Brennkraftmaschine Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf .eine Viertakt-Brennkraftmaschine mit im Zylinderkopf koaxial im äusseren Einlassventil angeordnetem in nerem Auslassventil mit Spülluftzufuhr.
Sie besteht darin, dass die Steu.,crung dieser Ventile für den Spül- und Ladevorgang der Maschine so ausgebildet ist, dass ausser dem Verdichtungsraum im Zylinder auch mindestens der Raum zwischen dem Auslass- und Einlassventil hinter der Abschlussstelle im Einlass- ventil während des Spülvorganges von den Abgasen entleert und gespült wird.
Dies geschieht zu dem Zweck, dass die beiden Ventile, welche während des Ausströmens der Abgase durch die letzteren erwärmt werden, während der Spülperiode wieder gekühlt werden und der Raum zwischen diesen Ventilen vom Abschluss des Auslassventils an bis zu Beginn des folgenden Auslassvorganges mit ver hältnismässig kalter Luft gefüllt bleiben. Dies letz tere bewirkt eine weitere Kühlung dieser Ventile, besonders, weil die Abschlussperiode des Auslassventils verhältnismässig lange dauert, und verhindert auch den Eintritt von heissen, unter Umständen unter Druck stehenden Abgasen in den Raum zwischen diesen Ventilen. Dies letztere erfolgt z. B. dann, wenn die Abgase unter Druck einer Turbine zugeführt werden.
Ferner kann die Steuerung des Ein- und Auslassventils so ausgebildet sein, dass ausser dem Verdichtungsraum im Brennkraftzylinder der ganze Raum zwischen den Ventilen und auch die die Gase aus diesem Raum abführende Leitung mindestens teilweise mit verhältnismässig kalter Luft gespült werden und die letzteren beiden Räume, soweit sie gespült sind, bis zum nächsten Auslassvorgang mit verhältnismässig kalter Luft gefüllt bleiben. Dadurch werden die beiden Ventile, weil mehr Spülluit durch den Raum zwischen denselben durchströmt, während des Spülvorganges noch besser gekühlt.
Diese Kühlung hält auch noch nach Abschluss des Spülvorganges an und ein Eindringen von heissen Abgasen aus einer unter Druck stehenden Abgas leitung in den Raum zwischen den beiden Ventilen und nach denselben wird noch verhindert. Dies besonders, wenn vor einer Abgasturbine mit Druck stössen gearbeitet wird. Der Raum zwischen dem Einlass- und Auslassventil kann ferner derart ge formt, bzw. mit Leitflächen ausgerüstet sein, dass während des Spülvorganges eine darin sich dre hende Bewegung der eintretenden Spülluft entsteht, wodurch die Kühlung des Ein- und Auslaiiventils durch die auf längerem Weg schraubenartig durch gehende Spülluft verstärkt wird.
Ausser im Raum zwischen Ein- und Auslassventil kann auch vor dem Eintritt zum Einlassventil eine, eine Drehbewegung der Spül- und eventuell auch der Ladeluft erzeu gende Vorrichtung angeordnet sein, die mindestens beim Eintritt der Spülluft ins Einlassventil über den Brennraum und mindestens auch im Raum zwi schen Ein- und Auslassventil eine im gleichen Sinn drehende Bewegung der durchgehenden. Spül luft erzeugt, derart, dass das Einlassventil aussen und innen und das Auslassventil aussen auf einem lan gen schraubenförmigen Weg gekühlt wird.
Der Spül luft wird dabei vorteilhafterweise eine solch hohe Drehgeschwindigkeit .erteilt, dass dieselbe z. B. mehr mals während der Spülperiode im Raum vor und zwischen den beiden Ventilen kreist. Dadurch wird die Kühlwirkung auf die beiden Ventile noch wei ter verlängert und noch mehr verstärkt.
Die an den Raum zwischen Ein- und Auslass- ventil nach aussen anschliessende Auslassleitung kann in bezug auf die Auslassventilachse so exzentrisch angeordnet sein, dass dadurch im Raum zwischen dem Ein- und Auslassventil eine Drehbewegung der durchtretenden Spülluft um die Ventilachse entsteht, bzw. unterstützt wird. Zwischen dem Raum und der von dort nach aussen führenden Auslass- leitung kann auch ein spiralförmig geformter über gangsraum angeordnet sein.
Eine solche Anordnung wird die Spül- und Kühlwirkung im Raum zwischen den beiden Ventilen und auf die beiden Ventile, bzw. nach denselben noch unterstützen.
Es können auch Anbauten, z. B. innen im Ein- lassventilkörp.er oder aussen an der Ausiassventil- spindel vorgesehen werden, um dadurch eine Ver grösserung der Kühlflächen für die Spülluft, bzw. eine Drehbewegung für diese während der Spül periode im Raum zwischen den beiden Ventilen zu erzielen.
Die Rippen zwischen den Durchtrittsöffnungen für die Abgase und die Spülluft im Einlassventil- körper, welche die Gase nach aussen führen, kön nen auch so geformt bzw. gerichtet sein, dass sie eine Drehbewegung um die Ventilachse bei diesem Durchtritt erzeugen bzw. unterstützen.
Es ist beim Erfindungsgegenstand, der mit Spü lung arbeiten muss, gleichgültig, auf welche Weise diese Spülluft zur Maschine gefördert wird. Dies kann durch eine von der Maschine selbst oder anderweitig angetriebene Pumpe oder Gebläse, oder durch ein durch die Abgase der Maschine ange triebenes Abgasturbogebläse geschehen.
In den beiliegenden Zeichnungen sind durch die Fig. 1 bis 9 beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Die Fig. 1 bis 3 stellen ein erstes AusfÜhrungs- beispiel dar und die Fig. 4 ein zweites.
Die Fig. 5, 6 und 7 zeigen ein drittes Ausfüh rungsbeispiel, und die Fig. 8 und 9 zeigen, wie auf eiwas andere Weise die gleiche Wirkung erzielt werden kann, wie nach .einer Ausführung nach den Fig. 5 bis 7.
Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Zahlen und besondere Vorgänge in den Maschinen mit grossen Buchstaben bezeichnet.
In Fig. 1, welche einen Vertikalschnitt durch einen Zylinder einer Brennkraftmaschine darstellt, ist 1 der Zylinderblock, 1' die Zylinderbüchse, 2 die Kurbelwelle, 3 die Pleuelstange, 4 der Kolben und 6 der Zylinderkopf. In letzterem ist das Einlass- ventil 7 und das hierzu konzentrische und darin bewegte Auslassventil 8 angeordnet.
Das Einlass- ventil 7 wird durch seinen auf der Steuerwelle 5 sitzenden Steuernocken 9 mittels der Stange 10, des Hebels 11, des Federtellers 12 geöffnet und durch die Spiralfeder 13 im geeigneten Zeitpunkt wieder geschlossen. Das Auslassventil 8 hingegen wird durch den auf der Steuerwelle 5 sitzenden Nocken 14, das Gestänge 15, den Hebel 16 ge öffnet und durch die doppelseitige Haarnadelfeder 17, unter Vermittlung des Gabelhebels 18, geschlos sen.
Die Maschine ist ferner mit einem von einer Abgasturbine 19 angetriebenen Lader 20 ausge rüstet, welcher durch die Leitung 21 und das Ge häuse 26 Spül- und Ladeluft zum Einlassventil 7 führt. Die Abgase der Maschine gelangen hei öff- nung des Auslassventils 8 in den Abgaskanal 22 und von dort in den Eintritt 24 der Abgasturbine 19. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, hat die Abgasturbine zwei Eintritte 23 und 24.
Durch dieselben puffen je eine Anzahl Zylinder der betreffenden Brenn- kraftmaschine getrennt in die Abgasturbine 19 so aus, dass die Auspuffvorgänge in den einzelnen Zylindern - wie durch die Büchi-Abgasturboauf- ladung bekannt geworden - die Spülvorgänge in den anderen Zylindern nicht stören. Dies ist beson ders bei mit Druckstössen arbeitenden Abgastur binen von Vorteil. Die Gase verlassen die Al-gas- turbine 19 durch die Leitung 25. Die Spülperiode bei dieser Maschine beginnt bei annähernd 50 vor dem oberen Totpunkt (OTP) und endet eben falls etwa 50 nach demselben.
Das letztere geht aus Fig. 1 durch die geschlossene Stellung des Aus lassventils 8 auf dem noch geöffneten Einlassventil 7 hervor. Man erkennt dies aus der Form des Ein- lassnockens 9, des Auslassnockens 14 und der ent sprechenden Stellung der Kurbelwelle 2 und der Steuerwelle 5.
Die Steuervorrichtung mit den Steuernocken der Maschine ist so ausgebildet und der Turbolader 19, 20 in seinen Lader- und Turbinenteilen so bemes sen und ausgeführt, dass der vom Lader 20 erzeugte Spüldruck gegenüber dem vor der Abgasturbine 19 dann jeweils herrschenden Abgasgegendruck wenig stens zeitweise so gross ist, dass während der Spül perioden eines Brennkraftzylinders nach Abschluss der Auslassventile mindestens der Raum A zwischen dem Einlass- und dem Auslassventil mit relativ kal ter Spülluft gespült ist und mit dieser bis zur näch sten Öffnung des Auslassventils gefüllt bleibt.
Die Füllung dieses Raumes zwischen den beiden Ventilen 7 und 8 mit Spülluft wird durch die Punktierung des Raumes A in Fig. 1 angeordnet.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Zylipder- kopf 6 entsprechend der Linie II-II von Fia. 1, und Fig. 3 einen Schnitt durch den gleichen Teil 6 entsprechend dem Linienzug 111-11I.
In Fig. 2 sieht man, wie die Spül- und Lade luft durch den Kanal 26 aus der Leitung 21 in den Zylinderkopf 6 einströmt. Die Fortsetzung 26' des Kanals 26 umschliesst das Einlassventil 7 spiraiförmi"y, so dass die eintretende Spül- und Ladeluft eine Drehbewegung um das Einlassventil 7 ausführt, wie dies durch die Pfeile 27 angedeutet ist.
Da ent sprechend Fig. 1 und wie ebenfalls in Fig. 3 dar gestellt ist, das Einlassventil 7 innen mit Rippen 28 und mit einer um die Auslassventilspindel 29 an geordneten Nabe 30 ausgebildet ist, strömen die Gase zwischen den beiden Ventilen längs der Ven tilrippen 28 in den Abgaskanal 22 ein. Dies wird durch die Pfeile 31, 32 in Fig. 3 angedeutet. Statt zwei Rippen 28, Nie gezeichnet, können natürlich auch mehr Rippen im Einlassventil 7 angeordnet sein. In den Fig. 2 und 3 sind, der Deutlichkeit hal ber, die Befestigungsschrauben des Zylinderkopfes 6 mit dem Zylinderblock 1 weggelassen.
Fig. 4 stellt ebenfalls einen Vertikalschnitt durch einen Zylinder einer Brennkraftmaschine gemäss Er findungsgegenstand dar. Für diese Maschine wurde aber als Beispiel eine längere Spülperiode ange nommen. Diese beginnt bei annähernd 600 vor OTP und endet bei ebenfalls annähernd 600 nach diesem Totpunkt. Ferner ist die Ausbildung des Ein- und Auslassventils 7 und 8 anders getroffen.
Das Einlass- ventil 7 hat in seinem oberen, für den Gasaustritt in den Kanal 22 und weiter zur Abgasturbine 19 vorgesehenen Teil eine Glockenform und der Raum in der Glocke zwischen dem Einlassventil 7 und dem Auslassventil 8 besitzt gar keine den Druck mitteldurchgang hindernden Einbauten, wie dies in Fig. 1 der Fall ist. Die Ventilspindel 29 des Aus lassventils 8 kann ganz frei durch den inneren. Raum der Glocke gehen.
Der Abgasturbolader 19, 20 ist in diesem Fall so ausgebildet, dass er mehr Spülluft in die Brennkraftmaschine liefert, als dies bei einer Ausführung nach Fig. 1 der Fall ist. Es wird eine solche Spülluftmenge durch den Lader 20 in den Zylinder gefördert, dass mindestens ausser dem Raum A zwischen dem Einlass- und dem Auslassventil auch noch der Raum B hinter diesen Ventilen von den Abgasen ausgespült und mit Spülluft gefüllt wird. Die Füllung dieser Räume<I>A</I> und<I>B</I> mit Spülluft am Ende der Spülperiode, also bei geschlossenem Aus lassventil 8, ist durch Punktierung dieser Räume an gedeutet.
Während des Durchströmens der Spülluft durch und um den Raum A herum werden mindestens die Innenwände des glockenförmigen Einlassventils 7 und seine Verbindungsrippen 33 mit seiner Ventil spindel 30, sowie das Auslassventil 8 und seine frei liegende Ventilspindel 29 wirksam gekühlt.
Diese Kühlung setzt sich nach Abschliessen des Auslass- ventils 8 auf dem Einlassventil 7 noch fort, weil dann mindestens im Raum A Spülluft während einer längeren Dauer, d. h. während des zusätzlichen Ein lasshubes, dem V rdichtungs-, dem Verbrennungs- und Expansionshub bis zum Beginn der nächst folgenden Auslassperiode eingeschlossen bleibt. Es wird also während mehr als 3!t der Zeitdauer einer vollen Arbeitsperiode gespült und gekühlt, bzw.
nur gekühlt und nur während rund 1-' dieser Periode die Ventile durch die Auspuffgase geheizt. Bei einer Ausführung nach Fig. 4 wird aber auch noch min destens der Kanalteil 22 hinter der Glocke des Ein lassventils 7 während der Spülperiode gespült und gekühlt, wie dies durch die Punktierung B ange deutet ist. Diese Spülluft verbleibt dann ebenfalls nach Abschluss des Auslassventils 8 im Kanalteil 22 und kühlt auch den Raum hinter dem Einlass- ventil 7, seinen Ventilschaft 30 und die Wände des Kanals 22.
Ist die Ausbildung der Aufladung der Brennkraftmaschine so getroffen, dass die Ab gasturbine 19 mit Druckstössen der aus dem Zylin- der in sie übertretenden Abgase arbeitet, so kann während der Druckstösse die Spülluft im Raum 22 z. B. bis auf die Linie C zusammengepresst werden. Dies soll aber vorteilhafterweise nur so weit ge schehen, dass das ganze Einlassventil mit seiner oben liegenden Führung auch während der Druckstösse noch von Spülluft umgeben ist.
Das Schliessen des Auslassventils 8 auf dem Einlassventil 7 erfolgt in diesem Fall etwas später, als im Fall der Fig. 1, damit die Spülperiode eine Verlängerung erfährt, weil ausser dem Raum<I>A</I> auch der Raum<I>B</I> gespült und nach Abschluss des Auslassventils 8 mit ver hältnismässig kalter Spülluft gefüllt bleiben soll.
In Fig. 5 ist ebenfalls, ähnlich wie in den Fig. 1 und 4, ein Vertikalschnitt durch einen Zylinder einer Brennkraftmaschine dargestellt und es sind darin die gleichen Teile wieder mit gleichen Zah len bezeichnet. Die Kurbel der Kurbelwelle 2 steht auf 300 nach OTP und die Stellungen des Einlass- ventils 7 und des Auslassventils 8 sind so darge stellt, wie sie sich während der Spülperiode er geben.
Als Einlassventil 7 ist wieder ein mit Glockenform versehenes vorgesehen, in welchem die Auslassventilspindel 29 erst im oben liegenden Ven tilschaft 30 des Einlassventils 7 geführt ist.
Fig. 6 zeigt einen Schnitt entsprechend dem Linienzug VI-VI von Fig. 5 durch den Zylinder abschluss 6, durch das Einlassventil 7 und die Ven tilspindel 29 des Auslassventils B. Die Spül- und Ladeluft tritt bei 26 in den Zylinderabschluss ein. Die Fortsetzung dieses Kanals 26' umschliesst das Einlassventil 7 spiralförmig, so dass eine Drehbe wegung der zum Einlassventil 7 durchtretenden Spül- und Ladeluft in Richtung der Pfeile 27 statt findet.
Fig. 7 zeigt einen Schnitt entsprechend dem Linienzug VII=VII von Fig. 5, d. h. durch den Auslasskanal 22 und den über der Glocke des eigent lichen Einlassventils 7 liegenden Gasaustrittsraum. Der Auslasskanal 22 ist hier exzentrisch zu der ge meinsamen Ventilachse angeordnet. Der Raum um den glockenförmigen Teil des Einlassventils 7 her um, durch welchen die zwischen beiden Ventilen durchtretenden Auspuffgase in den Auslasskana! 22 gelangen, ist spiralförmig ausgebildet, derart, dass darin eine Drehbewegung entsprechend der Pfeile 34 stattfindet.
Der Kanal 22 ist so angeordnet, dass dadurch und durch seine vorerst spiralförmige Aus bildung seines Sammelgehäuses eine zur Ventil achse in gleicher Richtung drehende Bewegung ent sprechend der Pfeilrichtung 34, wie bei der durch das Einlassventil 7 eintretenden Spül- und Ladeluft entsteht. Dadurch wird auch eine Drehbewegung im Raum zwischen dem Einlassventil 7 und dem Auslassventil 8 erzeugt, bzw. diese unterstützt, wo durch diese Teile vermehrt gekühlt werden.
Wenn als Wirbelgeschwindigkeit eine grosse, im Vergleich zur Geschwindigkeit in Richtung der Längsachse der Ventile, erzeugt wird, wird der Weg der Spülluft zwischen den beiden Ventilen erheblich verlängert, was eine noch bessere Kühlung dieser Teile be wirkt. Wie sich die Wirbel vor und nach dem Ein lassventil, sowie zwischen den beiden Ventilen aus wirken, wird durch die Pfeillinien 35, 36, 37 in Fig. 5 angedeutet. Selbstverständlich wirken sich diese Spülluftwirbel auch auf die Glocke des Einlass- ventils, ihre Stege 33, sowie auch auf seinen Ven tilschaft 30 und alle in der Nähe befindlichen, Ab gase führenden Kanalteile 22 usw. günstig aus.
Die Fig. 8 zeigt noch, als Variante, ein Einlass- ventil 7 und ein Auslassventil 8 in ihren Stellungen während der Spülperiode. Bei dieser Ausführung, die ebenfalls die Herstellung einer Wirbelbildung zwischen dem Einlass- und dem Auslassventil be zweckt, wird diese.durch den Einbau einer schrau benförmigen Führungsrippe 38 im Einlassventilkör- per 7 bewerkstelligt.
Fig. 9 zeigt eine andere Variante, d. h. nur das Auslassventil 8, an dessen Spindel 29 schrauben förmige Leitrippen 39 vorhanden sind. Diese Leit- rippen sollen die Kühlung des Ventilkörpers wäh rend 'der Spülperiode durch ihre grösseren Ober flächen verstärken.
Wenn sie wie gezeichnet, als schraubenförmige Leitrippen ausgebildet sind, wer den sie auch eine Drehbewegung der Spülluft um die Ventilspindel 29 bewirken. Dadurch wird auch der Kühlweg verlängert und die Kühlwirkung weiter verbessert. Durch solche Kühlrippen erfolgt auch während der lange andauernden Füllung des Rau mes zwischen den beiden Ventilen mit Spülluft eine stärkere Kühlung des Auslassventils 8 und seiner Spindel 29.