DE2331274A1

DE2331274A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2331274A1
Application number: DE2331274A
Authority: DE
Inventors: Charles Edward Over; Milford Melven Scott
Original assignee: Kinematics Ltd
Current assignee: Kinematics Ltd
Priority date: 1972-06-20
Filing date: 1973-06-19
Publication date: 1974-01-31
Also published as: IT986175B; JPS4962814A; FR2190160A5; GB1417144A

Description

PATENTANWÄLTE R. SPLANEMANN dm-l-chem. dr. B. REITZNER - dipl-inq. J. RICHTER MÜNCHEN HAMBURS

Kinematics Limited

P. O. Box 1
Betchworth, Surrey Großbritannien

Patentanmeldung

.ooomu_Nch_EN2 ¹9. Juni 1973

Tal 13

Telefon [0811) 22 62 07 / 22 62 0» Telegramme: Inventius Mönchen

Unsere Akte:
Ihr Zeichen

2914-1-8346

Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, bei der ein Ventil mit dem Abgassystem verbunden ist, das, wenn der Druck in dem Abgassystem unter dem Atmosphärendruck liegt, einen offenen Zustand einnimmt, um Luft in das Abgassystem eintreten zu lassen, und, wenn der Druck in dem Abgassystem über dem Atmosphärendruck liegt, einen wenigstens teilweise geschlossenen Zustand einnimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine oder mehrere bestimmter Betriebseigenschaften der Maschine zu verbessern. Diese Eigenschaften sind z.B. der Brennstoffverbrauch, der minimal verwendbare Oktanbereich des Brennstoffs, die Kolbenring- und Zylinderabnutzung, der Schmierölverbrauch und der Anteil von Stickoxiden in den Abgasen.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß das Ventil mit dem Abgassystem an einer Stelle in Verbindung steht, an der Änderungen des Abgasdruckes während des Laufs der Maschine auftreten, so daß wenigstens ein Teil der dem Abgassystem über das Ventil zugeführten Luft in die Maschinenzylinder zurückgesaugt wird.

309885/0935

Die Erfindung ist nicht mit bekannten Anordnungen für die Zuführung von Luft durch das Ventil in das Abgassystem einer normalen Brennkraftmaschine, die als Sekundärluft zur Reaktion mit unvollständig verbranntem Brennstoff oder Brennstoffprodukten wie Kohlenmonoxid in einem Nachbrenner oder katalytischen Konvertern oder eineräquivalenten Vorrichtung in Strömungsrichtung unterhalb des Ventils zu verwechseln. Obwohl die Erfindung auf Maschinen anwendbar ist, die mit einem Nachbrenner, einem katalytischen Konverter oder einer ähnlichen Vorrichtung versehen sind , is.t sie auch auf Maschinen anwendbar, die keine solchen Vorrichtungen haben und kann, wie später weiter erläutert wird, die Abgasabgabeeigenschaften solcher Maschinen verbessern.

Wenn die Maschine leerläuft, treten negative und positive Drücke in dem Abgassystem auf. Das Ventil wird von den unterschiedlichen Drücken zwischen dem Abgassystem und der Atmosphäre betätigt, so daß, wenn ein negativer Druck bzw. ein unter dem Atmosphärendruck liegender Druck in dem Abgassystem vorhanden ist, das Ventil öffnet und den Zutritt von frischer ümgebungsluft in das Abgassystem ermöglicht, vorzugsweise über den Luftfiltereinlaß, der Fremdkörper vom Zutritt abhält. Eine bestimmte Menge dieser Frischluft wird von dem Abgassystem in die Zylinder zurückgesaugt und mit dem Luft-Brennstoffgemisch in den Zylindern während der Ventilüberschneidungsperiode gemischt. Dadurch wird der Brennstoffverbrauch während des Lehrlaufs durch Verringerung der Ladungsverdünnung infolge von Abgas, das während der Ventilüberschneidungsperiode in die Zylinder zurückgesaugt wird, verringert. Während der Fahrt bzw. konstanter Geschwindigkeiten vibriert das Ventil und ermöglicht, daß Frischluft in das Abgassystem tritt und eine bestimmte Menge dieser Luft, obwohl eine geringere Menge als beim Leerlauf in die Zylinder zurückgesaugt wird, so daß das Frennstoff-

309885/093 5

Luftverhältnis verringert wird, so daß sich bessere Leistungen und eine höhere Kilometerzahl pro Liter Brennstoff ergeben. Während der Verzögerung, wenn in dem Abgassystem ein negativer Druck vorherrscht, öffnet das Ventil, wodurch die Pumpwirkung in den Zylindern dadurch verringert wird, daß Frischluft in das Abgassystem eintreten und in die Zylinder zurückgesaugt werden kann, was wiederum den Unterdruck auf den leerlaufenden Teil des Vergasers bzw. ein anderes BrennstoffZuführungssystem verringert, wodurch der Brennstoffstrom während der Verzögerung verringert wird. Dadurch, daß während der Verzögerung Frischluft in das Abgassystem gelangen und in die Zylinder zurückgesaugt werden kann, wird auch die Pumpwirkung der Kolbenringe in abgenutzten Nuten verringert, was den ölstrom vorbei an den Kolbenringen verringert, so daß der Qualm, der bei abgenutzten Maschinen auftritt, wenn die Drosselklappe nach der Verzögerung geöffnet wird, stark vermindert wird. Die Verringerung dieser Pumpwirkung verringert auch den Ölverbrauch. Während der Beschleunigung wird das Ventil dicht gegen seinen Sitz gedrückt, da der Abgassystemdruck positiv ist bzw. über dem Atmosphärendruck liegt.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist das Ventil niemals völlig geschlossen, ist an den Verbrennungslufteinlaß der Maschine durch einen Kanal angeschlossen und kann eine Schwingung der Luft bzw. des Gases in diesem Kanal hervorrufen, wenn das Ventil in einem teilweise geschloss.enen Zustand ist, z.B. während der Beschleunigung. Diese Schwingung, die mit der Schwingung in dem Luftstrom verglichen werden kann, der von der Pohrblatt- bzw. Tonerzeugungsöffnung eines Blasinstruments verursacht wird, beeinflußt wahrscheinlich die einströmende Verbrennungsluft in irgendeiner Weise, möglicherweise durch Bildung einer Resonanzschwingung oder einer zunehmenden Turbulenz, so daß Brennstofftropfen aufgebrochen werden,

109885/0935

was Brennstoffverdampfung erhöht und ein homogeners Brennstoff-Luftgemisch geschaffen wird.

Das Ventil kann aus einer dünnen, leichten Scheibe bestehen, die wenigstens eine Gasströmungsöffnung in einem Bereich hat, der von der Sitzfläche nicht verschlossen wird, auf der die Scheibe aufsitzt, wenn das Ventil in dem teilweise geschlossenen Zustand ist. Z.B. kann das Ventil eine kreisförmige Scheibe sein, die einen Ring großer öffnungen nahe ihrem Umfang hatunddie sich in einer flachen zylindrischen Kammer axial frei bewegen kann, die einen Kanal mit einem großen Durchmesser am einen Ende hat, der sich in das Abgassystem öffnet, und einen Kanal mit einem kleineren Durchmesser an dem gegenüberliegenden Ende, der sich zur Atmosphäre öffnet, vorzugsweise in den Verbrennungslufteinlaßkanal der Maschine entweder zwischen dem Luftfilter und dem Vergaser oder der Brennstoffzuführvorrichtung oder in Strömungsrichtung unterhalb dieser. Diese Kanäle öffnen sich in die zylindrische Kammer durch die Mitten der beiden Endwände, so daß die öffnungen von flachen Absätzen umgeben sind, die als Sitzflächen für die Scheibe in den Endstellungen ihrer axialen Bewegungen dienen. Der Absatz um die Öffnung des Kanals mit größerem Durchmesser ist radial schmal und verschließt daher die großen öffnungen nahe dem Umfang der Scheibe nicht. Der Absatz um die Öffnung des Kanals mit kleinerem Durchmesser dagegen ist breit genug, um diese öffnungen vollständig zu verschließen, wenn das Ventil in der entsprechenden Endstellung ist. In dem zentralen Teil der Scheibe, wo sie frei von dem breiten Absatz ist, ist jedoch eine kleine öffnung oder eine Gruppe von kleinen öffnungen vorgesehen. Der Durchgang des Abgases durch die kleine öffnung bzw. die Öffnungen in dem zentralen Teil der Scheibe ruft die Schwingung der Luft bzw. des Gases in dem zu dem Verbrennungslufteinlaß der Maschine führenden Kanal hervor. Diese Schwingung hat eine hohe Energie und zerschlägt vermutlich Brennstoff-

309885/093B

tropfen in dem Einlaßsystem und erhöht die Brennstoffverdampfung. Das Abgas, das durch die kleine öffnung bzw. die öffnungen in der Scheibe austritt, wird in die Ansaugleitung gesaugt und verdünnt die Luftansaugladung, jedoch nicht in einem nachteiligen Ausmaß. Diese Verdünnung verringert den Spitzenzylinderdruck und die Flammentemperatur. Durch Verminderung des Spitzendrucks wird das momentane Schlagen und die Expansion der Kolbenringe, das durch diesen momentanen hohen Druck hervorgerufen wird, der sich hinter den Kolbenringen auswirkt und diese hart gegen die Zylinderwandungen drückt, verringert, so daß die Kolbenring- und Zylinderwandungsabnutzung ebenfalls verringert wird. Durch Verringerung der Spitzenflammentemperatur wird die Bildung von Stickoxiden erheblich verringert. Durch Verringerung des momentanen Spitzendrucks und der Flammentemperatur ist es auch möglich, Benzin mit niedrigem Bleigehalt oder auch ein anderes Benzin mit niedriger Oktanzahl zu verwenden, da die Explosion (das Klopfen) und die Frühzündung durch den Spitzenzylinderdruck und die Spitzentemperaturen verursacht werden.

Die Erfindung richtet sich auch auf das Ventil als solches. Dieses Ventil zeichnet sich gemäß der Erfindung durch eine kreisförmige Scheibe mit einem Ring von öffnungen nahe deren Umfang aus und dadurch, daß die Scheibe in einer zylindrischen Kammer axial frei beweglich ist, die einen zentralen Kanal mit relativ großem Durchmesser, der von einem relativ schmalen, flachen Absatz am einen Ende umgeben ist, und einen zentralen Kanal mit geringerem Durchmesser hat,dervon einem relativ breiten, flachen Absatz an dem gegenüberliegenden Ende umgeben ist, daß die Absätze als Sitzflächen für die Scheibe in den Endstellungen ihrer axialen Bewegungen dienen, daß die radiale Abmessung des schmäleren Absatzes derart ist, daß er die öffnungen nahe dem Umfang der Scheibe nicht verschließt, daß die radiale

309885/09 35

Abmessung des breiteren Absatzes derart ist, daß er diese öffnungen völlig verschließt, wenn die Scheibe auf dem breiteren Absatz aufsitzt, und daß die Scheibe in ihrem zentralen Teil, wo sie von dem breiteren Absatz frei ist, eine öffnung oder eine Gruppe von öffnungen mit einer Gesamtquerschnittsfläche geringer als die der Öffnungen nahe dem Umfang der Scheibe hat.

Es ist auch möglich, ein Venturi-Rohr in dem das Ventil mit dem Verbrennungslufteinlaß der Maschine verbindenden Kanal anzuordnen, wobei ein Rohr von der Venturi-Verengung zu einem Wasserbehälter führt. Wenn das Ventil in seinem teilweise geschlossenen Zustand ist, d.h. während der Beschleunigung, schafft der Abgasstrom durch das Venturi-Rohr in der Venturi-Verengung einen Unterdruck, der Wasser aus dem Wasserbehälter durch das Rohr saugt. Das heiße Abgas verdampft das Wasser, bevor es den Verbrennungslufteinlaß erreicht. Wenn das Ventil dagegen in seinem offenen Zustand ist, d.h. während der Verzögerung, gelangt eine bestimmte Wassermenge in das Abgassystem, wird darin verdampft, tritt während der Überschneidungsperiode in die Zylinder ein und verringert dadurch die Bildung von Kohlenstoff und unerwünschte Ausströmungen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Figur 1 eine Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung,

Figur 2 einen Querschnitt eines Ventils gemäß der Erfindung, das in die Maschine der Fig. 1 eingebaut ist, und

Figur 3 eine Aufsicht der Scheibe des Ventils.

Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 10 mit Fremdzündung, die einen Verteiler 12 und Zündkerzen 14 aufweist. Die

309885/0935

Maschine hat auch eine Verbrennungsluftansaugleitung 16 und eine Abgasleitung 18. An der Ansaugleitung 16 befindet sich ein Vergaser 20, der von der Atmosphäre über ein Luftfilter 22 Verbrennungsluft erhält. Insoweit sind die Maschine und die erwähnten Teile von üblicher Art.

Gemäß der Erfindung ist ein Ventil 24 in die Abgasleitung eingesetzt. Dies kann dadurch erfolgen, daß in die Abgas-. leitung eine Bohrung gebohrt und mit einem Gewinde veirsä&n, ednkurzes Stück des Rohrs 26, das ein mit einem Gewinde versehenes äußeres Ende hat, eingeschraubt und das Ventil 24 auf das äußere Ende aufgeschraubt wird.

Wie Fig. 2 zeigt, besteht das Ventil aus einem Ventilkörper 28, an dem durch Schrauben 32 ein Deckel 30 befestigt ist. In dem unteren Ende des Ventilkörpers 28 ist eine Ausnehmung 34 mit einem Innengewinde zur Aufnahme des äußeren Endes des Rohrs 26 zum Anschluß des Ventils 24 an die Abgasleitung 18 vorhanden. In dem Körper 28 befindet sich eine flache zylindrische Kammer 36. Die Ausnehmung 34 steht mit dem unteren Ende der Kammer 36 über einen Kanal 38 in Verbindung, der einen relativ großen Durchmesser hat, wo er sich in die Kammer 36 öffnet; die öffnung ist von einem schmalen, flachen Absatz 40 umgeben, der die untere Endwand der Kammer 36 bildet.

Der Deckel 30 hat einen nach oben gerichteten Zapfen 42 mit einem Kanal 44, der sich in das obere Ende der Kammer 36 öffnet. Der Durchmesser des Kanals 44 ist geringer als der Durchmesser des oberen Endes des Kanals 38, so daß er dort, wo er in den Kanal 36 mündet, von einem flachen Absatz 46 umgeben ist, der wesentlich breiter als der Absatz 40 ist. Der Absatz 46 bildet die obere End-. wand der Kammer 36.

In den Zapfen 42 ist ein flexibles Rohr 48 aus einem geeigneten, temperaturbeständigen Elastomer wie Neopren

309885/093B

2 3 31°7

eingesetzt. Wie Fig. 1 zeigt, ist das obere Ende dieses Rohrs 48 in einen Rohrstutzen (nicht gezeigt) eingesetzt, der an dem Luftfilter 22 befestigt ist, so daß das Rohr 48 das Innere des Ventils 24 mit dem Inneren des Luftfilters 22 verbindet.

Wie Fig. 2 zeigt, enthält die Kammer 36 eine Scheibe 50, die aus einem Stück eines dünnen, korrosionsbeständigen Blechs wie rostfreiem Stahl besteht. Die Scheibe 50 ist in der Kammer 36 frei auf- und abwärts bewegbar. Die Scheibe ist im einzelnen in Fig. 3 gezeigt. Nahe dem Umfang der Seheibe befindet sich ein Ring großer Öffnungen 52, bei dieser Ausführungsform jeweils mit einem Durchmesser von 4,762 mm. In der Mitte der Scheibe befindet sich eine Gruppe 54 kleiner Öffnungen. Bei dieser Ausführungsform sind neun Öffnungen in der Gruppe 54 mit zwei verschiedenen Größen vorhanden. Die vier größeren Öffnungen haben jeweils einen Durchmesser von 2,082 mm, während die fünf kleineren jeweils einen Durchmesser von 1,498 mm haben. Wenn die Scheibe in der unteren Stellung ist und auf dem schmalen, flachen Absatz 40 aufliegt, werden die größeren Öffnungen 52 nur geringfügig von dem Absatz 40 verschlossen. Wenn dagegen die Scheibe in der oberen Stellung ist und an dem breiten, flachen Absatz 40 anliegt, werden die großen Öffnungen 52 vollkommen von dem Absatz 46 verschlossen. In allen Stellungen der Scheibe wird die zentrale Öffnungsgruppe 54 nicht verschlossen.

Wenn der Druck in der Abgasleitung 18 ständig unter dem Atmosphärendruck liegt, befindet sich die Scheibe 15 in ihrem unteren bzw. offenen Zustand, liegt auf dem schmalen Absatz 40 auf und Frischluft wird aus der Atmosphäre über das Filter 22, das Rohr 48 und alle Öffnungen in der Scheibe 50 gesaugt. Wenn dagegen der Druck in der Abgasleitung 18 ständig über dem Atmosphärendruck liegt, wird die Scheibe 50 nach oben gegen den breiten Absatz 46 in ihren teilweise geschlossenen Zustand gedrückt und es

30988 5/0935

INSPECTED

2331?74

gelangt eine bestimmte Menge Abgas durch die zentrale Öffnungsgruppe 54, das Rohr 48 in den Luftfilter 22. Auf seinem Durchgang durch die öffnungen 54 wird auf die zuvor beschriebene Weise eine Schwingung erzeugt und dieser schwingende Abgasstrom wird Ober den Vergaser 20 in die Zylinder zurückgeführt. Wenn der Druck in der Abgasleitung schwankt oder auf einem mittleren Pegel ist, vibriert die Scheibe in der Kammer 36 und läßt eine bestimmte Luftmenge in die Abgasleitung gelangen, jedoch in geringerem Maß als wenn die Scheibe auf dem unteren Absatz 40 aufliegen würde.

Die Lage der B^festigungsstelle des Ventils 24 an der Abgasleitung sollt© so nahe wie möglich dort sein ^ wo sich die Äbgaskanäle dear einzelnen Zylinder mit dem gemeinsamen Teil der Leitung verbinden, um sicherzustellen, daß, wenn Luft in die Abgasleitung über das Ventil 24 gesaugt wird, eine bestimmte Menge dieser Luft in die Maschinenzylinder während einer bestimmten Zeitdauer, wenn die Auslaßventile offen sind, zurückgesaugt werden kann.

Es wurde festgestellt, daß durch bloße Änderung der Anzahl der größeren öffnungen (mit einem Durchmesser von 2,082 mm) in der zentralen Gruppe 54 der Scheibe das Ventil tatsächzum Gebrauch für den gesamten Bereich normalerweise verwendeter Automotoil-Brennfcrafftmaschinen in geeigneter Weise ausgebildet werden, wie die folgende Tabelle zeigt:

Anzahl der
2,082 HiBiöffnungen

Zylinder-Volumen

Tabelle

Volumen

einer

4-Zylinder-Maschine

CHI

Volumen

einer

6-Zylinder-Maschine

cm

Volumen

einer

8-Zylinder-Maschine

cm

1
2
3
4
5

150-330 330-510 51O-69O 69O-87O

6OG-I320 1320-204O 2O4O-276O 2760-3480

870-1050

Wi 309985/0 93 B

1980-3060
3060-4140
4140-5220

2 6 40-40 8O 4Ό8Ο-552Ο 552O-696O 6960-8400

ORIGINAL INSPECTED

2331^7/.

Bei einer abgewandelten, schematisch in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist ein Venturi-Rohr 56 in das Rohr 48 eingesetzt und eine Einlaßöffnung an der Verengung des Venturi-Rohrs steht über eine Leitung 58 mit einem Wasserbehälter 60 in Verbindung.

OBiGlNAL INSPHCTED 309885/0935

Claims

- ii - ■ 2331?74

Patentansprüche

Brennkraftmaschine, bei der ein Ventil mit dem Abgassystem verbunden ist, das, wenn der Druck in dem Abgassystem unter dem Atmosphärendruck liegt, einen offenen Zustand einnimmt, um Luft in das Abgassystem eintreten zu lassen, und, wenn der Druck in dem Abgassystem über dem Atmosphärendruck liegt, einen wenigstens teilweise geschlossenen Zustand einnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (24) mit dem Abgassystem an einer Stelle in Verbindung steht, an der Änderungen des Abgasdruckes während des Laufs der Maschine auftreten, so daß wenigstens ein Teil der dem Abgassystem über das Ventil z.ugeführten Luft in die Maschinenzylinder zurückgesaugt wird.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (24) niemals völlig geschlossen ist, an den Verbrennungslufteinlaß der Maschine durch einen Kanal angeschlossen ist, und derart ausgebildet ist, daß es in dem Kanal eine Luft- bzw. Gasschwingung hervorruft, wenn es in dem teilweise geschlossenen Zustand ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (24) eine Scheibe (50) aufweist, die wenigstens eine Gasdurchlaßöffnung in einem Bereich hat, der durch keine Sitzfläche verschlossen wird, auf der die Scheibe aufsitzt, wenn das Ventil in dem teilweise geschlossenen Zustand ist.
4. Ventil, gekennzeichnet durch eine kreisförmige Scheibe

(50) mit einem Ring (52) von öffnungen nahe deren Umfang, und dadurch, daß die Scheibe in einer zylindrischen Kammer (36) axial frei beweglich ist, die einen zentralen Kanal

309885/093^

°*GiNAL INSPECTED

(38) mit relativ großem Durchmesser, der von einem relativ schmalen, flachen Absatz (40) am einen Ende umgeben ist, und einen zentralen Kanal (44) mit geringerem Durchmesser hatjdervon einem relativ breiten, flachen Absatz (46) an dem gegenüberliegenden Ende umgeben ist, daß die Absätze (40, 46) als Sitzflächen für die Scheibe (50) in den Endstellungen ihrer axialen Bewegungen dienen, daß die radiale Abmessung des schmäleren Absatzes (40) derart ist, daß er die Öffnungen nahe dem Umfang der Scheibe (50) nicht verschließt, daß die radiale Abmessung des breiteren Absatzes (46) derart ist, daß #r diese Öffnungen völlig verschließt, wenn die Scheibe (50) auf dem breiteren Absatz (46) aufsitat, und daß die Scheibe (50) in ihrem zentralen Teil, wo sie von dem breiteren Absatz (46) frei ist, eine Öffnung oder eine Gruppe (54) von Öffnungen mit einer Gesamtquerschnittsfläche geringer als die der Öffnungen nahe dem Umfang der Scheibe hat.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Ventil nach Anspruch 4.
6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch ein Venturi-Rohr (56) in dem das Ventil (24) mit dem Verbrennungslufteinlaß der Maschine verbindenden Kanal (48) und ein von der Venturi-Verengung zu einem Wasserbehälter (60) führendes Rohr (58),

309885/0935