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Zwei-oder Viertakt-Gas-Ottomotor
Die Erfindung betrifft einen Zwei- oder Viertakt-Gas-Ottomotor, dessen Zylinderkopf je Zylinder einen Hauptbrennraum aufweist, der sich zum Zylinderraum hin erweitert und an den auf der dem Zylinderraum abgewendeten Seite ein Brenmaumhals von kleinerem Volumen als der Hauptbrennraum anschliesst, welcher Brennraumhals ein in ihm einmündendes, zur Zylinderachse koaxiales Gaseinblaseventil sowie eine Zündkerze enthält.
Eine bekannte Gas-Zweitaktmaschine dieser Art besitzt einen zum Zylinderraum hin etwa trompetenförmig erweiterten Brennraum mit einem Einsatz, der in geringem Abstand von den Brennraumwänden in den Zylinderkopf eingesetzt ist. Oberhalb dieses Einsatzes ist das als Kolbenventil ausgebildete Gas- einlass- und Mischventil angeordnet, welches über drei Gruppen von Einlassöffnungen verfügt, von denen die mittlere mit einer Druckgasquelle, die obere und untere Gruppe hingegen je mit einer Druckluftquelle verbindbar sind. Bei geöffnetem Kolbenventil findet daher bei der bekannten Maschine eine im wesentlichen axiale Einströmung eines Gas-Luftgemisches in den Brennraum statt.
Der durch die unterste Gruppe der Einlassöffnungen des Kolbenventils tretende Druckluftstrom wird hiebei in zwei Teilströme aufgeteilt, von denen der eine durch einen Ringspalt in den Brenmaumhals eintritt, wogegen der andere den Zwischenraum zwischen der Zylinderkopfwandung und dem Einsatz durchströmt. Dieser letztgenannte Teilstrom hat die Aufgabe, den Brennraum von den ihn umgebenden Wandungen des Zylinderkopfes zu isolieren. Auf den Verbrennungsablauf selbst hat diese Massnahme keinen Einfluss.
Der Verbrennungsablauf von Gas-Ottomotoren ist aber in mancher Hinsicht noch verbesserungsbedürftig. Der gleichmässige Lauf und aussetzerfreie Betrieb von Ottomotoren hängt bekanntlich in hohem Mass von der Verteilung des Kraftstoffes imBrennraum und von dessenMengenverhältnis zur Verbrennungsluft ab. Bei der Auslegung der Misch-und Regeleinrichtungen für Ottomotoren wird stets mit mehr oder weniger Aufwand das Ziel verfolgt, dem Motor über den ganzen Last- und Drehzahlbereich ein zündfähiges Gas-Luftgemisch zuzuführen, d. h. das Mischungsverhältnis der Ladung ständig im Bereich zwischen der oberen und unteren Zündgrenze zu halten.
Grosse Schwierigkeiten bereitet die Gemischbildung bei Gas-Ottomotoren grösseren Hubvolumens im Sinne eines klopf-und aussetzerfreien Betriebes. Bei diesen ist die Durchbrennweite und damit die Neigung zu schlagartiger Verbrennung eines Ladungsteiles grösser als bei kleinen Brennräumen. Ausserdem ist die Gemischbildung beiMotoren mitEinblasung des Kraftgases in denverdichtungshub wegen der Kürze der zur Verfügung stehenden Mischungszeit und des Fehlens besonderer Luftbewegung und der daraus resultierenden geringerenMischungsintensität schwieriger als bei gemischansaugenden Motoren.
Es kann daher vorkommen, dass bei ungleicher Mischung ein fetter Ladungsteil in einer von der Zündkerze entfernten Brennraumzone lagert und entweder klopfend oder wegen Fehlens von zündfähigem Gemisch an der Kerze überhaupt nicht verbrennt. Dazu kommt, dass dieser unverbrannte Gasrest nur teilweise ausgespült wird und beim nächsten Verdichtungshub, mit Luft vermischt, die Ladung anreichert und somit erst recht die Klopfneigung erhöht.
Diese Schwierigkeiten und Mängel zu beseitigen und auf möglichst einfache und sichere Weise eine gleichmässige Verbrennung über möglichst grosse Regelbereiche zu erreichen, ist Ziel der Erfindung. Es
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wurde erkannt, dass ein einwandfreier Motorbetrieb auch mit magerem, ausserhalb der Zündgrenze liegendem Gemisch möglich ist, soferne wenigstens der Bereich der Zündkerze mit zündfähigem Gemisch zur Bildung der ersten Zündflamme versorgt wird. Dieser Flamme ist es dann möglich, auch den mageren Gemischrest zu zünden.
Die Erfindung besteht nun darin, dass der zylindrisch, konisch oder ballig ausgebildete Brennraumhals, dessen Volumen weniger als 20% des Hauptbrennraumvolumens beträgt, in den den Hauptbrennraum bildenden, vorzugsweise ohne Verengung anschliessenden Brennraumabschnitt in Form einer abgerundeten Kante übergeht und sich die Zündkerze im Brennraumhals in unmittelbarer Nähe des Gaseinblaseventils befindet. Zufolge dieser Ausbildung, die eine strenge Unterteilung des Brennraumes in Brennraumhals und Hauptbrennraum vorsieht, verbleibt im Brennraumhals nach Beendigung derGaseinblaseperiode ein Gasrest, der zusammen mit der während der weiteren Verdichtung einströmenden Verbrennungsluft einezone angereicherten zündfähigen Gemisches bildet.
Da die Zündkerze unmittelbar in dieser Zone liegt, ist eine sichere Zündung und ein gleichmässiger Verbrennungsablauf auch bei kleinsten Einblasemengengewährleistet. EineGasmaschine dieserArt kann daher auch imBereich niedriger Belastung vollkommen aussetzerfrei gefahren werden, so dass die Beanspruchung der Lager- und Triebwerksteile durch die sonst unvermeidbare stossweise Belastung erheblich vermindert werden kann.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist im Hauptbrennraum in an sich bekannter Weise eine zweite Zündkerze vorgesehen und dient diese zweite Zündkerze zur Zündung zumindest im Vollastbereich. Diese Massnahme gewährleistet eine einwandfreie Zündung ausser im Teillastbereich auch in allen übrigen Regelbereichen des Motors. Eine fallweise auftretende Überfettung der Halszündkerze im Bereich hoher Lasten ist daher bedeutungslos.
Erfindungsgemäss kann weiters das Gaseinblaseventil in an sich bekannter Weise mit wirbel-oder drallerzeugenden Schirmen, Bohrungen od. dgl. Einrichtungen versehen sein. Diese Ausbildung bewirkt
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Motor nahezu vollkommen aussetzerfrei fahren zu können.
Nach einer bevorzugten Ausführungsart gemäss der Erfindung erteilen die Leitflächen der wirbeloder drallerzeugenden Schirme, Bohrungen od. dgl. Einrichtungen des Gaseinblaseventils bei kleinen Ventilhüben im wesentlichen dem gesamten Gasstrom einen Drall, sind bei grossen Ventilhüben nahezu unwirksam, so dass hiebei das Gas annähernd drallfrei axial in den Hauptbrennraum einströmt. Der Hauptstrom des Gases gelangt daher auf kürzestem Wege in den Hauptbrennraum, so dass im Bereich höherer Lasten eine intensive Mischung mit der Verbrennungsluft stattfindet. In vorteilhafter Weise kann hiebei je nach Bedarf durch entsprechende Gestaltung der Leitflächen ein allmählicher oder rascher Übergang von der Wirbelströmung zur drallfreien Strömung bei zunehmender Ventilöffnung erzielt werden.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Brennraumausbildung im Axialschnitt, Fig. 2 und 3 ein anderes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, wobei Fig. 2 ein Gaseinblaseventil, teils im Axialschnitt, teils inAnsicht und Fig. 3 eineDraufsicht auf das Gaseinblaseventil, teilweise im Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 2, darstellt.
In Fig. 1 ist der Hauptbrennraum mit 1 bezeichnet. Zylinderkopfseitig geht dieser mit einer Abrundung in einen koaxial angeordneten, zylindrischen Brennraumhals 2 über. Das Gaseinblaseventil 3 befindet sich, in ebenfalls koaxialer Anordnung, oberhalb des Brennraumhalses 2 und bildet dessen oberen Abschluss. Das Einblaseventil 3 ist mit wirbel-oder drallerzeugenden Schirmen 4 versehen.
In der Seitenwand des Brennraumhalses ist eine Zündkerze 5 eingeschraubt, die zur Zündung im Teillastbereich des Motors dient. Eine weitere Zündkerze 6 ist seitlich im Zylinderkopf im Bereich des Hauptbrennraumes 1 angeordnet.
Die Vorgänge in der erfindungsgemäss ausgebildeten Brennkammer sind nun folgende :
Im Zylinder der Brennkraftmaschine besteht während des Ladungswechsel eine Spülbewegung, die auch nach Abschluss der Schlitze bzw. Ventile zum Teil andauert. Das Kraftgas wird in der ersten Hälfte des Verdichtungshubes aus dem Gaseinblaseventil 3 durch den Brennraumhals 2 in den Hauptbrennraum 1 geblasen und verwirbelt. Durch die geometrische Trennung des Halses 2 vom Hauptbrennraum 1 ist die Wirbelung in ihm nur teilweise wirksam, so dass ein nach dem Einblasende darin verbleibender Gasrest, zusammen mit der während der weiteren Verdichtung einströmenden Verbrennungs- luft, ein angereichertes Gemisch ergibt, das der im Brennraumhals 2 befindlichen Zündkerze 5 zur sicheren Zündung zur Verfügung steht.
Spülung, und Kühlung des Brennraumhalses 2 und der Zündkerze 5 werden nicht allein vom
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nächsten, nur teilweise wirksamen Spülwirbel, sondern auch von der nächsten Kraftgaseinblasung übernommen. Die Zündkerze 5 hat vornehmlich für aussetzerfreien Teillastbetrieb zu sorgen, wogegen die zweite Zündkerze 6 im Hauptbrennraum 1 dazu dient, bei hohen Lasten mit grosser Einblasemenge keinesfalls Zündaussetzer aus einer zufälligen Überfettung der Halskerze 5 zu erhalten.
Die Wirksamkeit des Brennraumhalses 2 steht in engem Zusammenhang mit der Ausbildung des Gaseinblaseventils 3. Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2 und 3 besteht das Gaseinblaseventil 3 aus dem Ventilschaft 3', dem Ventilteller 8 und dem Sitzring 7, an dessen konischer Sitzfläche der Ventilteller 8 anliegt. An der Seite des Ventilschaftes 3'weist der Ventilteller 8 einen ringförmigen Steuerwulst 9 mit nach aussen gewölbter Mantelfläche auf. Die Aussenkontur der Mantelfläche verläuft, von der konischen Sitzfläche des Ventiltellers 8 tangential an den Sitzring 7 ausgehend, zum Ventilschaft 3'hin stetig nach innen gekrümmt. Der Zweck dieser Ausbildung des Steuerwulstes 9 wird später noch näher erläutert.
Der Steuerwulst 9 weist eine Anzahl über seinen Umfang gleichmässig verteilter Bohrungen 10 auf, die einerseits gegen die Ventilachse geneigt und anderseits schräg zur radialen Richtung liegen. Die Bohrungen 10 münden an der Mantelfläche des Steuerwulstes 9 in unmittelbarer Nähe der konischen Ventilsitzfläche.
Die Wirkungsweise eines derart ausgebildeten Gaseinblaseventils ist folgende : In der Schliesslage des Ventils 3 sind die Bohrungen 10 unwirksam. Zu Beginn der Öffnungsbewegung des Ventils 3 tritt zunächst annähernd der gesamte Gasstrom durch die Bohrungen 10 mit starkem Druck in den Brennraumhals 2 aus. Hiebei wird ein grosser Teil der Durchblaseenergie des Gases vor seinem Eintritt in den Brennraumhals 2 vernichtet. Die Durchtrittsgeschwindigkeit des Gases durch den Brennraumhals 2 wird dadurch so weit herabgesetzt, dass im Teillastbereich des Motors im Brennraumhals die beabsichtigte Gemischanreicherung eintritt.
Bei weiterer Ventilerhebung nimmt der zwischen Sitzring 7 undSteuerwulst 9 frei werdende Ringquerschnitt stetig zu, so dass ein immer grösserer Teil des Gasstromes annähernd drallfrei und im wesentlichen in axialer Richtung durch den Ringquerschnitt in den Brennraumhals 2 austritt und diesen rasch durchströmend in den Brennraum 1 gelangt. Schliesslich, bei voller Öffnung des Ventils, werden die Bohrungen 10 des Steuerwulstes 9 nahezu unwirksam und das Gas strömt unbehindert durch den Ringquerschnitt in den Brennraum 1.
Vorzugsweise ist die Mantelfläche des Steuerwulstes 9 derart gewölbt, dass sich bei zunehmendem Ventilhub zuerst nur kleine Änderungen der Durchtrittsquerschnitte ergeben. Selbstverständlich kann aber durch eine andere Gestaltung der Aussenkontur des Steuerwulstes 9 auch eine beliebig verlaufende Strömungscharakteristik für das Ventil erhalten werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Zwei- oder Viertakt-Gas-Ottomotor, dessen Zylinderkopf je Zylinder einen Hauptbrennraum aufweist, der sich zum Zylinderraum hin erweitert und an den auf der dem Zylinderraum abgewendeten Seite einBrennraumhals von kleinerem Volumen als der Hauptbrennraum anschliesst, welcher Brennraumhals ein in ihm einmündendes, zur Zylinderachse koaxiales Gaseinblaseventil sowie eine Zündkerze enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische, konisch oder ballig ausgebildete Brennraumhals (2), dessen Volumen weniger als 200/0 des Hauptbrennraumvolumens beträgt, in den den Hauptbrennraum (1) bildenden, vorzugsweise ohne Verengung anschliessenden Brennraumabschnitt in Form einer abgerundeten Kante übergeht und sich die Zündkerze (5) im Brennraumhals in unmittelbarer Nähe des Gaseinblaseventils (3)
befindet.
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zweite Zündkerze (6) zur Zündung zumindest im Vollastbereich dient.
3. Zwei-oderViertakt-Gas-OttomotornachAnspruchl, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseinblaseventil (3) in an sich bekannter Weise mit wirbel-oder drallerzeugenden Schirmen (4), Bohrungen (10) od. dgl. Einrichtungen versehen ist.
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