu Beginn des Taktes "Ausschieben" der Dreh­ schieber 15 die Rohrleitung 18 zur Zuführung des zusätzlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches C mit dem Kurbelraum 5 verbindet. Durch den sich in Richtung des oberen Totpunktes verschieben­ den Kolben 3 wird das Gemisch C in den Kurbelraum 5 gesaugt bzw. durch die Außenatmosphäre gedrückt. Die Überströmöffnun­ gen 17 sind dabei geschlossen. Bei dem Takt "Ansaugen" (Fig. 1) ist der Drehschieber 15 geschlossen, der Kolben gleitet nach unten und gibt ab einer Stellung 10% über dem unteren Totpunkt die Überströmöffnungen 17 frei, so daß das zusätzli­ che Kraftstoff-Luft-Gemisch C durch diese bei der weiteren Ab­ wärtsbewegung des Kolbens 3 in den Brennraum 13 gedrückt wird und sich dort mit dem Kraftstoff-Luft-Gemisch A vermischt.

Während des Taktes "Verdichten" (Fig. 2) verbindet der Dreh­ schieber 15 die Rohrleitung 19 mit dem Kurbelraum 5, und die Spülluft D strömt in diesen ein. Danach schließt der Dreh­ schieber 15 beide Rohrleitungen 18; 19, und nach dem Takt "Zünden, Verbrennen" (Fig. 3) drückt der Kolben 3 durch seine Abwärtsbewegung nach Freigabe der Überströmöffnungen 17 die Spülluft D in den Brennraum 13. Die Spülluft D mischt sich mit den Abgasen B. Durch die Spülluft D werden der Kolbenraum 5 und die Kolbenlaufbuchse 8 während des Durchströmens gekühlt. Das Mischen mit den Abgasen B senkt deren Temperatur, wodurch das Auslaßventil 11 gekühlt und dessen thermische Belastung verringert werden.

Der Einsatz eines Drehschiebers 15 und die Anordnung von Über­ strömöffnungen 17 in der Kolbenlaufbuchse 8 sind besonders vorteilhafte Lösungen. Die Steuerung der Takte und des Dreh­ schiebers 15 erfolgt in an sich bekannter Weise, z. B. über eine Nockenwelle. Der Drehschieber läuft mit der Nockenwellen­ drehzahl um, d. h. mit 1 : 2 untersetzt zur Kurbelwelle.

Ein derartiger Ottomotor ist besonders als kleiner Motor, wie ein Modellmotor bzw. ein Motor für Kleinkrafträder oder Leichtflugzeuge, geeignet. Bei einer Verstärkung der Kolben­ laufbuchse 8 durch Rippen im Bereich des Ringkanals 16 ist auch die Ausbildung größerer Motore möglich.

Claims (7)

1. Ottomotor, der einen, in einem Kolbenraum (1) eines Zy­ linders (2) axial verschiebbaren und mit einem Triebwerk verbundenen, Kolben (3) aufweist, wobei das Triebwerk mit einer Pleuelstange (4) sowie einer mit dieser verbundenen Kurbelwelle (7) versehen ist, die in einem Kurbelraum (5) drehbar angeordnet ist, mit einem Arbeitsspiel von zwei Umdrehungen der Kurbelwelle (7) in dem Kurbelraum (5) und von vier Takten des Kolbens (3), wobei der den oberen Teil des Kolbenraumes (1) bildende Brennraum (13) nach oben durch einen, ein oder mehrere Einlaß- und Auslaßventile (10; 11) sowie eine Zündkerze (12) aufweisenden, Zylin­ derkopf (9) abgeschlossen ist und der Kolbenraum (1) am äußeren Umfang durch eine Kolbenlaufbuchse (8) begrenzt und der Innendurchmesser des Zylinders (2) in seinem unte­ ren Bereich größer als der Außendurchmesser der Kolben­ laufbuchse (8) ist, wodurch zwischen beiden ein zu dem Kurbelraum (5) hin offener Ringkanal (16) ausgebildet ist, in dessen oberem Abschnitt in der Kolbenlaufbuchse (8) ringförmig und annähernd gleichmäßig verteilt Überström­ öffnungen (17) in axialer Richtung in einer Höhe angeord­ net sind, die der Stellung der oberen Kante des Kolbens (3), etwa 10% über dessen unterem Totpunkt, entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß über das oder die Einlaßventi­ le (10) in den Brennraum (13) ein Kraftstoff-Luft-Gemisch (A) als Basisfüllung einströmbar ist und daß in dem Kur­ belgehäuse (6) eine den Kurbelraum (5) mit einem Dreh­ schieber (15) verbindende Bohrung (14) angeordnet ist und daß der Drehschieber (15) mit Zuführungen für ein zusätz­ liches Kraftstoff-Luft-Gemisch (C) sowie von Spülluft (D) verbunden ist und die Zuführungen in gesteuerter Weise zu dem Kurbelraum (5) des Kurbelgehäuses (6) öffnet und schließt, wobei vor der Verbrennung nach Freigabe durch die obere Kante des Kolbens (3) über den offenen Ringkanal (16) und die Überströmöffnungen (17) das in dem Kurbelraum (5) verdichtete, zusätzliche Kraftstoff-Luft-Gemisch (C) dem Kraftstoff-Luft-Gemisch (A) in dem Brennraum (13) zu­ mischbar ist und wobei nach der Verbrennung nach Freigabe durch die obere Kante des Kolbens (3) über den offenen Ringkanal (16) und die Überströmöffnungen (17) die in dem Kurbelraum (5) verdichtete Spülluft (D) dem Abgas (B) in dem Brennraum (13) zumischbar ist.

2. Ottomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung für das zusätzliche Kraftstoff-Luft- Gemisch (C) zu dem Drehschieber (15) als eine Rohrleitung (18) ausgebildet ist, die den Drehschieber (15) mit einem Vergaser für das Gemisch (C) verbindet.

3. Ottomotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergaser für das zusätzliche Kraftstoff-Luft-Gemisch (C) der gleiche Vergaser wie der für das frische Kraft­ stoff-Luft-Gemisch (A), das dem Brennraum (13) über das Einlaßventil (10) als Basisfüllung zugeführt wird, ist.

4. Ottomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung für die Spülluft (D) an dem Drehschieber (15) als eine Rohrleitung (19) ausgebildet ist, die mit der Außenatmosphäre in Verbindung steht und in der ein Luft­ filter angeordnet ist.

5. Ottomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen der Kurbelwelle (7) mit spezifisch leichten Werkstoffen ausgefüllt sind.

6. Ottomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmöffnungen (17) in der Kolbenlaufbuchse (8) einen sich in Richtung des unteren Totpunktes des Kolbens (3) verringernden Querschnitt aufweisen.

7. Ottomotor nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kolbenlaufbuchse (8) und der Innenwand des Zylinders (2) diese miteinander verbindende, vertikale Stege angeordnet sind.