DE2713975A1

DE2713975A1 - Vorrichtung zur konstanthaltung des verbrennungsdruckes einer verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE2713975A1
Application number: DE19772713975
Authority: DE
Inventors: Auguste Moiroux
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-03-30
Filing date: 1977-03-30
Publication date: 1978-10-05
Also published as: DE2713975C2

Description

Vorrichtung zur Konstanthaltung des Verbrennungsdruckes einer Verbrennungskraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, welche es gestattet, den Verbrennungsdruck einer Verbrennungskraftmaschine während des Verlaufs eines Zyklus derselben konstant zu halten.

Man weiß, daß bei einem Verbrennungsmotor das Volumen der Brennkammer am oberen Totpunkt durch die Stellung des Kolbens definiert wird. Auf diese Weise ist die Druckerhöhung aufgrund der Verbrennung sehr hoch und im allgemeinen von der gleichen Größenordnung, wie der Enddruck der Kompression. Für einen durch die Widerstandsfähigkeit des gesamten Mechanismus festgelegten bzw. bestimmten Maximaldruck ist es somit erforderlich, einen mäßigen Kompressionsenddruck aufrechtzuerhalten, wodurch der Wirkungsgrad eines Arbeitszyklus begrenzt wird.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gewisse Elastizität in der Brennkammer derart zu erreichen, daß die Druckerhöhung aufgrund der Verbrennung gering ist und man somit auf höhere Kompressionsenddrücke zurückkommen kann, wodurch eine Reduzierung der Zündpunktsverzögerung und eine Verringerung des Verbrennungsgeräusches, ferner eine Verbesserung des Wirkungsgrades und eine natürliche Eignung des Motors für Aufladung ermöglicht werden, da der Verbrennungsdruck unabhängig von der Aufladung ist.

Erfindungsgemäß wird dies in überraschend einfacher Weise dadurch erreicht, daß eine Vorrichtung zur Konstanthaltung des Verbrennungsdruckes einer Verbrennungskraftmaschine während eines Arbeitszyklus mindestens ein Ventil aufweist, dessen Ventilkopf mit sehr geringem Spiel in einer in die Brennkammer mündenden Bohrung für Hin- und Herbewegung geführt ist und mit einer elastischen Rückführeinrichtung zur Aufbringung einer in den Druckkräften der Brennkammer entgegengesetzter Richtung wirkenden Gegenkraft auf seine Axialführungseinrichtung in Wirkverbindung steht.

Auf diese Weise ' weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine sehr konzentrierte und einen integrierten Teil der Kompressions— und Expansionskammer bildende Brennkammer auf. Oberhalb dieser Brennkammer ist ein Ventil angeordnet, dessen Ventilkopf mit reduziertem Arbeitsspiel in einem Expansionszylinder derart für Hin- und Herbewegung geführt ist, daß dieses Ventil in der Tat einen Kolben bildet, dessen Führung wirkungsvoll gegen in der Brennkammer arbeitende heiße Gase geschützt ist.

Dabei kann zweckmäßig dieses Ventil einen mit seinem Ventilkopf in solcher Weise zusammenarbeitenden Ventilsitz aufweisen,

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daß das Ventil dicht ist, wenn es sich in seiner unteren Arbeitsstellung befindet.

Gemäß einem die Erfindung zweckmäßig fortbildenden weiteren Erfindungsgedanken kann die Bohrung, in der das Ventil für Hin- und Herbewegung geführt ist, auf der der Brennkammer gegenüberliegenden Seite in einen Speicher münden, dessen optimales Volumen durch Berechnung bestimmt und der mit auf einen Druckwert komprimierter Luft gefüllt ist, der den maximalen Verbrennungsdruck begrenzend gewählt ist. Dabei kann in weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Luftdruck im Speicher beispielsweise mit Hilfe eines herkömmlichen, mit einem Druckminderungsmanometer bzw. -ventil ausgerüsteten Luftkreislaufes konstantgehalten sein. Ferner kann zweckmäßig der Luftdruck im Speicher mittels einer auf Funktionsparameter des Motors ansprechenden Einrichtung regelbar sein. Dabei hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn sich zur Speisung des Speichers ein Zuspeisungskanal über die Regeleinrichtung ins Innere der Brennkammer öffnet.

Nach einem anderen vorteilhaften Erfindungsgedanken kann die in die Brennkammer mündende Bohrung einstückig mit einem Ventilsitz ausgebildet sein, der durch das Ventil verschlossen ist, um die Bohrung hermetisch abzuschließen, wenn der Brennkammerdruck kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung kann der Ventilstössel auf der Seite des Speichers angeordnet sein, so daß er unter Abschluß von den heißen Gasen der Brennkammer verbleibt.

Nach einer anderen zweckmäßigen Fortbildung der Erfindung kann sich das Ventil in Wirk verbindung mit einer Verstärkereinrichtung befinden, welche große Schließgeschwindigkeiten

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gestattet, ohne dabei unerwünsehte Schläge auf den Ventilsitz zu erzeugen. Hierfür kann sich mit Vorzug das Ventil in Wirkverbindung mit einer solchen Verstärkereinrichtung befinden, die einen mit seinem Stössel verbundenen, vorzugsweise einstückigen Kolben aufweist, mittels dessen eine eine dosierte Olmenge enthaltende Kammer verschließbar ist, indem er sieb mit geringem Bewegungsspiel in einer in diese Kammer mündenden Bohrung befindet, wobei die gesamte Anordnung so getroffen ist, daß diese Verschlußwirkung stattfindet, wenn das Ventil sich seiner Schließstellung nähert.

Es ist erkennbar, daß die Erfindung in weiterer Ausgestaltung es ermöglicht, daß der in der Speicherkammer herrschende Luftdruck aus einer vom Antriebszylinder selbst oder einem Hilfskompressor oder auch einem unabhängigen Druckmittelkreislauf stammenden Zuspeisung resultieren kann.

Ferner kann in weiterer zweckmäßiger Fortbildung der Erfindung der Luftdruck im Speicherraum entweder konstant oder aber variabel gehalten oder aber eventuell sogar auch abhängig von einem Funktionsparameter des Motors gemacht werden.

Nach einem weiteren Erfindungsgedanken kann die konzentrierte Brennkammer im Falle eines Dieselmotors einen Brennstoffinjektor und im Falle eines Vergasermotors oder eines Benzineinspritzmotors eine Zündkerze aufnehmen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind, rein beispielsweise näher beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine an einem herkömmlichen Viertaktmotor angeordnete Vorrichtung nach der Erfindung (wobei die Anpassung an einen Zweitaktmotor in für den Fachmann höchst einfacher und ohne weiteres erkennbarer Weise vorgesehen ist),

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Fig. 2 in vergrößerter Darstellung einen Längsschnitt durch eine Einzelheit der Vorrichtung nach Fig. 1, wobei besonders das Ventil und die Verstärkereinrichtung gezeigt sind,

Fig. 3

"bis 5 jeweils im Axialschnitt vergrößerten Maßstabes verschiedene Varianten einer Einrichtung zur Speisung des Speicherreservoirs, und

Fig. 6 eine Darstellung des erhaltenen Motordiagrammes ebenso wie des Diagrammes der Ventilhübe und der Brennstoffeinspritzung.

Der so beschriebene und in Fig. 1 dargestellte Motor weist ein Motorgehäuse 1 auf, in dem ein Kolben 2 seine Arbeitshubveränderungen durchmacht, sowie eine Kurbelwellen-Pleuel-Kinematik 3· Dieser Motor weist ein Zuströmventil 4 und ein Auslaßventil 5 auf.

Der Zylinderkopf 6 weist die Brennkammer 7» oberhalb welcher das Ventil 8, das in der Führung 9 hin- und herbeweglich geführt ist und auf dem Ventilsitz 10 ruht, angeordnet ist und seinerseits ohne Arbeitsspiel in der Bohrung 11 geführt ist, und ein Speicherreservoir 12 auf, das von der Bohrung 11 abgestützt bzw. getragen und mit Luft hohen Druckes 'durch die Speiseeinrichtung 13 gespeist wird. Im Falle eines Dieselmotors ist der Brennstoffinjektor und im Falle eines Benzinmotors die Zündkerze an der rein beispielsweise angedeuteten Stelle 14 angeordnet.

Wie Fig. 2 erkennen läßt, weist das Ventil 8 einen Verstärkerkolben 15 auf, der im Verlauf des Endbereiches der Absenkhubbewegung des Ventilstössels mit einem sehr geringen Arbeitsspiel zum Eintritt in eine Bohrung 16 kommt, die über die Zuführungsleitung 17 in dosierter Menge mit Schmieröl gespeist wird.

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Die Speisung 13 des Speicherreservoirs 12 kann auf mehrfache Weise sichergestellt werden:

Wie Fig. 3 zeigt, kann sie beispielsweise mit Hilfe eines Druckluftkreislaufes gesichert werden, der über einen klassischen Druckluftschalter geregelt wird, wie dieser beispielsweise in Fig. 3 mit seiner Membran 18, dem als Regelorgan dienenden Druck- bzw. Staukörper 19 und der Gegendruckfeder 20 dargestellt ist. Diese Feder 20 wird gegebenenfalls durch Regelparameter 21 verstellt, wie beispielsweise den Aufladedruck. Die Druckluft kommt über den Kanal 22 an.

Nach einer in Fig. 4- dargestellten Variante wird die Speisung 13 des Speicherreservoirs 12 mit Hilfe eines im Gleichgewicht gehaltenen Kolbens 23 sichergestellt, wobei dieser Kolben von der Brennkammer 7 des Motors über die öffnung 24 angespeist wird. Der Kolben 23 unterliegt der Wirkung einer Gegendruckfeder 25, welche hinsichtlich ihrer Vorspannung durch äußere Parameter 26 einstellbar ist. Der Kolben 23 weist eine Verbindungseinschnürung 27 auf, welche über das Rückschlagventil 28 den Zustrom zum Speicher 12 speist.

Gemäß einer anderen in Fig. 5 dargestellten Variante wird die Speisung 13 des Speicherreservoirs mit Hilfe eines Vorhubventils 29 sichergestellt, das auf der Brenkammer 7 oder einem Hilfskompressor befestigt ist und einerseits durch einen Nocken 30, der von der Nockenwelle des Motors betätigt wird, und andererseits von einer Gegenfeder 31 betätigt wird. Der Nocken 30 kann dank geneigter Zahnungen, die auf der Nockenwelle 32 und dem Nocken 30 angeordnet sind, in variabler Stellung gehalten sein, .wobei der Nocken 30 einer Verschiebung unter der Wirkung von Regelparametern 33 unterliegt, welche unter Zwischenschaltung eines Anschlags 34- auf den durch eine Gegenfeder 35 zurückgedrückten Nocken 30 einwirken.

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AO

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäß ausgerüsteten Motors ist nun folgende:

Nachdem Schließen des Zuströmventils 4 beginnt der Kolben 2 seinen Kompressionshub, und die Luft wird somit in zunehmendem Maße in der Brennkammer 7 konzentriert. Wenn der gewünschte Maximaldruck erreicht und dank des im Totvolumen des Speichers 12 vor dem oberen Totpunkt herrschenden Druckes festgelegt ist, übt der Kompressionsdruck von unten nach oben auf das Ventil 8 eine im Vergleich zu der von oben nach unten auf das gleiche Ventil durch die Luft des Speichers 12 ausgeübten Kraft größere Kraft aus. Das Ventil 8 hebt sich somit von seinem Ventilsitz 10 ab. Im gewählten Moment spritzt der Brennstoffinjektor den Brennstoff ein oder gibt die Zündkerze den Zündfunken ab, und nach dem Zündverzug beginnt die Verbrennung nahe dem oberen Totpunkt. Der Druck in der Brennkammer 7 verstärkt sich, gleichzeitig verstärkt sich aber auch die auf das Ventil 8 von unten nach oben ausgeübte Wirkung, und dieses schon vorläufig in vorbereitende Hubgeschwindigkeit gebrachte Ventil beschleunigt seine Bewegung, indem es so das Brennkammervolumen vergrößert. Daraus resultiert also eine Regulierung des Verbrennungsdruckes. Wenn der Kolben wieder in seinen unteren Totpunkt zurückkehrt und auf seinem Abwärtsweg das Brennkammervolumen vergrößert, senkt sich auch das Ventil 8 wieder ab und kompensiert diese Volumenvergrößerung und erhält somit längere Zeit für die Verbrennung und die Bewegungskraft bzw. -wirkung auf den Kolben günstige Druck- und Temperaturbedingungen aufrecht.

Ausgehend von dem gewählten Gleichgewichtsdruck fällt das Ventil auf seinen Ventilsitz zurück und erlangt vollständig seine volle Dichtigkeit zurück, indem es somit die Druckluft des Speichers 12 isoliert. Gegen Ende des Abwärtshubes tritt der Verstärkerkolben 15 in seinen Zylinder 16 ein und -verlangsamt

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sanft die Geschwindigkeit des Ventils, bevor dieses seinen Ventilsitz erreicht.

Es ist festzuhalten, daß das Ventil im Zuge seiner Bewegung trotz alledem ein gewisses Arbeitsspiel aufweist. Aber dieses ist nicht nachteilig für dessen Wirkungsweise, und zwar dies aufgrund der Tatsache, daß eine geringe Druckdifferenz zwischen beiden Seiten des Ventils existiert.

Die Speisung des Speichers 12 kann je nach zum Einsatz kommender Einrichtung in unterschiedlicher Weise erfolgen. Im Falle der Fig. 3 kann der Luftkreislauf 22 vor dem Starten des Motors aufgebaut werden, was es ermöglicht, bereits von der ersten Motordrehung unter Normalbedingungen zu starten.

Im Falle der Fig. 4 speisen bereits mit dem Starten des Motors die Brennkammer 7 oder ein gegebenenfalls vorhandener Hilfskompressor die Zuspeisungsleitung 24-, welche in Strömungsverbindung mit der Einspeiseleitung 13 des Speichers 12 verbleibt, so daß der im Speicher herrschende und auf den Kolben 23 entgegen der Kraft der Gegenfeder 25 wirkende Druck den Kolben 23 nicht zurückschiebt. Sobald der Druck im Speicher ausreichend ist, wird der Kolben 23 nach unten zurückgeschoben, und die Verbindungseinschnürung 27 verschwindet aus dem Strömungsweg, wodurch die Strömungsverbindung zwischen 24 und 13 abgeschnitten wird.

Die Vorrichtung gestattet es somit, den Speicher 12 über das Rückschlagventil 28 zu laden, während der Speicher selbst sich über die Uberströmöffnung des Ventils 8 und die durch diese im Verlauf seiner Hübe entweichenden Luftmengen leicht entladen kann.

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Jede Wirkung der Regelparameter 26 führt somit eine Modulation des Druckes des Speichers 12 ein.

In Fig. 5 "baut mit dem Starten des Motors das Vorhubventil eine Verbindung zwischen dem Speicher 12 und der Brennkammer 7 oder einem etwa vorgesehenen Hilfskompressor während eines vorgewählten Kurbelwellenwinkels auf. Es wird somit der Speicher mit dem in der Brennkammer oder im Hilfskompressor in genau diesem Moment herrschenden Druck aufgeladen.

Wenn die Nockenwelle einen Unterschied zwischen dem Kompressionsund dem Expansionshub einführt, kann man den Speicher 12 mit komprimierter Frischluft laden, was bei der Lösung gemäß Fig. nicht der ^aIl ist.

Sobald der Druck im Speicher 12 dem bei dem gewählten Kurbelwellenwinkel in der Brennkammer 7 oder dem Hilfskompressor herrschenden Druck entspricht, hört die Luftüberströmung auf.

Jede Wirkung der Regelparameter 33 führt eine Variation des Vorhubwinkels ein, welche es gestattet, den Druck im Speicher und damit den maximalen Verbrennungsdruck zu variieren.

In Fig. 6 kann man die zugeordneten Druckgesetze 36 und 37 ersehen, die mit einem erfindungsgemäß ausgerüsteten Motor einerseits mit Aufladung und andererseits mit natürlicher Ansaugung erhalten wurden, sowie auch die zugehörige Gesetzmäßigkeit 38 der Ventilhübe und 39 der Injektionshübe oder der Zündzyklen. Die Horizontalachse 4-0 stellt die Winkelstellung der Kurbelwelle zwischen dem oberen Totpunkt PMH und dem unteren Totpunkt PMB des Hubes des zugehörigen Ventils und der Einspr-itz- oder Zündgesetzmäßigkeit dar.

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Claims

HANS-JOACHIM KANTNER

DIPLOM-INGENfEUR 6070 LANGEN, den 29-3.1977

DARMSTÄDTER STRASSE θ Ktl'./kl TELEPHON: (06I03) 2 30 29

PATENTANWALT D.PL.-.NC H-J. KANTNER ' TE LE C R AMM : K A N T N E R P ATE N TE

DAHMbTAlITtR STR ». (.0? LANGEN/HF SSFN LANGENHESSEN

Ansprüche

;'1. ■ Vorrichtung zur Eonstanthaltung des Verbrennungsdruckes einer Verbrennungskraftmaschine während eines Zyklus, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens ein Ventil (8) aufweist, dessen Ventilkopf mit sehr geringem Spiel in einer in die Brennkammer (7) mündenden Bohrung (11) für Hin- und Herbewegung geführt ist und mit einer elastischen Rückführeinrichtung (15) zur Aufbringung einer in den Druckkräften der Brennkammer (7) entgegengesetzter Richtung wirkenden Gegenkraft auf seine Axialführungseinrichtung in V/irkverbindung steht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (11), in der das Ventil (8) für Hin- und Herbewegung geführt ist, auf der der Brennkammer (7) gegenüberliegenden Seite in einen Speicher (12) mündet, dessen optimalesVolumen durch Berechnung bestimmt und der mit auf einen Druckwert komprimierter Luft gefüllt ist, der den maximalen Verbrennungsdruck begrenzend gewählt ist.

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BANKKONTO: DRESDNER BANK AC. FRANKFURT AM MAlK Ni R 4-WJ ϋ!9 POSTSCHECKKONTO NR. 2ΘΛΓ)60 FRANKFURT

ORIGINAL INSPECTED
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftdruck im Speicher (12) beispielsweise mit Hilfe eines herkömmlichen, mit einem Druckminderungsmcnometex- bzw. -ventil (18, 19, 2o) ausgerüsteten Luftkreislaufes (2", 13) konstant gehalten ist.
4-. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich.net, daß der Luftdruck im Speicher (12) mittels einer auf Funktionsparameter (21 bzw. 26 bzw. 33) cles Iiotors ansprechenden Einrichtung (18, 19, 2o bzw. 23, 27, 25, 23 bzw. 29, 31, 3o) regelbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich zur Speisung des Speichers (12) ein Zuspeisungskanal (13) über die Regeleinrichtung (18, 19, 2o bzw. 23, 27, 25, 28 bzw. 29, 31, 3o) ins Innere der Brennkammer (7) öffnet.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Brennkammer (7) mündende Bohrung (11) einstückig mit einem Ventilsitz (1o) ausgebildet ist, der durch das Ventil (8) verschlossen ist, um die Bohrung (11) hermetisch abzuschließen, wenn der Brennkammerdruck kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilstössel auf der Seite des Speichers (12) angeordnet ist, so daß er unter Abschluß von den heißen Gasen der Brennkammer (7) verbleibt.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Ventil (8) in Wirkverbindung mit einem Verstärker (15, 16) befindet, der einen mit seinem Stössel verbundenen, vorzugsweise einstückigen Kolben (15) aufweist, mittels dessen eine eine dosierte Ölmenge enthaltende Kammer (17) verschließbar ist, indem

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er sich mit geringem Bewegungsspiel in einer in diese Kammer (17) mündenden Bohrung (16) "befindet, wobei die gesamte Anordnung so getroffen ist, daß diese Verschlußwirkung stattfindet, wenn das Ventil (8) sich seiner Schließstellung nähert.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch, gekennzeichnet, daß sie an einem Dieselmotor angeordnet ist, dessen Brennstoffeinspritzung (14) in der Brennkammer (7) vorgesehen ist.

1o. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie an einem Vergasermotor oder einem Benzineinspritzmotor angeordnet ist, dessen Zündkerze (14) in der Brennkammer (7) vorgesehen ist.

Patentanwalt