-
Technisches Gebiet
-
Diese
Offenbarung bezieht sich auf eine Ventilanordnung für einen
Verbrennungsmotor und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf
eine Sperrventilanordnung für
die Zufuhr eines gasförmigen
Brennstoffs an eine Vorkammer eines Verbrennungsmotors.
-
Hintergrund
-
Verbrennungsmotoren,
die einen gasförmigen
Brennstoff verwenden, sind üblicherweise
im Fach bekannt. Dieser Typ Motor unterliegt einer zunehmend strengen
Abgasgesetzgebung, die eine kontinuierliche Entwicklung fordert,
um einen tragbaren Ausgleich zwischen Effizienz und Abgabe von Abgasen
aufrecht zu erhalten. Ein Weg zum Erreichen dieses Ausgleichs ist
die Verwendung von Mischungen aus Schwachgas, wobei die Menge an brennbarem
Gas, das in jeden der Zylinder eingespritzt oder durch jeden der
Zylinder für
jeden Verbrennungsvorgang aufgenommen wird, relativ niedrig gehalten
wird. Die Verbrennungsmischung kann zum Beispiel durch einen Teil
verbrannten Gases von vorherigen Verbrennungsvorgängen abgeschwächt werden.
Die Verwendung der Herangehensweise mit der schwachen Mischung kann
jedoch Nachteile aufweisen, wie etwas dass die Verbrennungsmischung mit
einer sehr schwachen Mischung erheblich weniger zündfähig ist.
-
Eine
Lösung
zum Bewältigen
dieser schlechten Zündfähigkeit
ist das Unterteilen der Verbrennungskammer in zwei oder mehrere
Kammern, wobei im Fall einer Verbrennungsanordnung mit zwei Kammern
die Kammern als die Hauptkammer und eine Vorkammer bekannt sind.
Dieses System kann zum Beispiel durch das Füllen der Vorkammer mit einer
Mischung, die verlässlich
durch Zündmittel
wie etwa eine Zündkerze
entzündet
werden kann, betrieben werden. Sobald entzündet, kann das schnelle Brennen
der Mischung in der Vorkammer durch die so genannten Zündkanäle in Richtung
der Hauptkammer geführt
werden, wobei die intensivierte Zündungsenergie dazu fähig ist,
die schwache Mischung in der Hauptkammer zu entzünden.
-
Systeme,
die unterteilte Verbrennungskammeranordnungen verwenden, können in
zwei Kategorien von Vorkammern unterteilt werden, gespülte und
ungespülte.
Einer ungespülten
Vorkammer wird die gleiche Gas-/Luftmischung zugeführt wie
der Hauptkammer. In einer gespülten
Vorkammer empfängt
die Vorkammer gasförmigen
Brennstoff aus einer Zufuhr, die zu der der Hauptkammer separat
ist. Das letztere System wird üblicherweise
mit einem Ventil in der Brennstoffzufuhr bereitgestellt, um die Menge
des Brennstoffs zu regulieren und die Brennstoffzufuhranordnung
zu schützen.
Dieses Ventil kann ein positives Steuerventil sein, das zur Robustheit
neigt, aber relativ teuer ist, oder eine billigere Lösung wie
etwa ein Sperrventil. Die Sperrventile neigen jedoch dazu, empfindlicher
für jede
Anhäufung von
Ruß in
der Ventilanordnung zu sein. Des Weiteren ist herausgefunden worden,
dass der durch die Verbrennung verursachte Aufwind von Gasen, der
für das
Schließen
des Sperrventils notwendig ist, eine Anhäufung von Ruß nahe der
anderen Seite des Sperrelements verursachen kann, was möglicherweise
zur vorzeitigen Alterung und einer Reduzierung von Ventilwirksamkeit
im Lauf der Zeit führt.
-
Die
gegenwärtige
Offenbarung zielt darauf ab, einige der zuvor erwähnten Nachteile
zu überwinden
und existierende Anordnungen zu verbessern.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Sperrventilanordnung zum Zuführen eines gasförmigen Brennstoffs
an eine Vorkammer eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, wobei
die Sperrventilanordnung angepasst ist, um in einen Brennstoffzufuhrdurchgang
zu passen. Die Anordnung umfasst eine erste Ventilkammer und eine
zweite Ventilkammer, die mit der ersten Ventilkammer über eine Öffnung des
ersten Querschnittsbereichs fluidverbunden sind. Die Anordnung umfasst
ferner ein Sperrelement, das in der ersten Ventilkammer zum periodischen
Abschließen
der Öffnung
positioniert ist, wobei das Sperrelement durch Gas, das von der
ersten Ventilkammer in die zweite Ventilkammer strömt, von einer
offenen Position in eine geschlossene Position bewegbar ist. Die
zweite Ventilkammer umfasst einen Abschnitt mit einem zweiten Querschnittsbereich,
der sich so von dem ersten Querschnittsbereich unterscheidet, dass
bei Betrieb der Gasstrom, der von der ersten Ventilkammer in die
zweite Ventilkammer vor dem Schließen der Öffnung durch das Sperrelement
strömt,
einen Wirbelcharakter aufweist.
-
Weitere
Merkmale und Aspekte dieser Offenbarung werden aus der folgenden
Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen, die lediglich beispielhaft
sind, ersichtlich.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 ist
eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einer
Ventilanordnung gemäß der gegenwärtigen Offenbarung.
-
2 ist
eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Ventilanordnung gemäß der gegenwärtigen Offenbarung.
-
3 ist
eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Ventilanordnung gemäß der gegenwärtigen Offenbarung.
-
Ausführliche Beschreibung
-
Unter
Bezugnahme auf 1 kann der schematisch dargestellte
und im Allgemeinen als 10 bezeichnete Verbrennungsmotor
jeder geeignete Typ sein, der mit jedem beliebigen geeigneten Brennstoff läuft, und
ist in diesem Beispiel ein Motor mit schwacher Mischung, der mit
einem gasförmigen
Brennstoff läuft.
Um eine effiziente Verbrennung zu ermöglichen, ist der Motor 10 von
einer Konstruktion, die eine unterteilte Verbrennungskammer benutzt,
wobei die Vorkammer 12 und die Hauptkammer 14 die
Verbrennungskammer ausmachen. Mehrere Vorkammern 12 pro
Hauptkammer 14 können
bereitgestellt werden, wenn bevorzugt. Der Verbrennungsvorgang kann
einen Kolben 16 auf eine herkömmliche Weise antreiben. Die
Vorkammer 12 kann eine gereinigte Vorkammer 12 sein,
wobei sowohl die Hauptkammer 14 als auch die Vorkammer 12 separate
Zufuhren für gasförmigen Brennstoff
aufweisen. Luft kann an die Hauptkammer 14 über jede
beliebige geeignete Einlassanordnung wie etwa eine Turboladeranordnung 15,
die Luft über
eine Leitung 18 zu einem Einlassventil 20 führt, zugeführt werden.
Der Klarheit halber wird nur ein Einlassventil 20 gezeigt,
und Auslassventile werden ausgelassen, aber zusätzliche Einlass- und Auslassventile
können
bereitgestellt werden. Eine kontrollierte Menge an gasförmigem Brennstoff
kann zu dem Luftstrom durch das Öffnen und
Schließen
eines Ventils, wie etwa eines Solenoid-Gasaufnahme-Ventils (SOGAV-Ventils) 22,
während
Perioden des Verbrennungszyklus hinzugefügt werden. Das Einlassventil 20 und
das SOGAV-Ventil 22 können
unabhängig
oder abhängig
gesteuert werden, so dass die Ventiloperationen mit gewissen Einstellungen
oder Vorgängen
in den Verbrennungszyklen übereinstimmen.
Die Vorkammer 12 kann über eine
Zufuhranordnung, die zum Beispiel einen Druckregler 24,
einen Brennstoffzufuhrdurchgang 26 und ein Sperrventil 28 inkorporiert,
mit gasförmigem Brennstoff
versorgt werden. Die Vorkammer 12 ist über einen oder mehrere Zündkanäle 30 so
mit der Hauptkammer 14 verbunden, dass während des
Verbrennungszyklus Luft, gasförmiger
Brennstoff und Abgase zwischen der Vorkammer 12 und der
Hauptkammer 14 übertragen
werden. Die brennbare Mischung in der Vorkammer 12 kann
durch jedes beliebige geeignete Mittel wie etwa eine Zündkerze 32 entzündet werden.
-
Das
Sperrventil 28 ist genauer in 2 gezeigt.
Das Sperrventil 28 weist eine erste Kammer 40 und
eine zweite Kammer 42, die über eine Öffnung 44 mit der
ersten Kammer 40 fluidverbunden ist, auf. Ein Sperrelement 46,
das als eine Sperrkugel gezeigt wird, aber von jeder beliebigen
geeigneten Form und Größe sein
kann, wird in der ersten Kammer 40 bereitgestellt, um in
eine Oberfläche 48 einzugreifen, um
im Wesentlichen das Strömen
von Gas von der ersten Kammer 40 in die zweite Kammer 42 zu
verhindern. Die Öffnung 44 ist
in 2 als eine kleine Öffnung in einem Vorsprung 50,
der sich zwischen gegenüberliegenden
Seiten einer Wand 52 erstreckt, verkörpert. Die innere Oberfläche 56 der
zweiten Kammer 42 angrenzend an der Öffnung 44 ist senkrecht
zu der Achse der Öffnung. 3 zeigt
eine unterschiedliche Ausführungsform
der Öffnung 44,
wobei der Vorsprung 50 durch das Bereitstellen von mindestens
einem Abschnitt des Vorsprungs 50 mit einem größeren Querschnitt
verstärkt
wird. Abhängig von
Anforderungen der strukturellen Integrität kann der Querschnittsbereich
des Vorsprungs 50 oder zumindest ein Abschnitt davon von
einer anderen geeigneten Konfiguration sein, wie zum Beispiel einer Form
zwischen der in 2 und 3 gezeigten. Die
Konfiguration des Vorsprungs 50 kann variiert werden, wobei
die Anordnung in Richtung der ersten Kammer 40 auf eine
geeignete Weise angeordnet werden kann, während sie beliebige Charakteristiken erlaubt,
die strukturelle Integrität
und gute Dichtungseigenschaften in Kombination mit dem Sperrelement 46 erlauben.
Die Konfiguration des Vorsprungs 50 in Richtung der zweiten
Kammer 42 ist vorzugsweise so, dass die Änderung
zwischen dem Durchmesser d1 der Öffnung 44 und
dem Durchmesser d2 der zweiten Kammer 42 unverzüglich ist,
wie in 4 gezeigt. Aus der Sicht der
strukturellen Integrität
kann es jedoch notwendig sein, einen stufenweisen Übergang
von der Öffnung
mit dem Durchmesser d1 und dem Abschnitt der zweiten Kammer mit
dem inneren Durchmesser d2 bereitzustellen, wie in 3 gezeigt,
wobei sich die inneren Oberflächen 56 der zweiten
Kammer angrenzend an der Öffnung
in einem Winkel α erstrecken,
der geringer als 90° zu
der Achse der Öffnung
ist, aber vorzugsweise größer als ungefähr 30°.
-
Sowohl
d1 als auch d2 können
als geeignet ausgewählt
werden, aber d1 ist vorzugsweise bedeutend kleiner als d2, wie zum
Beispiel irgendwo in dem Bereich von d2 = 1,5 d1 bis d2 = 10 d1.
Durch das Konstruieren des Sperrventils, so dass sowohl der Unterschied
als auch die Rate des Übergangs
in der Größe zwischen
d1 und d2 wie oben beschrieben sind, wird jeder beliebige Gasstrom,
der sich in die Richtung 54 bewegt und an dem Sperrelement 46 vorbei
entweicht, wenn das Sperrelement nicht vollständig geschlossen ist, einen
Wirbelcharakter aufweisen, sobald er durch die Öffnung 44 gelaufen
ist. Es versteht sich, dass, obwohl in einer bevorzugten Ausführungsform
die Öffnung
und die Kammern 40, 42 im Querschnitt kreisförmig sind,
sie ebenfalls andere Querschnittsformen aufweisen können, zum Beispiel
elliptisch oder vieleckig. In solchen Fällen beziehen sich die Durchmesser
d1 und d2 auf innere laterale Durchmesser.
-
Gewerbliche Anwendbarkeit
-
Während eines
Einlasstakts des Kolbens 16 steht die Hauptkammer unter
Druck, und eine Mischung aus Luft und Gas wird durch das Ventil 20 in die
Hauptkammer gezogen. Das Verhältnis
von Luft und Gas in der Mischung kann durch das Steuern des SOGAV-Ventils
und der Einlassanordnung 15 variiert werden und wird typischerweise
als eine schwache Mischung charakterisiert. Während des gleichen Einlasstakts
steht die Vorkammer ebenfalls unter Druck, wodurch Gas durch das
Sperrventil 28, das durch den Druckregler 24 reguliert
wird, eingezogen wird. Während
des folgenden Kompressionsvorgangs wird die Luft- und Gasmischung
in der Hauptkammer 14 unter Druck gesetzt und kann sich
ebenfalls über
den Zündkanal 30 in
die Vorkammer bewegen. Augrund der zusätzlichen Gaszufuhr weist die Vorkammer 12 eine
reichere Mischung als die Hauptkammer 14 auf und kann zuverlässig durch
das Entzündungsmittel 32 entzündet werden.
Abhängig
von dem Druck und der Dynamik des Gases und der Mischungsströme durch
die Kanäle 26 und 30 kann
das Sperrventil 12 offen sein, bis in der Vorkammer 12 Verbrennung
auftritt. Wenn Verbrennung stattfindet, steigt der Druck, und die
expandierende Verbrennungsmischung bewegt sich durch den Zündkanal
in Richtung der Hauptkammer 14, um die schwache Mischung
zu entzünden.
Zur gleichen Zeit zwingt die expandierende Verbrennungsmischung
das Sperrelement 46 auf seinen Sitz gegen den Vorsprung 50. Ein
kleiner Teil des Verbrennungsgases wird an dem Sperrelement vorbei
sickern, während
sich das Sperrelement schließt,
was darin resultiert, dass einiges an Gas und Schmutzstoffen durch
die Öffnung 44 in
die zweite Kammer 42 eintritt.
-
Bei
herkömmlichen
Sperrventilen neigten Schmutzstoffe wie etwa Ruß dazu, auf der Wand der Kammer
oder des Durchlaufs direkt neben der Abflussseite des Sperrelements 46 abgelagert
zu werden. In einem Sperrventil gemäß der gegenwärtigen Offenbarung
weist jedoch jedes Gas, das an dem Sperrelement 46 vorbei
und durch die Öffnung 44 sickert,
aufgrund der schnellen und großen Änderung in
Durchmesser und Querschnittsbereich zwischen d1 und d2 einen Wirbelcharakter
auf. Die Änderung in
Durchmesser und Querschnittsbereich induziert eine Änderung
in der Grenzschicht und dem charakteristischen Geschwindigkeitsprofil
des Stroms, wodurch mindestens ein Teil des Flusses blockieren kann,
was einen Wirbelcharakter schafft. Der Wirbelstrom trägt den Ruß weiter
die zweite Kammer 42 hoch, bevor der Ruß abgelagert wird. Dies ermöglicht das
Verteilen des Rußes über einen
größeren Oberflächenbereich
und normalerweise weiter weg von dem Sperrventil, um den Alterungsprozess
des Ventils zu verlangsamen. Um das Ablagerungsmuster auf der Wand 52 zu
beeinflussen, kann die Wand mit Merkmalen bereitgestellt werden,
die Rußablagerungen
begünstigen
oder erschweren, wie etwa das Aufrauen oder Glätten eines Abschnitts der Oberfläche, das
Auftragen eines beschichteten Überzugs
oder das Hinzufügen
von Flussreglern wie etwa Flügeln.
-
Obwohl
die bevorzugten Ausführungsformen dieser
Erfindung hier beschrieben worden sind, können Verbesserungen und Abwandlungen
inkorporiert werden, ohne den Bereich der folgenden Ansprüche zu verlassen.