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Ventilkühlung -für Verbrennungskraftmaschinen. Gegenstand der Erfindung
sind Verbre.nnungskraftmaschinen, und zwar insbesondere Anordnungen, die eine hohe
spezifische . Leistung, d. h. hohe Zahl und Stärke der Explosionen im Verhältnis
zu den Motorabmessungen, ermöglichen.
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Es hat sich durch die Erfahrung herausgestellt, daß Verbrennungskraftmaschinen
von gegebener Größe, also von einem bestimmten Hubvolumen, nicht über eine bestimmte
Leistung hinaus belastet werden dürfen, wenn man den Wärmezustand der Maschinen
dauernd beherrschen will. Dem mittleren Druck und der Drehzahl des Motors sind also
gewisse Grenzen gesetzt, deren Überschreitung eine rasche Zerstörung des Motors
zur Folge haben würde. Dieser Umstand erweist sich insbesondere in den Fällen als
sehr hinderlich, wo es darauf ankommt, das Motorgewicht nach Möglichkeit herabzusetzen,
wie dies insbesondere bei Motoren für Luftfahrzeuge angestrebt werden muß. Die mit
einem Motor von gegebenen Abmessungen erreichbare Höchstleistung hängt zu einem
wesentlichen Teil davon ab, inwieweit die Ventile des Motors den außerordentlichen
Wärmebeanspruchungen standhalten.
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Man hat versucht, diese beim Bau von Verbrennungskraftmaschinen mit
hoher spezifischer Leistung auftretenden Schwierigkeiten dadurch zu vermindern,
daß man an Stelle eines einzigen Ventils deren mehrere anordnete. Dieses Verfahren
ist aber schon deshalb in seiner - Wirksamkeit: sehr begrenzt, weil es: .''das Übel
nicht grundsätzlich zu he= seitigeiic` sucht:' Außerdem erhält man komplizierte
Maschinen mit einer großen Zahl dauernd bewegter, schwer zu wartender Teile.
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Ferner ist vorgeschlagen worden, Ventile dadurch zu kühlen, daß sie
als allseitig geschlossener, luftleerer, zum Teil mit Flüssigkeit gefüllter Hohlkörper
ausgebildet werden, wobei das die Flüssigkeit enthaltende Ende dem Verbrennungsraum
zugekehrt ist, während das andere, als Kondensator für die verdampfte Kühlflüssigkeit
dienende Ende in den freien Luftraum hineinragt.
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Eine solche Anordnung kann aber bei Motoren mit liegendem oder mit
dem Ventilteller nach oben gerichtetem Ventil keine Anwendung finden, weil nicht
mit Sicherreit die Flüssigkeit mit den zu kühlenden Teilen und der Dämpf mit den
Flächen, an denen die Kondensation stattfindet, in Berührung gebracht werden kann..
Für die Anordnung von Kondensationseinrichtungen steht am Ventil nicht genügend
Raum zur Verfügung;, auch erhöht ihr Gewicht die Beschleunigungskräfte im Steuerungsgetriebe
außerordentlich. Aus diesen Gründen ist diese seit -langer Zeit bekannte Kondensationskühlung
nicht einmal für Ventile der bisher gebauten Verbrennungskraftmaschinen angewandt
worden-, ' sie ermöglicht erst recht nicht den Bau von Verbrennungskraftmaschinen
von' besonders hoher spezifischer Leistung.
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Die bei stationären Maschinen vielfach angewandte Kühlung der Ventile
mit fließendem Wasser kommt für leichte, schnellaufende Motoren nicht in Betracht,
weil--die Anordnung .der: 'vielen. beweglichen Kühlwasserzü= und -ableitttngen "
den -Aufbau des MotöXs zu
gehr komplizieren würde und weil die erforderliche
dauernde Überwachung der Kühlmittelzufuhr zu jedem: einzelnen Ventil in vielen Fällen,
namentlich bei fast allen Fahrzeugmotoren, so gut wie ausgeschlossen ist. Die Flugzeugindustrie
hat sich deshalb bis jetzt meist auf die Verwendung von Viertaktmotoren mit Zylinderleistungen
bis etwa 40 PS. beschränken müssen. .
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Nach der Erfindung wird der besonders in der Luftschiffahrt dringend
benötigte Bau von Verbrennungskraftmaschiren mit hoher spezifischer Leistung dadurch
ermöglicht, daß die Auslaßventile zur Aufnahme, Verteilung und Ableitung der aus
den großen Gasmengen sich ergebenden Wärmemengen befähigt sind; indem sie mittels
einer den Ventilteller und zum Teil den Ventilschaft ausfüllenden Flüssigkeit und
mittels Berührung zwischen dem Ventiltellerrande und dem Ventilschaft einerseits
und feststehenden Kühlflächen anderseits infolge der Bewegungen innerhalb der Flüssigkeit
einen Wärmeaustausch erfahren. Dadurch, daß die Flüssigkeit dauernd in dem Ventil
verbleibt und durch die Be- j wegung des Ventils beim Arbeiten in wirbelnde Umlaufbewegung
versetzt wird, wird j die Wärme von den Wärme aufnehmenden Stellen, besonders der
Mitte 'des Ventiltellers, durch die Flüssigkeit selbst fortgenommen und durch sie
nach den gekühlten Ventiltellerrändern und an die innere Oberfläche, des hohlen
Ventilschaftes übertragen und von dort an gekühlte Flächen übergeführt, welche i
mit dem Ventilschaft und den Ventiltellerrändern in Berührung gebracht werden. Zwischen
dem Ventilteller und den die Wärme aufnehmenden gekühlten Leitflächen findet infolge
des Durchschüttelns der Flüssigkeit ein lebhafter Wärmeaustausch. durch die Flüssigkeit
statt, so daß die bei ungekühlten Ventilen vorhandenen großen Temperaturdifferenzen
und die - sich daraus ergebenden hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen
fast völlig vermieden werden und vielmehr eine möglichst gleichmäßige i Temperatur
des Ventilkörpers bewirkt wird.
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Die Erfindung ermöglicht unter Anwendung technisch einfacher Mittel
neben der Leistungserhöhung -der bekannten Viertaktmotoren die Schaffung ganz neuer
Motortypen, deren Erbauung bisher aus Mangel an einer geeigneten Ventilkühlung immer
gescheitert ist. Solche Bauarten sind leichte, schnellaufende Zweitaktmotoren mit
gesteuertem Auspuffventil, bei denen die Wärmebeanspruchung des Auspuffventils etwa
doppelt so groß ist als bei Viertaktmotoren.
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In -`den Figuren sind Ausführungsbeispiele für den Erfindungsgegenstand
dargestellt. Fig. .i zeigt den oberen Teil des Zylinders eines dem Erfindungsgegenstand
entsprechenden Viertaktmotors im Schnitt mit einem eingebauten Ventil.
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Fig. 2 zeigt den Schnitt durch den Zylinder eines gleichfalls dem
Ezfindungsgegenstand entsprechenden Zweitaktmotors mit gesteuertem Auspuffventil.
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Fig. 3 zeigt im Schnitt ein Ventil, bei welchem der Ventilkörper im
Innern mit Vorrichtungen zur zwangläufigen Führung der Flüssigkeit von den die Wärme
an die Flüssigkeit abgebenden zu den die Wärme aufnehmenden Stellen des .Ventilkörpers
und zurück versehen ist.
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Nach Fig. i besteht das stehend angeordnete Auslaßventil i aus dem
Ventilteller 2 und dem anschließenden hohlen Schaft 3. Der Hohlraum ist zum großen
Teil mit. einer Flüssigkeit ausgefüllt und durch eine Schraube q. am Ende des Ventilschaftes
dicht verschlossen. Bei der Bewegung des Ventiles wird die darin eingeschlossene
Flüssigkeit gegen die Innenseite des den heißen Gasen ausgesetzten Ventiltellers
2 geworfen, nimmt dort Wärme auf und trägt sie durch ihre Bewegung an die Ränder
des Ventiltellers und nach den im Kühlraum 5 des Motorzylinders 6 liegenden Flächen
der Ventilführung 7, von wo sie in das Kühlwasser . des Motors abgeleitet wird.
Auf der Innenseite des Ventiltellers angeordnete Rippen 8 odersonstige Vorsprünge
dienen zur Vergrößerung der Wärme abgebenden Oberfläche. Ähnliche Oberflachenvergrößerungen
können natürlich auch an den die Wärme aus der Flüssigkeit aufnehmenden Stellen
des Ventilschaftes angeordnet sein.
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Nach Fig. 2 bewegt sich das gleichfalls als geschlossener, zum Teil
mit Flüssigkeit gefüllter Hohlkörper ausgebildete Auspuffventil i mit dem Ventilschaft
3 in einer Führung 7, deren Außenseite vom Motorkühlwasser bespült wird. Der Kühlvorgang
ist der gleiche wie beim vorhergehenden Beispiel. Die Flüssigkeit nimmt bei ihrer
Bewegung Wärme von den den heißen Gasen ausgesetzten Teilen des Ventilkörpers, insbesondere
aus dem dem Arbeitsraum zugekehrten Teile des Ventiltellers 2 auf und gibt diese
Wärme an die durch die Berührung mit der gekühlten Führung 7 ebenfalls gekühlten
Wände des Schaftes 3 ab; von dort tritt die Wärme in die Wände der Führung und weiter
in das Kühlwasser.
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Nach Fig. 3 ist in das Ventil i ein röhrförrüiger Körper 12 konzentrisch
eingebaut. Das Rohr 12 wird von einer Spindel 13 getragene, welche an der den Ventilhohlraum
abschließenden Schraube q befestigt ist. Distanzstücke 14 bzw. 15 sichern das Rohr
12 gegen . seitliche Verschiebungen. Die. dem Ventilteller zuliegend,e Öffnung 16
des Rohres 12
ist eingeschnürt, die andere Öffnung 17 trichterförmig.
erweitert. Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung , ist folgende: Infolge der viel
stärkeren Kontraktionswirkung der eingeschnürten Rohrmündung 16 gegenüber der sich
erweiternden. Mündung 18 des Ringraumes 2o wird die im Hohlraum des Ventiltellers
angesammelte erwärmte Flüssigkeit bei ihrer Aufwärtsbewegung größtenteils in dem
Ringraum 2o emporsteigen und dabei ihre Wärme an die Wandung des Ventilschaftes
3 abgeben. Der Rückfluß der Flüssigkeit dagegen erfolgt größtenteils .durch das
Rohr 12, da dessen obere Mündung 17 infolge ihrer -Trichterform beim Eintritt der
Flüssigkeit geringere Kontraktionswirkung ergibt als die eingeschnürte obere Mündung
ig des Ringraumes 2o. Mit Hilfe dieser Anordnung wird somit ein Kreislauf der .
im Ventil eingeschlossenen Kühlflüssigkeit und eine zwangläufige Führung derselben
von den die Wärme an die Flüssigkeit abgebenden Stellen (Ventilteller) zu den die
Wärme aufnehmenden Stellen (Ventilschaft) des Ventils bewirkt.
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In gleicher Weise wie die Auspuffventile können auch die Ansauge-
bzw. Spülventile mit einer Kühleinrichtung gemäß vorliegender Erfindung versehen
sein.