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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor,
umfassend einen Zylinderblock mit zumindest einer Zylindertrommel,
einem Zylinderkopf mit zumindest einem Einlasskanal und Auslasskanal
mit zugeordneten Einlass- und Auslassventilen für eine Verbrennungskammer,
die oberhalb eines in der Zylindertrommel beweglichen Kolbens angeordnet
ist und unterhalb des Kolbens ein Kurbelgehäuse für Schmieröl angeordnet ist, wobei der
Kolben mit zumindest zwei umfänglichen
Nuten ausgeformt ist, die in einem Abstand zueinander angeordnet
sind, wobei jeder seinen eigenen Kolbenring und eine zwischen den
Ringen enthaltene Kolben-Sammelkammer aufweist (vgl. mit US-A-4
191 150).
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Es
ist eine bekannte Tatsache, dass es nicht möglich, eine Kolbenring-Abdichtung
zwischen den Kolben und den umgebenden Zylinderwänden in einem Verbrennungsmotor
zur Verfügung
zu stellen, die zu 100% die Verbrennungskammern von dem Kurbelgehäuse des
Motors abdichtet. Eine bestimmte kleine Menge an Verbrennungsgasen,
hier durchblasendes Gas genannt, fließt daher immer über den Kolbenring
und nach unten in das Kurbelgehäuse des
Motors. Um zu bewirken, dass ein zu hoher, teilweise durch die durchblasenden
Gase bewirkter Überdruck
nicht in dem Kurbelgehäuse
auftritt, muss das Kurbelgehäuse
belüftet
werden, wobei, je effektiver die Belüftung ist, desto geringer der Überdruck
in dem Kurbelgehäuse
ist, wodurch die Motor-Pumpverluste kleiner werden. Auf der anderen
Seite kann, wenn der Kurbelgehäusen-Druck
weiter reduziert wird, der Ölverbrauch
sich erhöhen,
da Öldampf durch
die durchblasenden Gase mitgerissen wird und durch das positive
Kurbelgehäusen-Ventilationssystem
evakuiert werden.
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In
modernen Motoren wird eine geschlossene Kurbelgehäuse-Ventilation verwendet,
um die Auswirkungen auf die Umwelt so gering wie möglich zu
gestalten. Normalerweise wird durchblasenden Gasen und vorliegendem
Wasserdampf ermöglicht, in
das Kurbelgehäuse
einzutreten, wo sie energisch miteinander vermischt werden und in
Suspension innerhalb der Öltröpfchen in
dem Kurbelgehäuse
aufgefangen werden und anschließend über einen Schlauch
zu dem Einlassverteiler des Motors vor dem Drosselventil geführt werden,
so sie mit der Einlassluft vermischt werden. Um Öl aus dem Ölnebel zu separieren, der unausweichlich
mit den durchblasenden Gasen vermischt ist, werden verschiedene
Typen von Filtern oder Ölauffängern bei
der Kurbelgehäusen-Ventilation
verwendet. Alle bisherig bekannten Kurbelgehäusen-Ventilatonssysteme haben
gemeinsam, dass diese Öl
aus durchblasenden Gasen separieren müssen, nachdem diese miteinander
vermischt wurden. Ebenso war bisher nicht möglich, einen bestimmten Überdruck
in dem Kurbelgehäuse
zu minimieren, der mit den Leistungsanforderungen ansteigt, wenn
kein Druckregulator zugefügt
ist.
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Es
ist ein Ziel der Erfindung, dieses Vermischen von durchblasenden
Gasen und Öl
zu verhindern. Dies wird durch Evakuieren der unverbrannten durchblasenden
Mischung und Verbrennungsgasen direkt in eine Expansionskammer über einen
Evakuierungsanschluss in der Zylinderwand erzielt, anstelle des
Expandieren-Lassens in dem Kurbelgehäuse. Daher vermischen sich
die Gase nicht ganz genau mit dem Öl, was die Separation sowie
den Öl-Auffangbetrieb
erleichtert. Wenn die Gase expandieren, verlieren sie eine große Menge
ihrer Fließraten-Energie,
welche ihnen andernfalls ermöglichen
würde, Öltröpfchen,
die in oder nahe dem Evakuierungsanschluss vorliegen, mitzureißen und
sich mit diesen zu vermischen.
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Auch
mit einem angesetzten Druckregulator werden bekannte Motoren einen
deutlich höheren Druck
in dem Kurbelgehäuse aufweisen,
als in der Verbrennungskammer während
des Ansaughubs, wobei der Druck versucht, den Ölfilm auf der Zylinderwand
sowie den Ölnebel
in dem Kurbelgehäuse nachdem Öl-Abscheidering
auf den Öl-Abscheidering
des Kolbens und in die Verbrennungskammer des Motors zu pressen.
Um den Ölfluss
zu der Verbrennungskammer in größtmöglichen
Maße zu
verhindern, muss die Ringspannung für den Öl-Abscheidering hoch sein und
der Öl-Abscheidering
ist daher diejenige Komponente, die allein die größte innere Reibung
in dem Motor bewirkt. Das Öl,
welches auch dann unausweichlich in die Verbrennungskammer des Motors
hineintritt, bewirkt nicht nur eine Verschmutzung der Motor-Abgase
mit nachfolgender Belastung des Katalysators. Es verringert ebenso
die Oktanzahl des Brennstoffs, der in modernen Motoren mit Klopfsensoren
und automatischer Frühzündung zu
einer Verzögerung
der Zündung
mit daraus folgendem erhöhten
Brennstoffverbrauch führt.
Schließlich sind
der Ölverbrauch
des Motors selbst sowie die Kosten des Wiedereinbringens von verbrauchtem Öl direkt
davon abhängig,
wie viel Öl
in die Verbrennungskammer hineintritt, aufgrund der Druckdifferenz
zwischen dem Kurbelgehäuse
und dem Zylinderraum oberhalb des Kolbens.
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Die
Verbrennung des Öls
trägt zudem
zu Ablagerungen in und um die Kolbenringe herum bei, wobei diese
Ablagerungen mit dem korrekten Betrieb der Ringe in Wechselwirkung
treten können
und die Ringe eventuell unbeweglich machen, mit einer korrespondierenden
Störung
von deren Funktionsfähigkeit.
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Es
war daher ein Ziel, einen Motor herzustellen, bei dem die Differenz
zwischen dem Druck in dem Kurbelgehäuse des Motors und des Drucks
in dessen Lufteinlass so klein wie möglich gehalten wird, d.h. das
die Druckdifferenz, die anstrebt, dass Schmieröl gegen die Kolbenringe und
in die Verbrennungskammer während
des Ansaughubs des Motors während
aller Betriebsbedingungen zu drücken,
kleiner als in bekannten Motoren ist, um den Ölverbrauch sowie Pump-, Wirbel-
und Reibverluste zu minimieren. Die Lösung gemäß der Erfindung eliminiert die
Notwendigkeit für
den Kondensierungseffekt eines kälteren Ölabscheiders, Öl wiederherzustellen und
hält das
System ebenfalls vom Einfrieren ab.
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Dies
wurde aufgrund der Tatsache erreicht, dass der Zylinderblock mit
einem Evakuierungsanschluss für
jeden Zylinder ausgestaltet wurde, wobei sich dieser Kanal in die
Zylindertrommel öffnet
und eine Wirkverbindung zwischen der Zylindertrommel und dem Einlasskanal
vorzugsweise in enger Nähe zu
einem Motor-Kühldurchtritt
ausbildet. Der Auslass des Evakuierungskanals und des Kolbens sind
so aneinander angeordnet, dass der Kolben den Evakuierungskanal
offen hält,
um die Verbindung zwischen dem Kurbelgehäuse und dem Einlasskanal während der
Bewegung des Kolbens von dessen oberen Todpunkt zu einer Position
bei einer vorab bestimmten Distanz von dem oberen Todpunkt (TDC)
beibehält und
danach die Verbindung des Evakuierungskanals mit dem Kurbelgehäuse durch
dessen weitere Bewegung nach unten auf den unteren Todpunkt hin
abbricht. Ebenso ist der Zylinder-Auslassanschluss des Evakuierungskanals
angebracht, um eine Wirkverbindung mit der Kolben-Sammelkammer währender Bewegung
des Kolbens von dessen oberen Todpunkt zu einer Position bei einer
vorab bestimmten Distanz von dem TDC zur Verfügung zu stellen. Da jedoch der
Druck in dem Kurbelgehäuse
von bisher bekannten Motoren relativ hoch ist und das Volumen und
die Fließrate
der durchblasenden Gase, die bestimmungsgemäß in den Evakuierungskanal
fließen,
relativ hoch ist, wird der Fließwiederstand
in dem Evakuierungskanal relativ hoch.
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Ein Ölabscheider
ist in dem Evakuierungskanal angeordnet, um Ölpartikel in den Evakuierungskanal
einfließenden
durchblasenden Gasen davon abzuhalten, den Einlasskanal zu erreichen
und in der Verbrennungskammer zu verbrennen. Da jedoch die Fließrate der
durchblasenden Gase in dem Evakuierungskanal relativ hoch ist, ist
es schwierig, alle Ölpartikel
davon abzuhalten, den Einlasskanal zu erreichen.
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Das
durch die vorliegende Erfindung zu lösende objektive Problem ist
daher, einen Motor des in der Einleitung genannten Typs herzustellen,
bei dem die Druckimpulse sowie die Fließrate von durchblasenden Gasen
in dem Evakuierungskanal geringer ist als in bisher bekannten Motoren,
um die Fließgeschwindigkeit
der durchblasenden Gase zu minimieren und Ölpartikel davon abzuhalten,
den Einlasskanal zu erreichen, währenddessen
durchblasende Gase zu dem Lufteinlass evakuiert werden.
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Dies
wurde gemäß der Erfindung
aufgrund der Tatsache erreicht, dass der Motor eine Expansionskammer
aufweist, die gemeinsam mit jedem Zylinder über einen individuellen Evakuierungsanschluss
verbunden ist, wobei sich der Anschluss in die jeweilige Zylindertrommel öffnet, und
die Expansionskammer eine Wirkverbindung zwischen der Zylindertrommel
und dem Einlasskanal über
den Evakuierungsanschluss und einen Evakuierungskanal ausformt,
wobei sich der Evakuierungskanal nach außen in zumindest einen Einlasskanal
oder Einlassverteiler öffnet,
und dass der Evakuierungskanal und der Kolben so miteinander angeordnet
sind, dass der Kolben den Evakuierungskanal offen hält, um die Verbindung
zwischen dem Kurbelgehäuse
und dem Einlasskanal während
der Bewegung des Kolbens von dessen oberen Todpunkts zu einer Position
bei einer vorab bestimmten Distanz von dem oberen Todpunkt beibehält und anschließend die
Verbindung des Evakuierungsanschlusses mit dem Kurbelgehäuse während dessen
weiterer Bewegung nach unten auf den unteren Todpunkt hin abbricht,
und dass die Verbindungskammer mit dem Evakuierungsanschluss verbunden
ist, wenn der Kolben nahe seinem unteren Todpunkt ist.
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Dies
ermöglicht
einen besseren Druckausgleich zwischen dem Einlasskanal oder Verteiler
und dem Kurbelgehäuse,
während die
notwendige Wirkverbindung zur Verfügung gestellt wird und die
Menge an Ölspritzern,
die den Anschluss erreichen könnten,
reduziert wird.
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Durch
zur Verfügung
stellen einer Kammer mit großem
Querschnitt, die zwischen dem Evakuierungsanschluss in der Zylindertrommel
und dem Einlasskanal angeordnet ist, können die durchblasenden Gase,
die von dem Evakuierungsanschluss kommen, expandieren, die Druck-Impulsamplitude
reduzieren und sich auf einen geringer turbulenten Zustand verlangsamen,
wodurch mehr Ölpartikeln
ermöglicht
wird, sich abzusetzen und abgeschieden zu werden. Diese Expansionskammer
ist ebenso mit Elementen versehen, die dem Öl ermöglichen, von einem weniger
turbulenten Bereich der Kammer zu dem Kurbelgehäuse zurückzukehren.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist ein Wirbelrohr in der Expansionskammer in der Nähe der Evakuierungsanschlüsse angeordnet.
Das Wirbelrohr, welches zwei offene Enden aufweisen kann, bewirkt,
dass die durchblasenden Gase zirkulieren, so dass Ölpartikel
in den durchblasenden Gasen durch Zentrifugalkräfte in Kontakt mit einer Oberfläche gezwungen
werden. Ebenso können
Prallbleche in der Expansionskammer angeordnet sein, um den Kontaktbereich
für das
festzuhaltende Öl
weiter zu erhöhen
und den Druck und die Geschwindigkeit der zirkulierenden durchblasenden
Gase zu reduzieren. Durch Beibehalten eines negativen Drucks wird
Wasserdampf leicht verdampfen, während Öltröpfchen aufgrund
ihrer höheren
Viskosität
an der Wirbel-Oberfläche
anhaften werden.
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Der
Kolben ist in seinem Grundaufbau ein konventioneller zylindrischer
Kolben, der gemäß der Erfindung
an derjenigen Seite, die der Öffnung
des Evakuierungsanschlusses gegenüberliegt, mit einer Abschirmung
versehen sein kann, die eine Abschirmung gegenüber der Öffnung des Evakuierungsanschlusses
ausformt, um das Eindringen von Ölspritzern
zu begrenzen, versehen sein kann. Die Abschirmung weist einen größeren Abstand
gegenüber
der Zylinder-Trommelwand
als der Kolbenzylinder auf, so dass Kurbelgehäuse über den durch den größeren Abstand
ausgeformten Spalt sowie der Evakuierungsanschluss mit dem Einlasskanal über die
Expansionskammer und den Evakuierungskanal während eines vorab bestimmten
Teils des Bewegungswegs des Kolbens verbunden sind.
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Vorzugsweise
weist jeder Kolben eine Sammelkammer zwischen den Kolbenring-Nuten
für unverbrannte
Brennstoff-Luft-Gemische
und Verbrennungsgase, die an dem oberen Kolbenring vorbeitreten,
auf und der Zylinder weist einen Evakuierungsanschluss auf, der
in Bezug auf die Sammelkammer derart orientiert ist, dass nach einer
vorab bestimmten Bewegung des Kolbens von dessen oberen oder unteren
Todpunkt eine Wirkverbindung zwischen der Kolben-Sammelkammer und
dem Einlasskanal über den
Evakuierungskanal und die Expansionskammer hergestellt wird. Auf
diese Weise werden unverbrannte Brennstoff-Luft-Gemische und Verbrennungsgase
davon abgehalten, das Kurbelgehäuse zu
erreichen. Anstelle dessen werden sie direkt durch den Evakuierungskanal
in die Expansionskammer ventiliert und fließen zu dem Einlasskanal, da
ein Überdruck
in der Sammelkammer auftritt, während ein
Unterdruck in dem Zylinder-Evakuierungskanal auftritt. Unverbrannte
Brennstoff-Luft-Gemische, die unterhalb des ersten Kolbenrings aufgefangen
wurden, würden
anderenfalls während
des Expansionshubs sobald in die Verbrennungskammer zurückfließen, wenn
der Zylinderdruck unterhalb des Drucks der Mischung fallen würde, wobei
dieses jedoch zu spät
auftreten würde,
als dass die Mischung in der Lage wäre verbrannt zu werden. Um
einer Reduzierung des Drucks des Volumens an unverbranntem Brennstoff-Luft-Gemisch
und Verbrennungsgasen, die in der Sammelkammer aufgenommen wurden,
zu erzielen, kann der Kolben mit einem Raum versehen sein, so wie
einer Vielzahl von Bohrungen, die mit der Sammelkammer in Wirkverbindung
stehen. Hierbei wird das vollständige
Volumen der Sammelkammer dadurch angehoben, was zu einer Reduktion
in dem Druck an Gasen, in der Sammelkammer aufgenommen wurden, führt.
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Die
Erfindung wird näher
mit Bezug auf die in den beiliegenden Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen
beschrieben, wobei 1 einen Querschnitt durch einen
Zylinderblock gemäß einer
ersten Ausführungsform
eines Motors gemäß der Erfindung zeigt, 2 eine
Querschnittsansicht durch einen Zylinderkopf der ersten Ausführungsform
eines Motors gemäß der Erfindung
zeigt, 3 eine Detailansicht von Kolbenring-Nuten sowie
einer Sammelkammer eines Kolbens zeigt, 4 eine schematische Darstellung
eines Querschnitts durch eine zweite Ausführungsform eines Motors gemäß der Erfindung zeigt, 5 eine
dritte Ausführungsform
eines Motors gemäß der Erfindung
zeigt und 6 eine perspektivische Ansicht
eines Zylinderblocks einer Ausführungsform
eines Motors gemäß der Erfindung zeigt.
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In 1 bezeichnet
das Bezugszeichen 1 einen Zylinderblock und das Bezugszeichen 2 eine
Zylindertrommel, in der ein Kolben 3 verschiebbar befestigt
ist. Der Kolben 3 ist über
einen Pleuel 4 mit einer Kurbelwelle 5 verbunden,
die drehbar in dem Kurbelgehäuse 6 des
Zylinderblocks 1 befestigt ist. Ein unterer Rahmen, der
eine Brücke
sowie eine Ölwanne,
die zusammen das Kurbelgehäuse
verschließen, lagert,
sind in 1 weggelassen worden. In den
Zylinderblock 1 ist ein Evakuierungsanschluss 9 angeordnet.
Der Anschluss 9 öffnet
sich nach außen
in eine Expansionskammer 8, die an der Außenseite des,
vorzugsweise nahe bei dem, Motorblock 1 angeordnet ist.
Jeder Anschluss 9 kann einen oder mehrere (nicht gezeigte) Öffnungen
aufweisen, um einen ausreichenden Fließbereich für die durchblasenden Gase zur
Verfügung
zu stellen. Ein Evakuierungskanal 10 öffnet sich nach außen von
der Expansionskammer 8 in einen Einlasskanal 11 in
dem Zylinderkopf 12 des Motors (siehe 2).
Wie aus 2 ersichtlich, öffnet sich
der Evakuierungskanal nach außen
in den Einlasskanal 11, relativ nahe bei dem Einspritzventil 13 in
der Verbrennungskammer 14. In der Verbrennungskammer 14 öffnet sich
auch ein Auslasskanal 15 mit einem Auslassventil 16.
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Der
Kolben 3 weist eine erste sowie eine zweite Kolbenring-Nut 17 und 18 auf,
für einen
(nicht gezeigten) ersten und zweiten Kompressionsring sowie eine
dritte Kolbenring-Nut 19 für einen Ölabstreif- oder Kontrollring.
In dem Teil des Kolbens zwischen den Kolbenring-Nuten 17 und 18 ist
eine Sammelkammer 20 in der Form einer Nut, deren Breite
und Tiefe beträchtlich
größer als
die Breite und Tiefe der Kolbenring-Nut sein kann. Dies ist in 3 offenbart.
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Um
den Zeitbereich (die Dauer währen
der der Anschluss 9 in Wirkverbindung mit der Sammelkammer 20 und
dem Querschnitt des Evakuierungsanschlusses 9 steht) zu
optimieren und die Kolben-Deckhöhe
(die Distanz zwischen der Oberseite des Kolbens und der Kolbenbolzenachse 3a),
zu reduzieren, sollte die Höhe
HP des Anschlusses 9 kleiner als
oder vorzugsweise gleich der Höhe
HG der Sammelkammer-Nut 20 sein.
Dies wird eine maximale Fließkapazität mit einer
minimalen Kolben-Deckhöhe erlauben.
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Zur
gleichen Zeit muss die Distanz HU zwischen
der unteren Kante des ersten, oberen Kompressionsrings 17 und
der oberen Kante der Sammelkammer-Nut 20 gleich oder größer als
die Höhe HP des Anschlusses 9 sein. Dies wird
die Dauer und das Timing das Gasflusses zwischen der Sammelkammer 20 und
dem Anschluss maximieren, während
die Deckhöhe
minimiert wird, wobei die Verweilzeit des Kolbens nahe dem unteren
Todpunkt relativ lang ist.
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Ähnlich muss
die Distanz HL zwischen der oberen Kante
des zweiten, unteren Kompressionsrings 18 und der unteren
Kante der Sammelkammer-Nut 20 ebenso gleich oder größer als
die Höhe HP des Anschlusses 9 sein. Dies ist
notwendig, um zu verhindern, dass durchblasende Gase in das Kurbelgehäuse eintreten,
wobei dies dadurch erreicht wird, dass die Wirkverbindung zwischen
der Sammelkammer 20 und dem Kurbelgehäuse 6 unterbunden
wird, wenn der Anschluss 9 den zweiten Kompressionsring 18 überlappt.
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Die
Höhe HG der Sammelkammer-Nut 20 muss gleich
oder kleiner als eine der Höhen
HU oder HL zwischen
den oberen und unteren Kompressionsring 17, 18 und
den oberen oder unteren Kanten der Sammelkammer-Nut sein. Ebenso
muss die untere Kante des ersten Kompressionsrings 17 immer
auf dem gleichen oder einem höheren
Niveau mit der oberen Kante des Anschlusses 9 beim unteren
Todpunkt stehen, um zu verhindern, dass Gas unter Druck von der
Brennungskammer in den Anschluss 9 durch die Expansionskammer 8 und
in das Gehäuse 6 fließt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Höhen
HG, HU und HL gleich oder innerhalb der oben angegebenen
Parameter nahezu gleich.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann der Kolben 3 mit einer Abschirmung 21 an
der Seite, die der Öffnung
des Evakuierungsanschlusses 9 gegenüberliegt, ausgestaltet sein.
Das axiale Ausmaß der Abschirmung 21 ist
nahe das Gleiche wie die Länge des
Kolbens 3 von der untere Kante der Ölabstreifer-Nut zu der unteren
Kante des Kolbens. Die kleinste Breite der Abschirmung 21 an
dem unteren Teil 21a ist nahezu viermal dem Durchmesser
des Evakuierungsanschlusses 9. Die Breite des unteren Teils kann
bis hin zur größten Breite
des oberen Teils 21b, der bis nahezu sechsmal dem Umfang
des Kolbens entspricht, gewählt
werden. Wie aus 1 ersichtlich ist die Abschirmung
so in Bezug auf den Kolben angeordnet, dass ein Spalt 22 zwischen
der Wand der Zylindertrommel 2 und der Abschirmungswand 21c ausgeformt
ist. Die Breite des Spalts 22 sollte nahezu viermal dem
Durchmesser der Öffnung
des Evakuierungsanschlusses 9 entsprechen. Jedoch sollten
die größten so
gewählt
werden, dass dieser Spalt 22 in Kombination mit einer abgestuften
Abschirmung 21 derart dimensioniert sind, dass sie dem Kurbelgehäusen-Dampf
einen eingeschränkten Durchtritt
in den Evakuierungsanschluss 9 sowie einer Beschränkung für Ölspritzer
geben, den Evakuierungsanschluss 9 zu erreichen. Beim Ausformen
der Abschirmung 21 mit einer Stufe wird ein oberer Bereich
mit einem kleinen Abstand zwischen der Abschirmungsoberfläche und
der Zylinderwand sowie ein unterer Bereich mit einem größeren Abstand
vorliegen.
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Der
Kolben 3 mit der Abschirmung 21 fungiert als sich
bewegendes Ventilelement, welches das Kurbelgehäuse 6 mit der Expansionskammer 8 verbindet,
und dadurch den Einlasskanal 11 von dem oberen Todpunkt
des Kolbens 3 und nahezu einen halben effektiven Kolbenhub.
Auf diese Weise wird die Druckdifferenz zwischen dem Kurbelgehäuse 6 und
dem Einlasskanal reduziert. Das Verschließen des Evakuierungsanschlusses
bewirkt eine Reduktion des inneren zyklischen Duckimpuls-Effekts
in dem Kurbelgehäuse,
welche andernfalls dazu führen
würde,
dass ein erhöhter Öltransfer
durch das Herübertragen
von Öl
in Suspension zu der Expansionskammer 8 auftreten würde. Ein
relativ geringer Druck in dem Kurbelgehäuse 6 mit einer geringeren
und mittleren Drosselöffnung
führt ebenso
zur Reduzierung der negativen Effekte dieser inneren Druckimpulse, welche
es möglich
machen, den Motor mit einem kleinen Kurbelgehäusen-Volumen auch unter starker Belastung
zu dimensionieren.
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Der
Expansionskammer 8, der Evakuierungsanschluss 9 sowie
der Evakuierungskanal 10 werden kontinuierlich durch die
Kühlflüssigkeit
in dem benachbarten Kühlmantel 23 vorgewärmt, was die
Erfordernisse von teuren erhitzten Röhren oder Rohren eliminiert.
Dies reduziert die Kosten und das Risiko für Einfrieren bei extrem niedrigen
Temperaturen. Öl
von dem Ölabstreifring
wird davon abgehalten, in den Einlasskanal 11 über den
Evakuierungsanschluss 9 durch praktisch den gleichen Unterdruck,
wie er in dem Kurbelgehäuse
unter dem Kolben wie in dem Einlasskanal 11 vorliegt, eingesaugt zu
werden. Als Ergebnis dessen kann die Spannung in dem Ölabstreifring
reduziert werden, was die Reibung zwischen dem Kolben und dem Zylinder
reduziert. Öl
in dem Ölnebel,
welcher den Evakuierungsanschluss 9 erreicht, wird mittels
der Expansionskammer 8 separiert, wie dies detaillierter
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
in 4 beschrieben wird.
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Durchblasende
Gase, die während
des frühen
Expansionshubs des Kolbens 3 auf den ersten Kompressionsring
in der Nut 17 strömen,
werden in der Sammelkammer, die durch die Sammelkammer 20 und
die Bohrung 7 ausgeformt ist, zurückgehalten. Wenn der Kolben 3 den
Hauptteil des Expansionshubs vervollständigt hat, werden die Sammelkammer 20 und
die Bohrung mit dem Evakuierungsanschluss 9 verbunden.
Durchblasende Gase unter Druck können
nunmehr expandieren und zu dem Einlasskanal 11 über den
Evakuierungsanschluss 9, die Expansionskammer 6 und
den Evakuierungskanal 10 evakuiert werden. Keine weiteren
Gase oder Luft werden verwendet, um das durchblasende Gas herauszudrücken, sondern
das Gas und ein wenig Öl
werden durch deren eigenen Druck evakuiert. Wenn sich der Kolben 3 nach
dem Passieren des unteren Todpunkts während des Ablasshubs nach oben
bewegt, wird jede möglicherweise
verbleibende Menge an Gas evakuiert, da die Sammelkammer 20 immer
noch mit dem Evakuierungsanschluss 9 bei der ursprünglichen
Aufwärtsbewegung
des Kolbens verbunden ist. Wenn durchblasendes Gas immer noch in
der Sammelkammer 20 während
des abschließenden
Teils des Ablasshubs und des Hauptteils des Einlasshubs verblieben
sein sollte, kann diese Menge an Gas durch den Einlasskanal 11 evakuiert
werden, wenn die Sammelkammer 20 und der Anschluss 9 wieder miteinander
verbunden werden.
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Somit
werden während
aller Arbeitshübe
die Sammelkammer 20 und die Bohrung zeitweise mit dem Evakuierungsanschluss 9 verbunden,
was sicherstellt, dass die Sammelkammer 20 und die Bohrung 7 genau
von Dampf und/oder Öl
zu Beginn jedes Expansionshubs geleert werden. Dies ist wichtig für das Sauberhalten
und frei von Resten halten der Sammelkammer 20.
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Der
Teil der HC-Emission, welche in Katalysatoren von konventionellen
Motoren neutralisiert werden muss, wird durch die Menge an unverbranntem
Brennstoff-Luft-Gemisch, welches auf den ersten Kompressionsring
während
des Kompressionshubs gepresst wird und zwischen den Kompressionsringen
aufgefangen wird, bewirkt. Diese Mischung fließt normalerweise zu der Verbrennungskammer 14,
einem sogenannten entgegengesetzten Durchblasen, zurück, wenn
der Druck, der während
des Expansionshubs geringer als der Druck in der Mischung zwischen
den Ringen ist. Jedoch kann dieses Brennstoff-Luft-Gemisch angesammelt
werden und zu spät für eine Verbrennung
und zum Beitragen für
den Output des Motors zurückkommen.
Mit der Hilfe des Evakuierungsanschlusses 9 kann das unverbrannte Brennstoff-Luft-Gemisch
von der Sammelkammer 20 evakuiert werden, bevor der Druck
in der Brennungskammer so gering wird, dass die Mischung auf den ersten
Kolbenring und zurück
in die Verbrennungskammer 14 fließen kann. Dieses Gemisch kann
daher in dem nächsten
Energiehub verbrannt werden, anstatt mit dem Abgas herausgesaugt
oder in das Kurbelgehäuse
gezogen zu werden.
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Gemäß der ersten
Ausführungsform
aus 1 ist die Expansionskammer 8 in ihrem
untersten Bereich mit einem Dampfseparator 24 versehen,
welcher die Expansionskammer 8 mit dem Kurbelgehäuse 6 verbindet.
Das Volumen der Expansionskammer 8 erlaubt es den durchblasenden
Gasen, zu expandieren und in einen ruhigen Zustand in der Expansionskammer 8 sich
zu verlangsamen, wodurch ermöglicht
wird, das Öl
abgeschieden wird. Ölpartikel
in der Expansionskammer 8 fließen mittels Schwerkraft zu
dem untersten Bereich. Wenn das Öl
den Dampfseparator 24 erreicht, wird das Öl zu dem
Kurbelgehäuse 6 zurückgeführt. Der
Dampfseparator 24 ist in einem weniger turbulenten Bereich
der Expansionskammer 8 angeordnet. Dies erleichtert es
dem Öl, den
Dampfseparator 24 zu passieren, ohne dabei durch die durchblasenden
Gase in der Expansionskammer 8 gestört zu werden. Der Evakuierungskanal 10 ist
vorzugsweise in dem obersten Bereich der Expansionskammer 8 angeordnet.
Auf diese Weise müssen
die durchblasenden Gase eine relativ lange Distanz durch einen durch
den Motor in der Expansionskammer 8 erhitzten Bereich passieren,
bevor diese den Evakuierungskanal 10 erreichen, so dass
den durchblasenden Gasen erlaubt wird, wie oben beschrieben, zu
expandieren und sich zu verlangsamen. Da die Gase durch einen erhitzten
Bereich fließen,
wird der Wasserdampf in den durchblasenden Gasen davon abgehalten,
einzufrieren.
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In
einer in 4 gezeigten zweiten Ausführungsform
ist ein Wirbelrohr 25 in der Expansionskammer 8 angeordnet.
Das Wirbelrohr 25 bewirkt, dass die durchblasenden Gase
zirkulieren, so dass Ölpartikel
durch die Zentrifugalkraft des Gases dazu gezwungen werden, an den
Oberflächen
in dem Wirbelrohr anzuhaften. Prallbleche können in der Expansionskammer 8 angeordnet
werden, um die Kontaktoberfläche
in der Kammer weiter zu erhöhen,
sowie die Geschwindigkeit der zirkulierenden Öltröpfchen in den durchblasenden
Gasen zu reduzieren. Ein Einweg-Absperrventil 27, so wie
ein Reed-Ventil, ist in dem Evakuierungskanal 10 angeordnet.
Das Absperrventil 27 verhindert, dass sich ein Druck in
dem Lufteinlass aufbaut, um sich in die Expansionskammer fortzusetzen,
während
einer plötzlichen
Beschleunigung oder flüchtigen
Gaspedalbedienung. In solchen Fällen
wird das Absperrventil 27 verschlossen bleiben, bis der
Druck in der Expansionskammer 8 den Druck in dem Lufteinlass übersteigt.
Somit ist ein plötzlicher
Verlust des Unterdrucks in der Expansionskammer 8 vermieden,
und obwohl der Druck in der Kammer unter solchen Bedingungen ansteigen wird,
ist die Verzögerung
ausreichend, um einen sauberen Betrieb des Systems bis zur nächsten Öffnung des
Absperrventils 27 sicherzustellen.
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Alternativ
hierzu könnte
in einer dritten Ausführungsform,
wie sie in 5 gezeigt wird, die Expansionskammer
in eine Primärkammer 8a und
eine Sekundärkammer 8b unterteilt
werden, wobei die Kammern 8a, 8b mittels eines
zusätzlichen
Prallblechs oder durch Platzieren des Absperrventils 27 zwischen
diesen Kammern separiert werden könnten. Vorzugsweise würde die
Sekundärkammer 8b kleiner
als die Primärkammer 8a sein
und in direkter Wirkverbindung mit einem Evakuierungskanal 10 stehen.
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Da
der Druck und die Fließrate
der durchblasenden Gase in der Expansionskammer 8 kleiner
ist als in dem in der Einleitung beschriebenen bekannten Evakuierungskanal,
wird der Fließwiderstand
der durchblasenden Gase minimiert. Die niedrige Fließrate der
durchblasenden Gase reduziert die Menge an Ölpartikeln, die den Einlasskanal 11 erreichen. Ebenso
verbleibt aufgrund der Tatsache, dass der Motor mit einem Kurbelgehäusen-Unterdruck
betrieben wird, der Wasserdampf, der aus der Sammelkammer 20 austritt,
in Dampfform und wird leicht evakuiert.
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In
den oben beschriebenen Ausführungsformen
ist nur eine an der Außenseite
des Zylinderblocks 1 angeordnete Expansionskammer 8 offenbart.
Jedoch ist es möglich,
Expansionskammern 8 an jeder Seite oder verschiedene an
einer Seite des Motors anzuordnen, so dass, wenn zwei Expansionskammern
direkt an dem Motor angeordnet sind, in diesem Fall zumindest zwei
Expansionskammern 8 direkt an dem Motor angeordnet sind,
so dass zumindest zwei Evakuierungsanschlüsse in jeder Zylindertrommel 2 angeordnet
sind und jeder Anschluss 9 zu dessen jeweiliger Expansionskammer 8 führt. Somit können verschiedene
Evakuierungsanschlüsse 9 in jeder
Zylindertrommel 2 angeordnet sein.
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In 6 ist
eine perspektivische Ansicht eines Motors gemäß der Erfindung gezeigt. Die
Expansionskammer 8 ist an der Außenseite des Zylinderblocks 1 derart
angeordnet, dass die Außenseite
des Zylinderblocks 1 eine innere Wand des Raums bildet, der
die Expansionskammer 8 definiert. Vorzugsweise sind die
Seitenwände 28,
die den Raum, der die Expansionskammer 8 ausbildet, definieren,
in den Zylinderblock 1 integriert. Eine Platte oder Abdeckung 29 ist
hermetisch an den Seitenwänden 28 angebracht.
Die Abdeckung 29 kann mit einer Hitze isolierenden Schicht
versehen sein. Der Expansionskammer 8 ist üblicherweise
zu jeder Zylindertrommel 2 über einen Evakuierungsanschluss 9,
der in der Zylindertrommel 2 angeordnet ist, verbunden.
Jedoch kann die Expansionskammer 8 in Kompartimente, eine
für jede
Zylindertrommel 2, unterteilt sein.