DE3150919A1

DE3150919A1 - Ansaugventil

Info

Publication number: DE3150919A1
Application number: DE19813150919
Authority: DE
Inventors: Alfred J. 94901 San Rafael Calif. Jessel
Original assignee: Chevron Research and Technology Co; Chevron Research Co
Current assignee: Chevron USA Inc
Priority date: 1980-12-30
Filing date: 1981-12-18
Publication date: 1982-10-07
Also published as: CA1174173A; DE3150919C2; SE8107792L; GB2090332A; IT8125856A0; FR2497269B1; FR2497269A1; GB2090332B; JPH0327807U; IT1140186B; JPS57135208A

Description

Hamburg, 14. Dezember 1981 251081

Priorität; 30.12.1980, U.S.A., Pat.Anm.Nr. 221,488

Anmelder;

Chevron Research Company

525 Market Street

San Francisco, CaI. 94105

U.S.A.

Ansaugventil

Die Erfindung bezieht sich auf ein Treibstoff-Ansaugventil für sine Verbrsnnungskraftmaschine.

Verbrennungskraftmaschinen und die darin zu verbrennenden Treibstoffe haben in den letzten Jahren einen beträchtlichen Uandel erfahren. Die zur Zeit in Kraftfahrzeugen veruendeten Verbrennungskraftmaschinen haben merklich verringerte Ausmaße, um das Gewicht des Motors zu verringern, und die Motoren sind so konstruiert, daß sie pro Gewichtseinheit höhere Leistungen als die früheren Motoren er-

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reichen. Gleichzeitig sind dia Rezepturen für Treibstoffe zum Betrieb solcher Motoren umgestallt uorden, um die Verbrennung innerhalb des Motors zu verbessern und die Emissionen zu verringern, die sonst zu unerwünschten Luftverschmutzungen beitragen könnten. Das Zusammenwirken der an den Motoren und am Treibstoff vorgenommenen Änderungen haben auch die Bedingungen für das Zustandekommen der Motorleistung geändert. Während es in früheren Jahren z. B. möglich war, eine erhöhte Leistung mit einer bestimmten Konstruktion dadurch zu erzielen, daß das Kompressionsverhältnis erhöht und ein Treibstoff mit höherer Oktanzahl benutzt wurden, ist es jetzt wirtschaftlich schwierig, aus den verfügbaren Rohölen Treibstoffe mit der erforderlichen hohen Oktanzahl zu erzeugen, und die Verwendung von die Oktanzahl erhöhenden Additiven ist erheblich eingeschränkt worden. Dies hat zu Bemühungen geführt, auf anderen Wegen eine Steigerung der Motorleistung mit verfügbaren Treibstoffen zu erreichen.

Es ist bekannt, daß die Leistung einer Verbrennungskraftmaschine erhöht werden kann, indem die Temperatur der zugeführten Treibstoffmenge verringert wird. Hierzu wird auf die Veröffentlichung des National Advisory Committee for Aeronautics verwiesen, Technical Note No. 839, "Rise in Temperature of the Charge in its Passage through the Inlet Valve and Port of an Air-Cooled Aircraft Engine Cylinder", verfaßt von O. E. Forbes und E.S. Taylor, 1942. Die Erfindung betrifft deshalb ein Verfahren und eine Einrichtung zur Behandlung der Treibstoffmenge einer Verbrennungskraftmaschine vor dem Eintritt der Treibstoffmenge in die Verbrennungskammer bzw. den Zylinder, unter Verwendung eines neuartigen Ansaugventiles.

Bekannte Motoren sind zum Zweck der Kühlung der in den Motor einzuführenden Treibatoffmenge. mit einem besonders

konstruiarten Ansaugverteiler und V/antilsitz für das Ansaugvantil ausgestattet. Mit einem solchen Verteiler uird bezweckt, für einen wirksamen Treibstoffueg von der Treibstoffquelle nach der Verbrennungszone und für eine VentilschlieGung zu sorgen, die eine vollständige Abdichtung der Verbrennungszone vor der Kompression des Treibstoffgemisches in der Verbrennungskammer sorgt. Diese besonderen Konstruktionen der Ansaugverteiler und Ventilsitze haben eine Ventilsitzkühlung ermöglicht, die eine Verwerfung des Ventilsitzes und die daraus folgende unvollständige Abdichtung und einen entsprechenden Kompressionsverlust in der Verbrennungskammer vermeidet.

Eine gewisse Aufmerksamkeit ist auch auf die Ausführung des Ansaugventiles gerichtet worden, um für Wärmezerstreuung zu sorgen. Diese Aufmerksamkeit betraf aber die Entfernung der Wärme, um Schaden an dem Ventil zu vermeiden und die richtige Funktion des Ventilsitzes zu gewährleisten, und demnach nicht die Steuerung der Temperatur der einzuführenden Kraftstoffmenge. In den meisten Fällen betrifft die Ventilkühlung auch nicht Ansaugventile, sondern Auspuffventile, siehe die US-PS 3 892 210, 4 OGO 730 und 4 182 282.

■Abgasventile sind mit hohlem Schaft und Kopf ausgeführt worden, um eine innere Kammer zu bilden, die ein Kühlmittel aufnimmt, siehe die US-PS 3 871 339 und 4 164 957.

Bei allen diesen bekannten Konstruktionen besteht der Zweck darin, das Ventil selbst zu kühlen, um Schaden am Ventil zu vermeiden.

Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines Ansaugventiles für eine Brennkraftmaschine und eines Verfahrens, um in

einer Brennkraftmaschine dia jauailigan Traibstoffmengan bsi niedrigerer Temperatur zuzuführen, so daß dia von der Maschine erzeugte Leistung ohne Abänderung der Konstruktion dar Verbrennungskammer oder des dam Motor zuzuführenden Treibstoffes vergrößert oder aber die Leistung der Maschine mit Verwendung eines Treibstoffes geringerer Oktanzahl aufrechterhalten werden kann.

Es ist bekannt, daß Selbstzündung der Treibstoffmenge in einer Brennkraftmaschine zu einer Verringerung des Motorwirkungsgrades führt. Bei mit Zündkerzenzündung arbeitenden Brennkraftmaschinen ist die Selbstzündung die äußerst schnelle Verbrennung des letzten Teiles der in dar Verbrennungskammer zu verbrennenden Treibstoffmenge. Wann Selbstzündung auftritt, führt das zu einem schnellen Anstieg des Verbrennungskammerdruckes über dan dar normalen Verbrennung hinaus und verursacht hochfrequente Druckschwankungen und einen hörbaren Ton, dar als Klopfen bezeichnet wird. Beim Klopfen werden große Uärmamangen auf ,Motorteile.übertragen, wodurch sich ein Leistungsverlust ergibt. Bei häufigem Klopfen kann auch der Motor Schaden erleiden.

In dem eingangs arwähnten technischen Aufsatz wird festgestellt, daß eine Verringerung in der durchschnittlichen Ventil- und Sitz-Temperatur von 45⁰F (etwa 25⁰C) zu einer Verringerung der Temperatur der Treibstoffmenge im Testmotor von 5⁰F (etwa 2,8⁰C) geführt hat und dies eina Erhöhung das mittleren wirksamen Druckes für die zugeführte Treibstoffmange bewirkte, während die Neigung zum Klopfen konstant blieb. Daraus wurda geschlossen, daß eine Verringerung in der Temperatur am Einlaßventil und Sitz von 1O⁰F (etwa 5,5⁰C) eine Erhöhung von etwa 0,7 % der Leistung möglich ist, ohne die Neigung zum Klopfen zu erhöhen.

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Nach dar Erfindung uird die aruähnte Aufgabe, d. h. die Verringerung der Temperatur der Treibstoffmenge durch ein Ventil mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Der Zueck, eine Verringerung der auf die Treibstoffmenge übertragenen Uärme, uird erreicht, indem die Treibstoffmenge durch ein Ansaugsystem geführt uird, das mit einem Ventil mit uärmezerstreuenden Elementen ausgestattet ist.

Die Erfindung betrifft dabei auch ein Verfahren, die Neigung zur Selbstzündung in einer Brennkraftmaschine dadurch zu verringern, indem Uärme von Elementen abgezogen uird_ft die im Ueg der Zuführung der Treibstoffmenge in die.Verbrennungszone des Rotors liegen.

Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus den Ansprüchen souie aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in denen die Erfindung beispielsueise erläutert und dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teil eines Schnittes durch einen Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine mit dem Treibstoff-Ansaugkanal und einem Ansaugventil in dem Kanal,

Fig. 2 einen Teil eines vergrößerten Schnittes durch das Ventil nach der Erfindung und

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie A-A der Fig. 2.

Die Teildarstellung eines Schnittes durch den Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine, Fig. 1, zeigt einen Kolben 10, der in üblicher Weise in einem Zylinder 11 angeordnet ist und die Kompression in einer Verbrennungskammer beuirkt, die von dem Block 12 und dem Kopf 13 gebildet uird, zuischen denen eine übliche Dichtung 14 angeordnet ist, die Block und Kopf trennt. Zur Verbrennungskammer gehört der Teil 15 innerhalb.des Kopfes, uo die

Verbrennung tatsächlich stattfindet.

Ein Treibstoff-Ansaugsystem 16 ist durch einen üblichen Ansaugverteiler und Vergaser an einen Treibstoffvorrat angeschlossen, wobei aber Verteiler und Vergaser hier nicht dargestellt sind. Ein Ansaugventil 17, das einen Schaftabschnitt 18 und einen Kopfabschnitt 19 hat, arbeitet in dem Zylinderkopf innerhalb der Verbrennungskammer 15 und schließt an einem Ventilsitz 21, der innerhalb des Kopfes 13 befestigt ist. Der Schaftabschnitt arbeitet in einer Ventilführung 22, die durch den Kopf zwischen dem Treibstoffansaugsystem und einem Bereich sich erstreckt, indem sich die Ventilbetätigungsmittel befinden, die üblicherweise mit einer nicht dargestellten Haube überdeckt ,sind.

Das Ende de3 Ventilschaftes 18 im Bereich 23 ist in Berührung mit einer Ventilbetätigungsvorrichtung 24, die bei üblichen Verbrennungskraftmaschinen während des Betriebes durch eine Nockenvorrichtung synchron mit der Arbeit des Kolbens 10 innerhalb der Verbrennungskammer 15 hin- und herbewegt wird. Die Vorrichtung 24 drückt gegen das Ende des Ventilschaftes, um das Ventil in der Verbrennungskammer und mit Bezug auf den Ventilsitz 21 auf- und niederzubewegen.

Das Ventil ist auf eine Schließstellung, bei der der Ventilkopf 19 in Berührung mit dem Ventilsitz 21 ist, durch die Spannung einer Ventilfeder 25 vorgespannt, die an ihrem einen Ende gegen die Außenfläche des Kopfes 13 und mit ihrem anderen Ende gegen einen Federbund 26 drückt, der seinerseits durch eine Haltescheibe 27, die in das Ende des Schaftes 18 des Ventiles eingreift, an seiner Stelle gehalten wird.

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Das hier dargestellte Ventil hat zusätzlich eine Wärmeaustauschvorrichtung 28, die am Ende des Ventilschaftes im Bereich der Ventilbetätigungsmittel angeordnet ist und deren Wirkungsweise nachfolgend beschrieben uird.

Fig. 2 ist eine vergrößerte und teilueise als Schnitt gezeigte Darstellung des erfindungsgemäßen, in diesem Fall aus der Brennkraftmaschine herausgenommenen Ventils. Da-· bei sind ein Teil der Feder, des Bundes und der Haltevorrichtung punktiert gezeichnet, damit das eigentliche Ventil deutlicher hervortritt, Das Ventil ueist eine Innenkammer 31 auf, die von der Kappe 32 und dem übrigen Kopf 19 begrenzt uird. Der Schaft 18 enthält einen inneren hohlen Kanal 33, der mit der Innenkammer 31 im Ventilkopf verbunden ist und sich über die gesamte Länge des Schaftes mit Ausnahme eines kleinen Abschnittes am oberen Ende erstreckt, an dem die Ventilbetätigungsvorrichtung den Schaft berührt. Die Uandfläche der inneren Kammer und des inneren Kanals 33 ist mit einem dochtartigen Material 34 bedeckt, und die Kammer und der. Kanal sind hermetisch abgedichtet, so daß ein Kühlmaterial 35 darin eingeschlossen uird.

Das Ende des Ventils am zum Kopfende entgegengesetzten Schaftende ist mit einem äußeren Wärmeaustauscher 36 versehen, der mit mehreren ringförmigen Rippen 37 ausgebildet ist, die mit Abständen axial entlang dem Wärmeaustauscher liegen. Der Wärmeaustauscher kann dauerhaft am Schaft des Ventils, z. B. durch Preßsitz, befestigt sein. Statt dessen kann der Wärmeaustauscher am Schaft des Ventils durch Sprengringe 38 und 39 befestigt uerden, die am Boden und oberen Ende des Austauschers, bezogen auf Fig. 2, sitzen. Die Sprengringe greifen in Schlitze ein, die in den Schaft des Ventils eingeschnitten sind,

so daß der Wärmeaustauscher auf das Ventil aufgesetzt werden kann, nachdem es im Kopf der Verbrennungskraftmaschine eingebaut worden ist.

Das nach der Erfindung vorgesehene Ventil bildet ein Mittel,. um die Wärmeübertragung' auf die Treibstoff menge zu verhindern, die durch den Ansaugverteiler in die Verbrennungskammer 15 des Motors überführt wird. Das Kühlmaterial 35 in der inneren Kammer 31 und dem inneren Kanal 33 ist gewöhnlich eine Flüssigkeit und in diesem Zustand in Kontakt mit dem Kopf des Ventils in Kammer 31. Das Kühlmittel wird durch die Ventilkappe 32 geheizt, die ihrerseits durch den Verbrennungsvorgang innerhalb der Verbrennungskammer 15 geheizt wird. Das Kühlmittel hat einen niedrigen Dampfdruck und ist zunächst bei Umgebungstemperatur flüssig. Nachdem es jedoch durch die in der Verbrennungskammer erzeugte Wärme aufgeheizt worden ist, steigt der Dampfdruck und ein Teil des Kühlmittels wird verdampft und bildet eine Dampf-Phase 41 in dem oberen Bereich des Schaftes 18. Der äußere Wärmeaustauscher wird durch das Schmiermittel innerhalb des die Ventilbetätigungsmittel enthaltenen Bereiches gekühlt, insbesondere durch die durch diesen Bereich hindurchgehenden Schmieröle. Der Wärmeaustauscher zieht die Wärme vom Ventilschaft und aus dem verdampften Kühlmaterial ab und bringt das Material zur Kondensation auf dem Dochtmaterial 34. In kondensierter Form wandert das Kühlmaterial im Dochtmaterial vom oberen Ende des Schaftes nach dem Kopfende des Ventils und wird durch die Kappe erneut bis zur Verdampfung aufgeheizt, wobei sich dieser Zyklus wiederholt. Wenn das Kühlmittel an dem Dochtmaterial entlang fließt, wird der Halsabschnitt 42 des Ventils gekühlt oder auf der Temperatur des kondensierten Kühlmittels gehalten. In dem hier angewendeten Sinne ist "gekühlt" ein relativer Begriff, der bedeutet, daß die

Oberfläche des Halsabschnittes kühler als die Oberfläche des Kappenabschnittes des Ventils ist, verursacht durch die Verdampfungs- und Kondenaationsvorgänge.

Die innere Kammer 31, der innere Kanal 33 und das Dochtmaterial 34 uirken als Uärmeabfluß innerhalb des Ventils. Solange sowohl eine flüssige als auch eine Dampf-Phase des Kühlmittels vorhanden ist, sind s.ie beide auf der-' selben Temperatur, uährend die Kappe 32 des Ventils und der Halsabschnitt 42 aufgrund der Arbeitsweise des Uärmeabflusses auf verschiedenen Temperaturen sind.

Die Ansaugkraftstoffmenge, die durch den Ansaugkanal 16 hindurch in die Verbrennungskammer 15 eingeführt wird, passiert den Halsabschnitt 42 des Ventils und wird gekühlt oder gehindert, zusätzliche Wärme aufzunehmen, bevor sie in die Verbrennungskammer eintritt. Wie in der Einleitung erwähnt, ermöglicht ein Verfahren zur Verringerung der Temperatur der Kraftstoffmenge eine Erhöhung im mittleren wirksamen Druck für die eingeführte Kraftstoffmenge, während die Neigung zur Selbstzündung konstant gehalten wird. In dieser Hinsicht ermöglicht die Verringerung in der Temperatur der einzuführenden Kraftstoffmenge eine merkliche Erhöhung in der Leistung, die durch den Zündungsvorgang in der Verbrennungskammer erzeugt wird, ohne daß die Neigung zur Selbstzündung erhöht wird. Falls es also möglich ist, eine Erhöhung in der Temperatur der einzuführenden Treibstoffmenge zu verhindern, ist es auch möglich, bei einer mit Zündkerzenzündung arbeitenden Verbrennungskraftmaschine dieselbe Leistung mit einem Kraftstoff zu erzielen, der eine niedrigere Oktanzahl aufweist, wobei trotzdem die bislang zu erwartende Neigung zur Selbstzündung vermieden wird. Die.Selbstzündung ist als ein Vorgang bekannt, durch den die wirksame Leistung des Verbrennungsvorganges verringert; und der Wirkungsgrad des

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Flotors vermindert uird.

Das Ventil ermöglicht, die Wärmeübertragung auf die angesaugte Kraftstoffmenge am Ansaugventil der Verbrennungskraftmaschine zu vermeiden. Damit uird die uirksame Leistung gesteigert, während die Neigung zur Selbstzündung vermindert uird. Diese Verminderung in der Neigung zur Selbstzündung uird erreicht, ohne daß der Treibstoff geändert oder das Kompressionsverhältnis für die betreffende Verbrennungskammer verringert zu uerden braucht. Alle diese Verbssserungen ermöglichen eine merkliche Erhöhung im Wirkungsgrad, den ein Motor mit Bezug auf einen Kraftstoff hat, und daher eine Verringerung im Kraftstoffverbrauch.

Es ist vorgesehen,.daß das Ventil mit dem Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine in der Weise zusammengebaut uird, daß das Ventil von der Seite der Verbrennungskammer her eingesetzt und der äußere Wärmeaustauscher auf den Ventilschaft im Bereich der das Ventil betätigenden Vorrichtung aufgesetzt uird, nachdem der Schaft in die Ventilschaftführung 22 eingesetzt uorden ist. Der Federbund und die Haltescheibe können danach aufgesetzt uerden, um das Ventil gegen den Ventilsatz gespannt zu halten.

Das Ventil 11 uird vorzugsueise in Teilen aus einem hohlen Schaftmaterial und einem hohlen Kopf hergestellt. Das Dochtmaterial uird eingesetzt, bevor die Teile dauerhaft zusammengefügt uerden. Das Dochtmaterial kann ein Drahtgeflecht oder'ein anderes, geusbtes Material sein, das mit dem Kühlmittel verträglich ist und die Temperaturen aushält, die in dem Motor auftreten. Die Teile des Ventils können durch irgendein Schueißverfahren, einschl. dem Trägheits-Reibungsschueißen, aneinander gefügt uerden.

Ansprüche

L θ e r s e i t e

Claims

Anspruchs

( 1.]Ansaugventil einer Verbrennungskraftmaschine mit einem —^ länglichen Ventilschaft, der an seinem einen Ende einen Kopf mit einem Kappenteil und einem Halsteil zwischen Kappe und Schaft aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Schaftes (18) ein innerer Kanal (33) und innerhalb des Kopfes (19) eine innere Kammer (31) aus-• gebildet ist und Kanal und Kammer miteinander verbunden sind und ein Kühlmittel (35) enthalten und das ein Wärmeaustauscher (28) an dem von der Kappe abgekehrten Ende des Schaftes befestigt ist.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Uandung des inneren Kanals (33) und der inneren Kammer (31) mit einem Dochtmaterial (34) versehen ist.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß da3 Kühlmittel bei Umgebungstemperatur im wesentlichen in der flüssigen Phase und bei der Betriebstemperatur der Kappe (32) des.Kopfes (19) verdampfbar ist, wobei es bei der Betriebstemperatur des inneren Kanals (33) des Schaftes (18) im Bereich des Wärmeaustauschers (28) zu Flüssigkeit kondensierbar ist.
4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das verdampfte Kühlmittel (41) im inneren Kanal (33) des Schaftes (18) vom Kopf (19) nach dem am Wärmeaustauscher (28) liegenden Ende und das kondensierte Kühlmittel an dem Dochtmaterial (34) entlang von dem am Wärmeaustauscher liegenden Ende nach der inneren Kammer (31) des Kopfes (19) geht.

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5. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher aus einer Mehrzahl von radial sich erstreckenden Ringrippen(37) besteht.
6. Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (32) der Wärmeeinwirkung der Verbrennungskammer (15) und der Halsabschnitt (-42) des Kopfes (19) durch das das Dochmaterial (34).passierende Kühlmittel (35) gekühlt ist.
7. Verfahren zur.Verringerung der Selbstzündungsneigung in einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansaug-Kraftstoffmenge der Verbrennungskammer der Maschine über ein gekühltes Ansaugventil zugeführt wird, das die Temperatur der Ansaug-Kraftstoffmenge aufrechterhält.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansaugventil durch Verdampfung und Kondensierung eines im Ventil enthaltenen Kühlmittels gekühlt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekannzeichnet, daß das Kühlmittel durch Kontakt mit dem Teil des Ventils verdampft uird, der durch den inneren Verbrennungsprozeß erwärmt uird und durch Kontakt mit dem Abschnitt des Ventils kondensiert uird, der durch Schmiermittel der Maschine gekühlt uird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das kondensierte Kühlmittel innerhalb des Ventils an einem Teil entlang geführt uird, der in Kontakt mit der Ansaug-Treibstoffmenge tritt.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel eine bei Umgebungstemperatur

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flüssige- Phase aufweist, die teilweise verdampft bei der Temperatur des Ventilteiles, der durch den inneren V/erbrannungsuorgang eruärmt wird, und daß die Dampfphase zu einer Flüssigkeit bei der Temperatur des Schmiermaterials der Verbrennungskraftmaschine kondensiert wird.