DE3301007A1

DE3301007A1 - Gaswechselsteuerung fuer brennkraftmaschinen mit nach aussen oeffnenden kolbenventilen zur erlangung eines optimalen brennraumes

Info

Publication number: DE3301007A1
Application number: DE19833301007
Authority: DE
Inventors: Johannes 7100 Heilbronn Reitz
Original assignee: IRM ANTRIEBSTECH GmbH
Current assignee: IRM ANTRIEBSTECH GmbH
Priority date: 1983-01-14
Filing date: 1983-01-14
Publication date: 1984-07-26
Also published as: EP0114184A2; EP0114184A3

Description

Patentanmeldung

Gaswechselsteuerung für Brennkraftmaschinen mit nach außen öffnenden Kolbenventilen zur Erlangung eines optimalen Brennraumes

Prοv.Nr: 8243

Die Gaswechselsteuerung geschieht heute bei /+-Takt- > Motoren wohl ausschließlich über pilzförmige Ventile, die sich beim Öffnen in den Brennraum hineinbewegen. Diese Ventile haben den eindeutigen Vorteil, daß sio sich durch den Druck im Zylinder fest auf den Sitz legen und da'durch

a) eine im üblichen Sinne absolute Dichtheit und -sofern das Ventilspiel vorhanden ist-

b) eine volle Entlastung des Ventiltriebes garantieren.

Die Temperatur des Auslaßventiles ist sehr hoch, 7OC bis 800° C. Grund: der Ventilteller öffnet gegen den Druck im Zylinder und taucht gewissermaßen in den heißen Abgasstrom. Dies verlangt einen hochwertigen Werkstoff, eventuell eine Panzerung und vieles mehr.

Trotzdem gibt es keine funktionellen Probleme beim herkömmlichen Ventiltrieb.

Jedoch die Absicht, die Verdichtung vornehmlich beim Otto-Motor immer mehr zu steigern, zeigt verschiedene Grenzen auf. Hier sind Überschneidung, Ventiltaschentiefe, Ventiltemperatur, Massen, Ventilbruchmöglichkeit Lage der Zündkerze und schließlich daraus resultierend ⁽

Oktanzählbedarf zu nennen. Alle genannten Faktoren sind irgendwie voneinander abhängig.

Die Überschneidung der Ventile ist abhängig von der Motordrehzahl. Sie bestimmt, hauptsächlich die Ventiltaschentiefe im Kolben. Die Ventiltaschen wiederum

- 2 BAD CRiGiNAL ^CCF

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beeinträchtigen '"Quetschflächen ' und Brennraum. In jedem Falle'bestimmt'die Überschneidung eine'Freiraumgröße, die irgendwie den Brennraum negativ'beeinflußt. Die hohe' Temperatur "des ' Aüslaßventiles ""bestimmt" mit die Lage'des Brenriraümes'wie'die Position der Zündkerze. Die heiße Umgebung des Auslaßventils he+ großen Einfluß 'auf "den 'volumetrische^ Liefergrau und-bestimmt wesentiich"d'en'Zündzeitpunkt" mit.' '·^r-

Neuerdings hat sich gezeigt, d'aß in Verbindung mit sog. Drallkanälen zwecks'besserer^:Aufbereitung des Gemisches und Einspritzung die" Ventilteller ir. Brennraum eine gez'ielte Strömung''schwierig gestalten und daß es wünschenswert wäre,"sich über eine im Strömungswiderstand verbesserte G'a'swechselsteurung Gedanken zu machen. ' '"

Ss gab "in der' -ersten" KaTf te unseres- Jahrhunderts eine Menge Schiebersteuer.ungen," vornehmlich in Flugzeugmotoren, die den Ventiltrieb ersetzen sollten. Mehr oder w'en'ig'e'r scheiterten' die Konstruktionen an dem Abdichtungsproblem. "Alle Drehschieber hatten mindestens eine sich bewegende Zone im Bereich der Feuergase, wobei hohe Temperatur un'd Trockenlauf den Ausschlag gaben. Nach heutiger Anschauung lassen die bekannten Schiebersteuerungen keinen wünschenswerten Brennraum zu.

Seite -';- der Beschreibung zu Anmeldung 824.3

Aufgabenstellung

So stellte sich die Aufgabe, bei gegebenen Kraftstoffen die Verdichtung so hoch wie möglich zu treiben und Wege zur Verwirklichung auszuarbeiten . Das oft angegebene hohe Verdichtungsverhältnis eines Motors sagt aber nichts über die Kompressionsenddrücke und Zünddriicke aus, wenn nicht auch der Liefergrad bekannt ist. Hier geht es um hohe Verdichtung und hohe Zünddrücke bei bestmöglichem Liefergrad und bei klopffreiem Betrieb. · Vom Stand der Technik ausgehend, sollten -ohne Priori- ' tat- alle positiven und negativen Einflußgrößen und Erkenntnisse aus üblicher Ventil- und alter'Schiebersteuerung berücksichtigt werden.

Lösung der Aufgabe

Un einen optimalen Brennraum zu schaffen, sollen zunächst die Freiraumgrößen für die Überschneidung der Ventile verschwinden (Ventiltaschen). Dies bedeutet eine Überschneidung gleich "null" aber hier sind auch Sicherheitsabstände zum Auslaßventil erforderlich. Es bedarf also einer generell anderen Öffnungsrichtung. Nur durch Wegfall von Ventiltaschen im Kolben und/oder anderer Räume kann eine gleichmäßige Quetschströmung mit einem gewissen Drall in den Brennraum (Brennrr.ulde). strömen. Um den Liefergrad nicht durch Drallkanäle zu verschlechtern, liegt es nahe, den Brennraum im -Zylindc kopf plan oder kugelförmig zu gestalten und den Kolbonboden mit flachen Drallkanälen im Bereich der Quetrschfläche zu versehen, die in die Brennmulde einmünden, um so hier einen turbulenten Wirbol zu erzeugen, dami^f· möglichst Wärme aus dem" Kolbenboden entzogen wov-ion kai und eine rasche Durchzündung und Verbrennung orfo

* * im

Geite -ßf- "der Beschreibung zu Anmeldung 824-3

ίο

Die Ventirdurchbruche sind "nur- bei -planen und kugelförmigen Formeln' echte Kreise und nur hier ist eine völlige Angl'eichuhg' der Ventile an die Brennraumform möglich. Die Zündkerze, ist weitgehendst zentral anzuordnen'.' Die Bewegungsrichtung der Ventile muß durch Mitte Kugel·"gehen./" Es- bleiben ^:auf Grund ^er Überlegungen nur nach außen öffnende Ventile übrig. Damit taucht

a) das Problem'der^: Dichtheit unter höchstem Innendruck aür'f -und

b) 'das Problem der"-Abkopplung der" Gaskräfte auf den Ventiltrieb'.

Hier bietet sich (Siehe 'Fig. 1 und Fig. 2) der bekannte Kniehebel (1) an. In gestreckter Lage (rechts ir. Fig.1 und Fig. 2) wird die Kraft im System aufgenommen und nicht, vom Ventiltrieb (2). Es besteht ein Spiel zwischen Kipphebel (4-) und dem Nockengrundkreis (2a). Dasselbe gilt im Beispiel Fig.1 und Fig. 2 für Of fnur.gs-( 5) und Schließnocken(3)· Der Kniehebel (1) ist einen geringen Betrag über Maximum gespannt gegen den Anschlag (17). Somit i^ird das System stabil. Längenänderung durch Dehnung und Verschleiß werden von federnder. Zlement.en (6) aufgenommen. Sie bestimmen letstlich den maximalen Druck im Zylinder (7). Im Kolbenventil (19)ur.i(20) ist demzufolge eine entsprechende Vorspar.nkraf~ - die von der Schaftwand (11) aufgenommen wird. Bei gestrecktem I-Iniehebel, also geschlossenem Ventil, wirkt entsprechend der Federkennlinie diese Kraft als Druck auf den Ventilsitz (22). Im Inneren stützt ein Aluminiur:-31echring (S^N das Federelement (c) gegen die Ventilplatta (ΛΖ) ab. 7-~r untere Kniehebel "(1) besitzt nine rlucel (1?), die ir.· der Pfanne (15) sitzt. Sie besitzt ein Gewi: das nie richtige Vorspannung eingestellt ^τ,·:ο: Dan fi-inse System steht unter Schrr.ier":;liruck

BAD ORlGiNAL

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Beispiel Fig. 1 und Fig. 2 zeigt die mögliche Variante mit desraodromischer, also Zwangssteuerung, ohne Federn. Verschiedene Entwürfe haben ergeben, daß zunächst diese Steuerungsart als die günstigste erscheint. Die Montage ist einfach. Das Kniehebelsystem wird vorher komplett mit Kolbenventil montiert und dann eingesetzt. Nach dem Befestigen im Kopf wird die Einstellung vorgenommen.:

* Der Kniehebel (1) wird bis zum Anschlag, aus dem die Anschlagschraube (17) entfernt wurde, durchgedrückt. {

* In Öffnung (118) wird eine Kraftmeßuhr einge-

schraubt. j ·

* Der Kniehebel wird zurück über seine gestreckte Lage gedrückt und die hierbei auftretende maximale Kraft gemessen. Sie ist festgelegt und berechenbar Stimmt sie nicht, so ist von oben mittels Schraubenzieher, bei losem Aufsetzen des Kolbenventils auf seinen Sitz, die Kugelpfanne (15) entsprechend

. hinein- oder herauszudrehen.

Unter dem Tellerfederpaket (6) Beispiel Fig.1 liegt ein Federstahlblech mit mehreren hochgestellten Armen (21), die ein genaues Einstellen ermöglichen und die Lage der Kugelpfanne (15) fixieren. Stimmt die Knickkraft, wird die Anschlagschraube (17) fest eingeschraubt und im Beispiel die Bohrung (18) verschlossen. Anschließend wird die Nockenwelle montiert und die Spiele Grundkreis/ Schlepphebel in bekannter Weise eingestellt.

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Funktionsbeschreibung:

Fig. 1 stellt einen Querschnitt im vollen Saughub, Fig. 2 einen Längsschnitt des geschlossenen Auslaßventils dar

Das Einlaßventil (19) ist voll geöffnet. Der Öffnungsnocken (5). läuftauf ,die-Schließflanke über, im selben • Moment, lauft'.· der . b-cöiießnocken.. (3) auf seinen Kipphebel (4·) '"· ;Seine ;r±anice -,Desx-immt die Bewegung des Kipphebels und·damit des.Kniehebels (1). Die ablaufende Flanke des . Öf-f nungsno;ckens .-(-5) - hat jetzt Spiel. Kurz bevor der-· Kniehebel, in die Strecklage geht, setzt das •Ventil ( 1 9) ..oder ....(20.)/auf · Der Nocken (3) drückt den Kniehebel ·()) ca. i über die Strecklage und spannt dabei das Ventil um einen bestimmten 5et,rag vor. liun herrscht ein stabiler Zustand und ein Druck auf dem Ventilsits, der entsprechend dem Sitzkegel (im Beispiel 60°) eine gewünschte Größenordnung hau. Die rCraft ist höher als der Zünddruck. Der Schließnocken (5) läuft jetzt mit Spiel z-wischen Flanke und Kipphebel ab.

Beim Öffnen läuft der Öffnungsnocken (5). "it, seiner Flanke auf den Kipphebel (4-) auf. Er bestimmt jetzt die Bewegung des Kniehebels. Die Kinematik is*- so, daß das Öffnen sich mit höherer Geschwindigkeit vollzieht als das Schließen. Der Druck der Abgase unterstützt das Öffnen des Auslaßventils und die hohe Temperatur der Abgase hat weniger Möglichkeit das Auslaßkolbenver.til (20) aufzuheizen. Dies kommt dem '.vur.sch, eine effektiv höhere Verdichtung fahren au können, entjeger.. Die. Bewegung des Sinlaisventilkolbens (".9) untersvüts-c der. Ansaugprozeß beim öffnen wie beim Schließen.

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Seite -^- der Beschreibung zu Anmeldung 8243

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch eine mögliche Kolberibodenform in OT und die Draufsicht dazu mit den an die Brennraumform angepaßten Kolbenventilen (35) und (36).

Im Zylinder und Brennraum (31) ist der Kolben(37) am
Verdichtungshubende im OT angelangt.

Beim Verdichten kann das komprimierte Gemisch aus den enger werdenden Quetschspalten der Quetschzonen in die in Strö'mung-srichtung weiter werdenden Kanalquerschnitte (32) strömen. Das Gemisch wird in den Kanälen (33), die auch eine gekrümmte Form haben können, in .tangentialer Richtung in die Brennmulde (34·) geleitet und gezündet.

Kanaltiefen, Anzahl und Verlauf sowie die günstigste
Form der Brennmulde muß der Versuch ergeben.

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Seite -X- der Beschreibung zu Anmeldung 824.3

AO

Aussichten

Eine der Patentanmeldung entsprechende Konstruktion läßt neben der nahezu idealen Brennraumgestaitung eine billige Motorenbauweise zu.

1 ) Es besteht die Möglichkeit, einen Motorblock mit integriertem Kopf mit'beliebigem Ventilwinkel zu bauen. Das geht mit nach innen öffnenden, heute üblichen Ventilen nicht.

2) Es besteht eine gute Möglichkeit, die Quetschspalten und den Kolbenboden so zu gestalten, daß beim Verdichten des Gemisches besonders im Bereich vor dem OT ein Drall erzeugt wird, der in eine zentrale Brennmulde in Kolben mündet. Auf diese Weise kann auf den, den volumetrische!! Liefergrad beeinträchtigenden Drallkanal versichtet werden.

Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, daß der Drall (siehe Fig.3) so gelenkt -wird, daß auch. Bestandteile mit höherer Masse (nicht völlig verdampfte Kraftstoffpartikel) in die Br'ennmulde gefördert werden. Im Gegensatz hierzu werden bei Drallkanälen, die rotierend in den Zylinder eingeleitet werden, die Massenteilchen naturgemäß nach außen gegen die Zylinder-Wandung getragen, wo nach Filmbeobachtungen keine exakte Verbrennung niehr stattfindet. Eine Entflammung solcher Partikel ir. der Srennnulde ist wahrscheinlicher.

BAD

Claims

Patentansprüche
AnsOruch 1:

Gaswechselsteuerung für Brennkraftmaschinen

dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ventile; nicht

wie heute üblich in den Brennraum hinein, sondern

sich nach außen bewegen und so do η Steuerqup.rsehni ''· !'· freigeben.

Anspruch 2: ^Nach Anspruch 1

'. . . dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigung sowie die notwendige Vorspannung des Ventils auf den Ventilsitz über ein Kniehebelsystem bewirkt wird.

Anspruch 3-

Nach;den! Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß diejVentile eine Kolbenform haben und axial durch ein oder mehrere Federelemente auf den Sitz gedrückt 'und" axiale Längenveränderungen des Systems innerhalb der Federkonstante ausgeglichen werden.

Anspruch L'

Nach den Ansprüchen .1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß Bearbeitung de"s Ventilsitzes und Montage der Ventile von außerhalb des Brennraumes bewirkt werden kann.

Anspruch 5t

. . . dadurch gekennzeichnet, daß ein Zylinderblock mit angegossenem Kopf machbar ist, der einen beliebigen Ventilwinkel haben kann.

Anspruch 6:

. . . dadurch gekennzeichnet, daß der kugelförmige Br-.'ii raum im Zylinderkopf von den Ventilsitzen so angeschnit ten wird, daß Kreise entstehen und die auf den Sitz gedrückten Ventile die Kugelform vervollständigen bzw. Kugelabschnitte darstellen, die keine Ventiltaschen odo anderweitig schädliche Räume im Brennraum entstehen lan

-2-BAD ORIGINAL COPY

Patentansprüche L Fortsetzung -\-

Anapruch 7:

Nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Brennraumes und der Kolbenboden im Bereich des Quetschspaltes so ausgeführt werden, da3 die Ladung durch Anordnung entsprechender Kanäle einen Drall erhält, der in einer Brennmulde endet. (Fig.3)

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