DE10116084A1

DE10116084A1 - Motor mit separatem Kolbenboden

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Publication number: DE10116084A1
Application number: DE2001116084
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2002-10-10
Also published as: WO2002079627A1; DE20220664U1

Abstract

Der Verbrennungsmotor (1) weist einen Kolben (14) auf, dessen Besonderheit darin besteht, dass der Kolbenboden (38) von dem Kolbenhemd (33) durch eine Trennfuge (F) 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 desselben sowie ein motorater Wärmeübergang erreicht werden, wobei andererseits die Wärmedehnung des Kolbenbodens nicht auf das Kolbenhemd übertragen wird. Deht 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 Öfbedarf 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.

Description

Die Erfindung betrifft einen Motor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Insbesondere be trifft die Erfindung den Kolben des Motors.

Der Kolben eines Motors hat erheblichen Einfluss auf die Betriebseigenschaften des Motors. Es ist Ziel der ge genwärtigen Entwicklung, Motoren zu schaffen, die hohe Wir kungsgrade, 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 Kolben hemds bilden einen oberen Kolbenteil, der mechanisch mit weiteren Teilen (dem Schaft) des Kolbens verbunden ist. Dabei steht der obere Kolbenteil über zwei zueinander kon zentrische, horizontale, ringförmige Planflächen mit einem darunter angeordneten Stützteil in Berührung. Diese Bauform soll dazu dienen, die auf den Kolbenboden einwirkenden Bie gekräfte 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 schei benförmige Kolbenboden wie bei dem vorstehenden Beispiel an seiner Umfangsfläche Kolbenringnuten aufweist. Der Kolben boden 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 her vor, 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 Plan flächen an dem Trägerelement anliegt und mit einem zentra len Bolzen mit dem Trägerelement verbunden ist.

Diese Bauform hat einen relativ großen Abstand der Kolbenbodenfläche von den Kolbenringnuten zur Folge, wo durch sich in dem entstehenden Spalt zwischen dem Kolben mantel 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 ringförmi gen Rand, der an seiner zylindrischen Außenseite einen Teil der Lauffläche des Kolbens bildet. Die Fassung ist form schlüssig 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 Ausführungs form eines Kolbens mit keramischem Kolbenboden bekannt. Der keramische Kolbenboden wird durch ein scheibenförmiges Ke ramikelement gebildet, das an seiner dem Brennraum abge wandten 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 Kol benstirnfläche) 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 Ele ment gebildet wird. Der Kolbenboden weist eine Anlagefläche auf, die mit einer Anlagefläche des Kolbenhemds in dauern der 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, anderer seits aber Mikrobewegungen parallel zu den Anlageflächen möglich sind. Dies hat erheblichen Einfluss auf die Be triebseigenschaften 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 gehalter. Demzufolge ergibt sich eine Temperaturstu fung, d. h. die Temperatur des Kolbenbodens ist in der Regel größer als die Temperatur des Kolbenhemds. Die Wärmeaus dehnung 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 Kolbenbo dens 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 niedrige ren Temperatur des Kolbenhemds bestimmt wird.

Ein solcher Kolben kommt, wie Experimente gezeigt ha ben, mit deutlich geringerer Schmierung aus als ein her kömmlicher Kolben. Die fehlende Übertragung der Wärmeaus dehnung von dem Kolbenboden auf das Kolbenhemd hat zur Fol ge, 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 Kolben boden 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 Mikrobewegun gen 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 Flach feder 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 Axial bewegung 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 ausgebil det, dass die Trennfuge nicht durch die Lauffläche des Kol bens verläuft, sondern durch seine Stirnfläche, die an den Brennraum grenzt. Die Trennfuge ist dabei ringförmig und vorzugsweise in einem geringen Abstand zu der äußeren Man telfläche des Kolbens angeordnet. Der Abstand beträgt vor zugsweise etwa 1 mm, so dass die Kolbenstirnfläche in einen schmalen ringförmigen äußeren Bereich noch von dem das Kol benhemd bildenden Kolbenteil und ansonsten von dem einge setzten Kolbenboden gebildet wird. Der Abstand zwischen dem äußeren Rand des Kolbenbodens und der Lauffläche ist minde stens 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 zu halten. Beispielsweise wird der den Kolbenboden umgebenden ringför mige 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 somit minimiert. Der Kolben kann wegen der geringeren Radial dehnung mit geringerem Einbauspiel eingebaut werden, was die Abgasemission weiter verbessert. Dieser Aspekt ist ins besondere 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 Axial bewegung des Kolbenbodens gegen den sonstigen Kolben aus reichend gering und andererseits wird die radiale Ausdehn bewegung des Kolbenbodens nicht wesentlich auf das Kolben hemd übertragen. Hier werden Winkel von 45-80° zur Kol benlängsachse als praktikabel angesehen, wobei 60° den der zeit bevorzugten Wert darstellt.

Die flächige Anlage zwischen Kolbenboden und Kolben hemd 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 Zylinder lauffläche gekühlt ist, kann somit etwas kühler bleiben - der Kolbenboden kann eine etwas höhere Temperatur annehmen als bei einem ungeteilten Kolben. Der flächige Kontakt zwi schen dem Kolbenboden und dem Kolbenhemd stellt aber noch immer einen ausreichenden Wärmeübergang sicher, um eine Überhitzung und somit Zerstörung des Kolbenbodens auszu schließen.

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 Anlageflä che, 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 Kera mik.

Es ist auch möglich, den Kolbenboden mit einer Be schichtung zu versehen. Z. B. kann die Beschichtung allein an seiner brennraumseitigen Stirnfläche vorgenommen werden. Möglich sind insbesondere Keramikbeschichtungen, Hartstoff beschichtungen, wärmeisolierende Beschichtungen usw. Da gegen 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 Lauf fläche 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 Dichtungs mittel vorgesehen sein. Dieses ist bspw. ein wärmebeständi ger, 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 Zweitakt motor kann das Kurbelgehäuse als Spülpumpe genutzt werden. Der Motor kann sowohl mit Gemischzuführung als auch mit Kraftstoffeinspritzung und sowohl als selbstgezündeter Mo tor 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 an sehnlicher 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 herkömm lichen Serienmotor, merklich gesenkt werden. Die Betriebs kosten 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 Strömungs kanäle begrenzt) kann beim Zweitaktmotor als Ölabscheider wirken. Infolge der hohen Relativgeschwindigkeit zwischen Kolben und Gas im Kurbelgehäuse kenn das Befestigungsele ment zum Niederschlag des Öls aus dem vorhandenen feinen Ölnebel beitragen. Anstelle der Haltefeder können auch an dere in dem Kolben vorgesehene, vorzugsweise scharfkantige Elemente als Ölabscheider dienen. Die Haltefeder steht le diglich 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 Antei len öliger Kohlenwasserstoffe. Die verbleibenden Abgase können ohne Schwierigkeiten mit Katalysatoren nachbehandelt werden. Der resultierende Zweitaktmotor ist sauber, be triebssicher 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 Durch messer 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 erfindungs gemäßen Kolbens lassen sich auch bei Einsatz in einem Vier taktmotor nutzen, der hinsichtlich der Schmierung der Lauf fläche weniger kritisch ist als ein Zweitaktmotor.

Beim Einsatz in einem Viertaktmotor ist es auch mög lich, den erfindungsgemäßen Kolben exakt zylindrisch, oder wenigstens weit an die exakte Zylinderform angenähert aus zubilden. 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 Lauf fläche bildende Umfangsfläche aufweist. Insbesondere kann das Kolbenhemd einen kreisförmigen Querschnitt erhalten. Die im Querschnitt kreisförmige sowie ansonsten tonnenför mige oder zylindrische Ausbildung des Kolben gestattet weitgehend betriebstemperaturunabhängig verbesserte Lauf eigenschaften.

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 Katalysa torelemente mit hoher Zellenzahl verwendet werden, die ei nen 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 Ab gasstrom betragen und von einer gesonderten Pumpe einge führt werden. Die Beimischung in den Abgasstrom mittels Strahlpumpenprinzip ist ebenso möglich. Dadurch kann der Sauerstoffanteil des Abgases erhöht werden, um die Kataly satorwirkung zu verbessern.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfin dung veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Motor in prinzipdarstel lung (geschnitten),

Fig. 2 eine Ausführungsform eines Kolbens für den Motor nach Fig. 1 in Schnittdarstellung,

Fig. 3 den Kolbenboden des Kolbens nach Fig. 2 in einer Ansicht von unten,

Fig. 4 eine Befestigungsfeder für den Kolbenboden nach Fig. 3 in Draufsicht,

Fig. 5 ein Sicherungselement für die Befestigungsfeder nach Fig. 4 in Draufsicht,

Fig. 6 einen für einen Viertaktmotor vorgesehenen Kolben in Schnittdarstellung,

Fig. 7 den Kolben nach Fig. 6 mit seinem Kolbenboden in Explosionsdarstellung,

Fig. 8 den Kolben nach Fig. 7 in Draufsicht,

Fig. 9 den Kolbenboden nach Fig. 7 in Draufsicht,

Fig. 10 den Kolbenboden in einer Ansicht von unten,

Fig. 11 eine Haltefeder für den Kolbenboden in Draufsicht und

Fig. 12 ein Befestigungselement für die Haltefeder in Draufsicht und Seitenansicht.

In Fig. 1 ist, als Beispiel für einen erfindungsgemä ßen 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 ge mischgeschmiertes 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 Kol benbolzen 16 angeordnet.

Das Kurbelgehäuse 6 dient als Pumpvolumen. Es ist über einen geeigneten Einlass, bspw. einen Schlitzeinlass, einen Drehschiebereinlass oder dargestellt über einen Membran einlass 17, mit einer Gemischaufbereitungseinrichtung wie einem Vergaser verbunden. Dieser dient der Erzeugung eines Kraftstoffluftgemischs. Andere Gemischerzeugungseinrichtun gen, wie Kraftstoffeinspritzung und Dergleichen, können alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein.

Von dem Kurbelgehäuse 6 führt wenigstens ein Über strömkanal 18 zu wenigstem einem Überströmschlitz 19, der oberhalb des unteren Totpunkts des Kolben 14 angeordnet ist. Vorzugsweise sind mehrere Überströmkanäle 18 und Über strömschlitze 19 vorgesehen. Oberhalb des unteren Totpunkts des Kolben 14 ist außerdem ein Einlassschlitz 21 vorgese hen, 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 Lei tung über einen Abgasschaltdämpfer 28 ins Freie.

Das Abgasrohr 25 kann ein Element 31 zur Wirbelbildung enthalten, das bspw. durch die Parallelschaltung eines kur zen und eines lagen Gaswegs gebildet ist. Außerdem ist es möglich, in das Gehäuse 24 zusätzlich Luft einzuleiten. Ein entsprechender Lufteinlass 31 ist in Fig. 1 symbolisch dar gestellt. 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 Abgasvolumen stroms liegt.

Eine Besonderheit des Motors 1 liegt in dem Kolben 14, der gesondert in Fig. 2 veranschaulicht ist. Der Kolben 14 weist ein ungefähr zylindrisches Kolbenhemd 33 auf, das eine Querbohrung 34 für den Kolbenbolzen 16 aufweist. An sonsten weist das Kolbenhemd 33 die übliche Bauform eines Zweitakt-Kolbens auf - es trägt in einem der oberen Stirn kante 35 benachbarten Bereich, Kolbenringnuten 36, 37. In diesen sitzen nicht weiter veranschaulichte Verdrehsiche rungen für Kolbenringe. Die obere Kolbenringnut 36 ist in einem Abstand zu der Stirnkante 35 angeordnet, der zweck entsprechend gering ist - bspw. ist er so groß wie der Ab stand der Kolbenringnuten 36, 37 untereinander.

Der Kolben 14 weist einen baulich von dem Kolbenhemd 33 getrennten Kolbenboden 38 auf. Seine Außenkontur ent spricht 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 Anlage fläche 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 Kolben hemds 33 nicht. Vielmehr endet sie an der Stirnseite des Kolbenhemds 33 in einem in Fig. 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 Fig. 3 mit Blick auf seine Unterseite veranschaulicht. Der Kolbenboden 38 weist eine ringförmige Anlagefläche 44 auf, die, wie aus Fig. 2 hervorgeht, konisch (kegelstumpfförmig) ausgebildet ist. Der Kegelwinkel stimmt mit dem Kegelwinkel der Anlage fläche 41 überein. An seinem äußeren Rand läuft der Kolben boden 38 in einer scharfen Kante 45 aus. Die Kante 45 ist von Flächen begrenzt, die sich an der Kante im spitzen Win kel 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 Halte zapfen 47 vorgesehen, der in den Kolbenboden 38 eingesetzt oder einstückig mit diesem ausgebildet sein kann. Der Hal tezapfen 57 weist einen hammerförmigen, in Draufsicht rechteckigen Kopf 48 auf, der zum Ansatz einer in Fig. 4 gesondert veranschaulichten Haltefeder 49 dient. Diese weist eine im Umriss mit dem Kopf 48 übereinstimmende Mit telöffnung 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 vor gesehenen Innenschulter 54 anzuliegen. Diese ist etwa auf gleicher Höhe mit dem Kopf 48 angeordnet oder etwas unter halb desselben, um der Haltefeder 49 eine Vorspannung zu geben, wenn diese, wie in Fig. 2 veranschaulicht ist, zwi schen dem Kopf 48 und der Innenschulter 54 gespannt ist. Die Haltefeder ist ein scharfkantig begrenztes Blechteil.

Zur Befestigung der Haltefeder 49 dient ein in Fig. 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 (Fig. 4) zugeordnete Aussparungen 61, 62 zugeordnet. Die Vor sprünge 57, 58 greifen in die Aussparungen 61, 62 wenn die Haltefeder 49 und das Sperrteil 55 um 90° verdreht überein ander liegen.

Die Montage geht wie folgt:
Der Kolbenboden 38 wird auf das Kolbenhemd 33 aufge setzt. 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 Fe derkraft ist so groß, dass der Kolbenboden 38 in jedem Be triebszustand des Motors 1 fest an das Kolbenhemd 33 an gepresst wird und die Anlageflächen 41, 44 nie außer Ein griff kommen. Mit anderen Worten, die zwischen beiden An lageflächen 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. In folge des Betriebs des Motors 1 erwärmt sich der Kolbenbo den 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 Radialrich tung 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 Mo tor läuft relativ "nass". Die Verdichtung des Motors 1 kann gegenüber herkömmlichen Zweitaktmotoren bis an die Klopf grenze heran erhöht werden, ohne dass der Motor 1 Schaden nimmt. Aufgrund dessen sowie aufgrund der etwas verminder ten Wärmeausleitung über den Kolbenboden 38, zeigt der Er findungsgemäße Kolben 14 insbesondere bei Verwendung in Kleinmotoren eine erhebliche Kraftstoffeinsparung. Außerdem ist der Ölgehalt der Abgase gering, so dass diese ohne grö ßere Schwierigkeiten auch mit einem sehr feinkanaligen Ka talysator 27 nachbehandelt werden können.

Fig. 6 bis 10 veranschaulicht einen Kolben zum Einsatz in einem Viertaktmotor. Die wesentliche Besonderheit dieses Kolbens besteht im Vergleich zu dem vorstehend beschriebe nen Kolben in einer etwas leichteren Ausführung des Kolben hemds, wie es bei Viertaktmotoren wegen der fehlenden Steu erfunktion des Kolbens üblich ist, sowie in einer anderen Formgebung des Kolbenbodens 38. Außerdem müssen die Kolben ringe 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 streifenför mige Anlage im Bereich der Kante 45 zu erhalten.

Der Kolbenboden 38 weist eine im wesentliche ebene Stirnfläche auf, die wie aus Fig. 7 und 9 hervorgeht, mit einer Tasche 63 für die Ventile des Motors versehen sein kann.

Das Kolbenhemd ist in Draufsicht nochmals in Fig. 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 gemein samen Ebene liegt, wodurch der Brennraum glatt abgeschlos sen 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 Fig. 11 veranschaulicht. Sie stimmt im wesentlichen mit der Haltefeder für den Zweitaktkolben nach Fig. 2 überein. In folge der etwas flacheren Bauform des Kolbens ist der Kol benboden 38 jedoch mit einem relativ kurzen in Draufsicht rechteckigen Haltezapfen 47 versehen. Entsprechend ist der den Haltezapfen 47 zweiseitig überragende Kopf 48 ebenfalls relativ schmalausgebildet. 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 Sperr teils 55, dass zwei durch einen Steg 65 miteinander verbun den Sperrschenkel 66, 67 aufweist. Diese tragen die Vor sprünge 57, 58 zur Verriegelung der Haltefeder 49 hinter dem Kopf 48.

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 be schaffen 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 Kolben boden 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 we sentlichen unverändert bleibt. Ein solcher Motor weist ei nen geringen Ölbedarf eine gute und eine außergewöhnliche Robustheit auf. Zweitaktmotoren dieser Bauart lassen sich mit Treibstoffen betreiben, die weniger als 0,5% Öl ent halten. Diese macht den Motor uneingeschränkt Katalysator fähig. 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

Claims

1. Verbrennungsmotor (1)
mit wenigstens einem Kolben (14), der in einem Zylin der (2) axial verschiebbar angeordnet ist und der ein Kolbenhemd (33) mit einer Lauffläche (43) und einen Kolbenboden (38) aufweist, wobei der Kolbenboden (38) und das Kolbenhemd (33) jeweils eine Anlagefläche (41, 44) aufweisen, an der sie miteinander permanent in Berührung stehen und die eine Trennfuge (F) bilden,
mit einem Verbindungsmittel (49) zur mechanischen Ver bindung zwischen dem Kolbenboden (38) und dem Kolben hemd (33),
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verbindungsmittel (49) ein Federmittel ist, das den Kolbenboden (38) und das Kolbenhemd (33) mit ihren Anlageflächen (41, 44) federnd gegeneinander spannt.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass die von dem Federmittel (49) auf die Anlageflächen (41, 44) ausgeübte Kraft größer ist als jede bei Betrieb des Motors (1) auftretende, die Anlageflächen (41, 44) voneinander weg ziehende Kraft.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass die von dem Federmittel (49) auf die Anlageflächen (41, 44) ausgeübte Kraft kleiner als eine Grenzkraft ist, die ausreicht, um eine Mikrobewegung zwi schen den Anlageflächen (41, 44) nicht zu blockieren.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (49) durch eine Flachfeder (49) gebildet ist, die mittig mit dem Kolbenbo den (38) verbunden ist.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, dass die Flachfeder (49) mit beiden Enden (52, 53) jeweils an dem Kolbenhemd (33) abgestützt ist.

6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass die Trennfuge (F) außerhalb der Laufflä che (43) angeordnet ist.

7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass die Trennfuge (F) konisch ausgebildet ist.

8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass die Trennfuge (F) an der Stirnseite des Kolbens (38) in einem Abstand (A) zu der Lauffläche (43) angeordnet ist.

9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass die Anlageflächen (41, 44) miteinander in flächiger Anlage stehen.

10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass in der Trennfuge (F) eine Dichtungsein richtung vorgesehen ist.

11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass das Kolbenhemd (33) und der Kolbenboden (38) aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind.

12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass das Kolbenhemd (33) und der Kolbenboden (38) aus übereinstimmendem Material ausgebildet sind.

13. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass der Motor ein Viertaktmotor ist.

14. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass der Motor ein Zweitaktmotor (1) ist.

15. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass der Motor ein Selbstzünder ist.

16. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass der Motor (1) ein Fremdzünder ist.

17. Verbrennungsmotor nach Anspruch 14, dadurch ge kennzeichnet, dass der Motor (1) ein als Spülpumpe genutz tes Kurbelgehäuse (6) aufweist.

18. Verbrennungsmotor nach Anspruch 17, dadurch ge kennzeichnet, dass der Motor (1) ein Gemisch geschmierter Motor (1) ist.

19. Verbrennungsmotor nach Anspruch 18, dadurch ge kennzeichnet, dass das Öl/Benzin-Gemisch ein Mischungsver hältnis von gleich oder kleiner als 1/200 aufweist.

20. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor an einen Auspuffkanal (22) angeschlossen ist, der einen Katalysator (27) enthält.

21. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass der Katalysator (27) in einer doppelwan digen Kammer (24, 26) angeordnet ist, die von zugeleitetem Abgas durchströmt ist.

22. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass der Abgaskanal (22) mit einem Frisch luftkanal (31) verbunden ist.

23. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, dass der Frischluftkanal (31) an eine Frisch luftpumpe angeschlossen ist.

24. Kolben (14) für einen Verbrennungsmotor (1),
mit einem Kolbenhemd (33), das eine Lauffläche (43) aufweist, und mit einem Kolbenboden (38), wobei der Kolbenboden (38) und das Kolbenhemd (33) jeweils eine Anlagefläche (41, 44) aufweisen, an der sie mitein ander permanent in Berührung stehen und die eine Trennfuge (F) bilden,
mit einem Verbindungsmittel (49) zur mechanischen Ver bindung zwischen dem Kolbenboden (38) und dem Kolben hemd (33),
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verbindungsmittel (49) ein Federmittel ist, das den Kolbenboden (38) und das Kolbenhemd (33) mit ihren Anlageflächen (41, 44) federnd gegeneinander spannt.

25. Kolben nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Federmittel (49) auf die Anlageflächen (41, 44) ausgeübte Kraft größer ist als jede bei Betrieb des Motors (1) auftretende, die Anlageflächen (41, 44) von einander weg ziehende Kraft.

26. Kolben nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Federmittel (49) auf die Anlageflächen (41, 44) ausgeübte Kraft kleiner als eine Grenzkraft ist, die ausreicht, um eine Mikrobewegung zwischen den Anlage flächen (41, 44) nicht zu blockieren.

27. Kolben nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (49) durch eine Flachfeder (49) gebildet ist, die mittig mit dem Kolbenboden (38) verbunden ist.

28. Kolben nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachfeder (49) mit beiden Enden (52, 53) jeweils an dem Kolbenhemd (33) abgestützt ist.

29. Kolben nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfuge (F) außerhalb der Lauffläche (43) an geordnet ist.

30. Kolben nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfuge (F) konisch ausgebildet ist.

31. Kolben nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfuge (F) an der Stirnseite des Kolbens (38) in einem Abstand (A) zu der Lauffläche (43) angeordnet ist.

32. Kolben nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlageflächen (41, 44) miteinander in flächiger Anlage stehen.

33. Kolben nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass in der Trennfuge (F) eine Dichtungseinrichtung vor gesehen ist.

34. Kolben nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenhemd (33) und der Kolbenboden (38) aus un terschiedlichen Materialien ausgebildet sind.

35. Kolben nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenhemd (33) und der Kolbenboden (38) aus über einstimmendem Material ausgebildet sind.

36. Kolben nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass an der dem Kurbelgehäuse (6) zugewandten Seite des Kolbens (14) ein Ölabscheideelement (49) angeordnet ist.