Viertakt-Verbrennungsmotor Die Erfindung betrifft. einen Viertakt- Verbrennungsmotor und soll insbesondere bei der im USA-Patent Nr. \'484009 beschriebenen Motorenart zur Anwendung gelangen.
Der Viertaktverbrennungsmotor nach die ser Erfindung ist ausgerüstet mit einem hin und her gehenden Kolben und einem Zylin der, bei dem zwischen Kolben und Zylinder kopf in der obern Totpunktlage des Kolbens ein scheibenförmiger Verbrennungsraum ge bildet wird, mit einem Lufteinlasskanal zum Zuführen der Luft in einer Richtung tangen- tial zu dem Verbrennungsraum, mit einem Tellereinlassventil, das in ganz angehobener Stellung mit dem Ventilsitz eine Öffnung be- g.renzt,
deren Querschnitt der kleinste ist, den ilie Ansaugluft zu passieren hat, mit einem Abschirmelement an einer Seite des Ventil tellers, wobei die Konstruktion solcher Art ist, dass sie einen Wirbel der Ansaugluft im Verbrennungsraum bewirkt, bei dem die äussern Teile je Umdrehung der Kurbelwelle mindestens fünfmal um die Zylinderachse kreisen, mit auf dem Umfang des Verbren nungsraumes angeordneten Brennstoffein- spritzmitteln,
mit Mitteln zum Einleiten des Einspritzvorganges für den Brennstoff 75 bis 30 vor der obern Totpunktlage im Kom pressionstakt des Kolbens, mit Mitteln zum Zünden, die auf dem Umfang des Verbren nungsraumes um einen Winkel von weniger als 90 gegenüber den Brennstoffeinspritz- mitteln versetzt angeordnet sind. Es wurde festgestellt, dass die Umfangsgeschwindigkeit des Wirbels von der Drehzahl des Motors ab hängt und dass sie etwa im gleichen Verhält nis wie die Motordrehzahl zunimmt.
Bei Mo tordrehzahlen bis zu 2400 U/min, entspre chend einer mittleren Kolbengeschwindigkeit bis zu 9,15 m/s, arbeiten die bisherigen Aus führungsformen von Motoren dieser Art hin sichtlich klopffreier Verbrennung zufrieden stellend und mit angemessenem Wirkungs grad. Bei dem Versuch, einen sehnellaufen- Motor mit obigen Merkmalen für wechselnde Belastung mit einer Obergrenze des normalen Betriebsdrehzahlbereiches, die einer mittleren Kolbengeschwindigkeit von mehr als 10 m/s entspricht, zu schaffen, trat infolge des ge ringen v olumetrischen Wirkungsgrades des Motors ein fühlbares Absinken der Maximal leistung ein.
Der Zweck der Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Viertaktmotors der genannten Art, bei dem nicht nur die geforderte hohe Luftwirbelgesehwindigkeit er zeugt, sondern auch ein wesentlich verbesser ter volumetrischer Wirkungsgrad erzielt wird, um die Maximalleistung bei hohen, einer mitt leren Kolbengeschwindigkeit von mehr als 10 m/s entsprechenden Motordrehzahlen zu erhöhen.
Nach der vorliegenden Erfindung ist der Viertaktverbrennungsmotor dadurch gekenn zeichnet, dass der Lufteinlasskanal einen ge raden Teil aufweist, dem vor dem Einlass- v entil ein allmählich gebogener Teil folgt, der die Luft dem Einlassventil mit einer Abwärts- neigung gegenüber dem geraden Teil von weniger als 45 zuführt,
wobei der Querschnitt des Lufteinlasskanals sieh in Richtung des Luftstromes allmählich von einem kreisrun den Querschnitt im geraden Teil des Kanals zu einem angenähert ovalen Querschnitt vor dem Einlassv entil verändert, wobei die Haupt achse des ovalen Querschnittes in einer Ebene senkrecht zur Achse des Zylinders liegt und das Abschirmelement in dem stromaufwärts liegenden Halbkreisbogen des Einlassv entiltel- lers liegt, und dass das Absehirmelement eine Höhe besitzt, die den grössten Ventillab nicht überschreitet.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungs gegenstandes ist. in den beigefügten Zeichnun gen veranschaulicht. Es zeigen: Fig.1 einen Teil eines Motorenzylinders in einem vertikalen Querschnitt nach der Linie 1-1 der Fig.2 und gewisse Zubehörteile in Ansicht,
Fig. 2 einen Horizontalschnitt in der Ebene der Linie 2-2 der Fig.1. Fig. 3 einen Horizontalschnitt nach der Linie 3-3 der Fig.4. Fig.4 einen Vertikalschnitt in der Ebene der Linie 4-1 der Fig. 3 und Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie 5-5 der Fig.4.
In Fig.1 und 2 ist der Motorzylinder mit 10 angedeutet und mit Kühlmantel 11, Kol ben 12 und einer zu der (nicht dargestellten) üblichen Kurbelwelle führenden Pleuelstange 13 versehen. In dem Zylinderkopf ist ein Lufteinlasskanal 15 ausgebildet, der durch ein Einlassv entil 17 gesteuert wird, das mit einem sich über 180 erstreckenden Abschirm- element 17 versehen ist, dessen Enden auf einem gleichen Radius des Verbrennungsrau- mes 18 liegen.
Der Zylinderkopf besitzt auch einen nicht dargestellten Auspiüikanal, der durch ein Auspufftellerventil 7 9 gesteuert wird.
In einer geeigneten Ausnehmung des Zy linderkopfes ist eine Bremistoffeinspritzdüse 20 montiert, die einen Kopf 21 aufweist, der so gerichtet ist, da.ss er in der durch den Pfeil 23 angedeuteten Richtung des Luftwir bels einen Sprühkegel 22 in den Verbren nungsraum 7.8 abgibt.
In einer zweiten geeig neten Ausnehmung ist eine Zündkerze 24 montiert, deren lClektroden 25 im Bereich der Mantelfläelie des Verbrennungsraumes, um weniger als 90 gegenüber dem Düsenkopf 21 versetzt, dicht am Rand des Brennstoffkegels 22 angeordnet sind.
Die Anordnung ist. der art getroffen, dass der versprühte Brennstoff die Elektroden 25 nicht benetzt, letztere je doch von dem brennbaren Brennstoff-Luft- Gemiseh beaufsehlagt werden, das aus der zuerst. eingespritzten Brennstoffteilmenge durch die Wirbelluft abgelenkt wird. Die Zündkerze 24 ist durch eine Zuleitung 26 in einen üblichen Zündstromkreis eingeschaltet.
Die Brennstoffeinspritzdüse 20 steht. über die ein Rüekschlagventil 29 enthaltende Brenn stoffzuleitung 28 mit einer Brennstoffpumpe 30 üblicher Art in Verbindung, die einen Kolben 31 aufweist, der durch eine Nocke 32 der mit halber 11-Iotordrehzahl laufenden Nok- kenwelle <B>33</B> angetrieben wird.
Es versteht sich, dass die Brennstoffpumpe flüssigen Brennstoff durch die Brennstoffleitung 35 aus dem Brennstoffbehälter 34 saut und diesen Brennstoff mit einem Druck von etwa 35-210 kg/em2 durch die Leitung 28 der mit dem nicht gezeigten Zapfenventil üblicher Art versehenen Einspritzdüse 20 zuführt. Die Brennstoffpumpe ist von üblicher Bauart und derart konstruiert, dass der Zeitpunkt und die Dauer der Brennstoffeinspritzung der Be lastung des 'Motors entsprechend gesteuert wird.
Die Fig.3 bis 5 stellen insbesondere die Konstruktion einer bevorzugten Ausführungs form eines Lufteinlasskanals 15 und Einlass- ventils 16 des hier zu beschreibenden 'Motors dar. An dem Eintrittsende des Einlasskanals, das kreisförmigen Querschnitt aufweist, ist ein Flansch 37 vorgesehen, um den Ansehluss an einem mit einem Luftfilter versehenes An saugrohr in üblicher Weise zu ermöglichen.
Der Einlasskanal behält seinen kreisförmi--en Querschnitt von dem Flansch 37 bis zur Linie 38 bei. Von dort an tritt eine allmähliche @lnderung des Querschnittes ein, da die untere Wandfläche 39 etwas ansteigt. (Fig.4) und etwas später die beiden Seitenwände 40 und 41 nach auswärts gewölbt.
sind (Fig.3). Es ergibt sieh daher in diesem Bereich vor dem Einlassventil 16 ein annähernd ovaler Quer schnitt, bei dem die Hauptachse in einer Ebene senkrecht. zur ZS-linderachse liegt. Die obere Wandfläelie des Einlasskanals ist\ bei 4\? abwärts gekrümmt und geht in einen geneig ten Teil 43 über. An dieser Stelle hat. die obere Wandung einen Ansatz 45, in dem die Führung 46 für die Spindel. 47 des Ventils 16 eingesetzt ist. Jenseits des Ansatzes 45 ist die obere Wandung bei 48 abwärts gekrümmt.
Die -untere Wandung des Einlasskanals weist anschliessend an die ansteigende Fläche 39 eine mit einer sehr sanften Kurve absinkende Fläche 50, die an der der Wandung 48 gegen überliegenden Seite des Ventilsitzes endet, auf der auch das Absehirmelement 17 des Ventils angeordnet ist. Jenseits der sich auswärts er weiternden Teile 40 und 41 sind die Seiten wände des Kanals bei 52 und 53 sanft ein wärts gekrümmt und ergeben in einem zur Strömungsrichtung rechtwinkligen Schnitt (Fig. 5) unmittelbar oberhalb des Ventilsitzes annähernd ovalen Querschnitt, mit Ausnahme der Stelle, an welcher der Ansatz 45 mit der Ventilführung vorgesehen ist.
Beim Schnitt 5-5 (Fig.4) ist die Strömungsrichtung um einen Winkel von weniger als 45 gegenüber der Achse des geradlinigen Teils nach ab wärts geneigt.
Insgesamt ergibt sieh, da.ss die durch den Einlasskanal strömende Luft ihre Richtung nur allmählich ändert und die sie behindern den oder ablenkenden Teile auf ein Minimum reduziert sind. Damit ist während des Saug hubes des Kolbens 12 eine Strömung der an gesaugten Luft durch die halbringförmige Ventilöffnung in Richtung der Pfeile 55 (Fig. 1.) gesichert. Aus Fig. 1 geht hervor, dass das Abschirmelement 1.7 auf der dem Luft einlasskanal 15 zugewendeten Seite des Ven tils vorgesehen ist.
Dieses Absehirmelement 1.7 besitzt eine Höhe h, die nicht grösser ist als der grösste Ventilhub, und bei Öffnung des Ventils im vollen Ausmass des Ventilhubes schliesst der obere Rand 56 des Abschirm- elementes im wesentlichen mit der gekrümm ten Fläche 50 des Ventilsitzes bündig ab oder befindet sich nur wenig darunter. Dadurch wird eine Störung des Luftstromes durch das Abschirmelement, wenn das Ventil ganz offen ist, vermieden, da das Absehirmelement dann nicht in den Luftstrom hineinragt.
Infolge der Abdeckung von l80 des Kanals durch das Absehirmelement 17 wird die Luft, durch den sich über 180 erstreckenden, an der zum Ab- sehirmelement entgegengesetzten Seite gelege nen Ventildurchlass geleitet und tritt mit einer Abwärtsneigung von weniger als 45 in den Verbrennungsraum ein.
Es sei bemerkt, dass das hängende Einlass- ventil 16 und das Auspuffventil 19 über Kipp- hebel und Stössel von Nocken einer Nocken welle. üblicher Art angetrieben werden, die in der üblichen Weise mit der halben Motor drehzahl läuft.
Es zeigt sieh, da.ss ausser dem Durch messer der Zylinderbohrtmg und dem Hub des Motors, die im allgemeinen entsprechend dem beabsichtigten Typ und dem beabsich tigten Zweck festgelegt werden, der Durch messer des Einlassventils für die Erfüllung der hier beschriebenen Aufgaben von gro sser Bedeutung ist. Allgemein kann fest gestellt werden, dass der Durchmesser des Einlassventils, wie in Fig.2 dargestellt, ver hältnismässig gross und der Aussenrand des Ventiltellers der Mantelfläche des Zylinders eng benachbart ist.
Ausserdem liegt die Mitte des Einlassventils auf einem Radius von 0,4 bis 0,6 des Zylinderradius von der Zylinderachse entfernt. Da zwischen Ventil und Zylinderwand etwas Spiel vorhanden sein muss, hat der mit dein Einlassventil konzentrische, zur Zylinderwand tangentiale Kreis etwa das 1,05faehe des Ventildurchmes- sers bei einem flüssigkeitsgekühlten Motor, der keinen Ventilsitzring erfordert, und das 1,1.Ofaclle des Ventildurchmessers für einen Motor mit Ventilsitzring.
Bei vorstehenden Ausführungsformen ist es wichtig, dass der kleinste Querschnitt, der die den Einlasskanal durchströmende Luft zu passieren hat, sieh am Ventilsitz befindet, und zwar an dem halbringförmigen Durchlass, der bei Maximalhub des Ventils nicht durch das Abschirmelement 17 abgedeckt ist. Daher hat der halbringförmige Durchlass die Wirkung einer Düsenöffnung, die die Luft in den Ver- brennungsrauiu 18 in einer Weise lenkt, dass in Richtung des Pfeils 23 in der Verbren nungskammer ein Luftwirbel entsteht.
Die Umfangsgeschwindigkeit dieses W'4 irbels wird durch -Messungen nach dem folgenden Ver fahren ermittelt.
In einen mit Fenster versehenen Motor zylinder wird ein feiner Strahl von Brenn stoff eingespritzt, um eine kleine \Volke brennbarer Mischung zu bilden, die im Wil- bel durch den Verbrennungsraum geführt wird, und die Zündkerze wird gleichzeitig weiter in den Zylinder geschoben oder weiter zurückgezogen. Wenn bei solch kleiner Wolke brennbarer Mischung der Funke zu früh oder zu spät, erfolgt, so zeigt der Motor eine Fehl zündung, und im Fenster des Zylinders wird keine Verbrennung sichtbar.
Auf solche Weise kann also durch Verschieben der Zündkerze, bis die Verbrennung erfolgt, die für die Be wegung im Wirbel vom Einspritzpunkt zur Zündkerze verlaufende Zeit festgestellt und dann die Umfangsgeschwindigkeit des Wir bels in erster Annäherung berechnet werden.
In einem weiteren Versuch wird der klei nen Wolke brennbarer lIisehung ermöglicht, sich im Wirbel ganz durch den Verbrennungs raum und zurück zur Zündkerze zu bewegen, bevor die Wolke gezündet. wird. Wiederum wird die dazu notwendige Zeit bestimmt, wor aus sich ein genauerer Wert für die U m fangsgesehwindigkeit ermitteln lässt.
Bei dem hier beschriebenen Klotor ist die Umfangsgeschwindigkeit des Wirbels in der obern Totpunktlage des Kolbens derart, dass je Umdrehung der. Kurbelwelle die äussei-3i Wirbelteile mindestens fünfmal uni die Zylin- derachse kreisen.
Fig. 1 zeigt den Kolben 1'3 im wesent lichen am Tiefpunkt seines Saughubes, wäll- rend die Luft noch durch das offene Einlass- ventil strömt.
Im ersten Teil des Verdich- tungshubes wird das Einlassventil geschlossen lind die Wirbelluft in den scheibenförmigen Verbrennungsraum 1_s' verdichtet, während die rasche Wirbelung der Luft im wesent- liehen unvermindert aufrechterhalten wird.
Etwa 75-30 vor dem obern Totpunkt des Kolbens beim Verdichtungshub be-iinit die Brennstoffeinspritzung aus der Düse 20 (Fig. 2) in der Richtung des Luftwirbels.
Der Strahlkegel \?2 dringt in eine örtliche Teil menge der zusaminen-epressten Luft ein, die bei dem Ventil vorbeibewegt wird, und ist so angeordnet, dass er gegen die lIantelfläelie eine stärker konzentrierte Brennstoffmeiloe richtet als gegen die -.NIittel.linie, so dass ent lang eines Radius des Zylinders ein Luft Brennstoffgemiseh von annähernd einheit licher Zusammensetzung erhalten wird.
Nach einer Kurbeldrehung von etwa. 5-15 naeli dem Beginn des Einspritzens, im wesentlichen sobald sieh aus der ersten Teilmenge des eingespritzten Brennstoffes ein brennbares Brennstoff-Luft-Gemiseh gebildet und nach Durchwandern der kurzen Entfernung von weniger als 90 , allgemein etwa 30-60 von der Einspritzstelle, \die Elektrode ?5 beauf- selilagt hat, wird das Gemiseli entzündet, so dass die bei 60 (Fig. \?) angedeutete Flam menfront entsteht,
die sich im allgemeinen radial durch den Verbrennungsraum er streckt. Die Flammenfront wandert relativ in der der Wirbelluft ent-egengesetzten Rich tung; ihr Fortschreiten zur Einspritzdüse wird jedoch durch die wirbelnde Luft und durch das zunehmend luftreicher werdende, ihre Geschwindigkeit verzögernde Gemisch be hindert. Somit bleibt die Flammenfront 60 relativ ztt Zylinderwand, Zündkerze und Brennstoffdüse im wesentlichen unbeweglich.
Bei jedem Arbeitsspiel erfolgt die Ein spritzung in einer auf die Umfangsgesehwin- digkeit des Luftwirbels abgestimmten Menge und in die an der Düse vorbeiströmende Wir belluft, um immer neue Teilmengen eines brennbaren Brennstoff-Luft-Gemisehes unmit telbar vor der gebildeten Flammenfront 60 2.11 erzeugen.
Die Einspritzung dauert in Je dem Arbeitszyklus so lange, als für die Erzeu- gung des erforderlichen @Drehniomentes not wendig ist und bei voller Belastung etwa wäli- rend der Zeit eines vollen Durehlaufes der Luft durch den Wirbelweg-.
Der vorliegende Motor ist im allgemeinen für ein Verdichtungsverhältnis zwischen ä :1 und 1'2:1, vorzugsweise etwa. 10:1 kon struiert. Während des Saughubes wird die Luft dureli den Einlasskanal 15 eingezogen, wobei die beschriebene Form des Ansaugkanals es ermöglicht, dass die Luft nur mit geringer Abwärtsneigung gegen die halbringförmige Öffnung gelenkt wird, die durch das Ventil dargeboten wird.
Ausserdem ermöglicht es diese Konstruktion, in der die untere Wan- dung des Einlasskanals im wesentlichen längs der Horizontalebene des Ventilsitzes verläuft, dass die Luft in den Verbrennungsraum mit relativ geringer Abwärtsneigung eingeführt wird. Aus Fig.5 geht hervor, dass durch die Verbreiterung des Lufteinlasskanals auf ein- t ander gegenüberliegenden Seiten des Ventil stutzens 54 sanft gekrümmte Kanäle 63 aus gebildet werden, so dass eine -leiehmässige Luftströmung unter Vermeidung von Wirbeln erzielt wird.
Diese Faktoren tragen zu einer hohen Umfangsgeschwindigkeit des Wirbels in Verbindung mit g-lttem volumetrisehem Wir- hung:5-rad bei hohen Motordrehzahlen bei. Es wurde angegeben, dass die Fremdzün- cIun(V vorzugsweise durch Funkenziinduri- be wirkt wird. Es sei jedoch bemerkt, dass auch andere Alten der Fremdzündung angewendet werden können, z. B.
Zündung mittels Glüh- herze oder Glühdraht, unter Verwendung einer aussen gelegenen Quelle. An Stelle der elektrischen Zünclung können auch andere Arten der li'remdzündung angewandt werden, z. B. chemische oder katalytische Zündung.