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Diese Erfindung bezieht sich auf Ventile, insbesondere zur
Verbesserung des Fluid-Flusses in Arbeitszylinder und des
Auslaßflusses aus Arbeitszylindern.
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Es ist bekannt, daß die durch den Einlaß eines modernen
Verbrennungsmotors fließende Luft-Brennstoffmasse beim Auftreffen auf
den Ventilteller diesen in natürlicher Weise in einem Weg
umströmt. Die Strömungsdynamik, die sich ergibt, wenn die
reißende Gasmasse auf den relativ großen Ventilteller auftrifft
und von dem Ventilschaft weit oberhalb des Ventiltellers
weggezogen wird, zwingt die Gasmasse dazu, einen im wesentlichen
kegelförmigen Schirm um den Ventilteller zu bilden. Neben dem
Ventilschaft gibt es überhaupt keine Strömung. Der ganze
Strömungsweg befindet sich im Bereich der Kante des
Ventiltellers.
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Wenn die Gasmasse über den Rand des Ventiltellers in den Zylinder
fließt, formt sie stromabwärts des Ventiltellers einen weiteren
Kegel.
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Es ist seit langem bekannt, daß wegen dieses Phänomens die Länge
des in den Zylinders hineinreichenden Gasmassen-Kegels sehr
kurz ist und deshalb nicht in irgendeiner Weise gestört werden
darf. Ein maximaler Fluß wird durch eine unbehinderte
Kegelaktivität unterhalb des Ventiltellers erreicht.
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Es ist auch wohlbekannt, daß die Gestaltung des Einlaßventils
den Fluß der Gasmasse in die Zylinder beeinflußt. Ein "idealer"
Einlaßsitz und eine ideale Ventilvorderfläche sind auf Seite
61 des Buches mit dem Titel "Smokey Yunick's Power Secrets"
61 des Buches mit dem Titel "Smokey Yunick's Power Secrets"
beschrieben, das 1983 von S-A Design Books, 515 West Lambert,
Bldg. E, Brea, CA. 92621-3991, U.S.A., veröffentlicht wurde
und hier in Figur 1 gezeigt ist. Die Sitzflächen und
Vorderflächen sollen konzentrisch mit einer gemessenen Unrundheit
von weniger als 0,001 Inch sein. Die Ventilvorderflächen sollten
gerade an der äußersten Kante der zugewandten Fläche enden.
Die Kanten, an denen die einführenden und oberen Flächen die
vordere Fläche oder Sitzflächen treffen, sollen keine Krümmung
aufweisen. Diesen Kanten sollten für eine optimale Wirksamkeit
scharf ausgebildet sein. Beim Stand der Technik gemäß Figur
1 sind die Einlaßöffnung A, ein Zylinderkopfeinlaß B, ein
Einlaßventil C und eine Verbrennungskammer D gezeigt. An der
Stelle E ist ein Bodenschnitt von 60º gemacht. An der Stelle
F ist ein Sitz mit einem 45º-Winkel im Bereich von 0,030 - 0,060
Inch gebildet. An der Stelle G ist ein Oberschnitt mit einem
15º-Winkel gemacht. An der Stelle H ist ein Radius gebildet,
welcher sich von oben zur Seite erstreckt.
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Das in Figur 1 gezeigte Einlaßventil zur Steuerung eines Flusses
darum und in einen Arbeitszylinder hat im wesentlichen einen
Aufbau mit einem Schaft und einem Ventilteller; wobei der
Ventilteller eine Vorderfläche, eine rückwärtige Fläche und
eine Seitenfläche aufweist, wobei die Seitenfläche im
wesentlichen parallel zu der Längsmittellinie des Schaftes ist, die
rückwärtige Fläche mittig mit einem Ende des Schaftes verbunden
ist, und der Ventilteller ferner eine Ventilsitzfläche aufweist,
die der rückwärtigen Fläche des Ventiltellers benachbart ist.
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Im besonderen ist eine Hinterschneidung von 35º an der Kante
der Unterseite des Einlaßventils C and der Stelle I vorgesehen.
Eine Vorderkante mit einem Winkel von 45º ist an der ebenen
Ventilfläche an der Stelle J ausgebildet. Der Endabstand oder
die Kantenbreite des Ventils an der Stelle L sollte zwischen
0,030 - 0,050 Inch liegen. Die Ausdehnung des Ventilschaftes
M sollte so klein wie physikalisch möglich sein, um eine
ausreichende Arbeitsfähigkeit des Ventilschaftes sicherzustellen.
Der Ventilrand oder die Randbreite sollte nicht größer als 0,050
Inch sein. Jede Zunahme gegenüber dieser Maximaldicke soll dazu
führen, daß die Masse des Ventiltellers in unerwünschter Weise
vergrößert wird, ohne daß der Gasfluß verbessert wird.
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Nach dem gegenwärtig bekannten Stand der Technik ist die Tatsache
offenbar unbekannt, daß die Form des idealerweise gewünschten
konischen Gasflusses unterhalb des Ventiltellers entlang den
Zylinderwandungen sich von der Ventilvorderfläche aus nur um
einen geringen Betrag in den Zylinder erstreckt und sich dann
fast sofort in Richtung auf die Mitte des Zylinders erweitert,
während Gas an der Innenseite des Kegels, welches dem Rand
benachbart ist, an der Ventilrandfläche anhaftet und der oberen
Hinterschneidung zu der Ventilvorderfläche folgt, wodurch Wirbel
entstehen, die eine unerwünschte Turbulenz entlang der
Ventilvorderfläche erzeugen. Diese Turbulenz führt zu einer
ungleichmäßigen Verteilung von Gas innerhalb des Zylinders, was zu einer
schlechten Verbrennung führt.
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Idealerweise sollte der Kegel deutlich in den Zylinder
hineinreichen und an dessen Boden heranreichen. Die gegenwärtige
Einlaßventilanordnung ist darauf gerichtet, die Wirbel und die
resultierende Turbulenz, die sich normalerweise entlang der
Ventilvorderfläche ausbildet, zu verringern, in dem der Kegel
auf eine größere Tiefe in den Zylinder hineingeführt wird,
wodurch sich eine effizientere und sauberere Verbrennung des
in den Zylinder eingeführten Verbrennungsgases ergibt.
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Nach einem Aspekt der gegenwärtig beanspruchten Erfindung ist
die zuvor grundsätzlich beschriebene Anordnung eines idealen
Einlaßventils gemäß Figur 1 dadurch gekennzeichnet, daß die
Länge der Seitenfläche größer als 1/20 des Durchmessers des
Ventiltellers ist, daß sich eine konvex gekrümmte Fläche zwischen
der Ventilsitzfläche und der Seitenfläche erstreckt, und daß
eine rechteckförmige scharfe Kante mit einem Winkel von im
wesentlichen 90º zwischen der Randfläche und der Vorderfläche
des Ventiltellers vorgesehen ist.
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Ein ideales Auslaßventil ist gleichfalls auf Seite 61 des zuvor
erwähnten Buches mit dem Titel "Smokey Yunick's Power Secrets"
beschrieben und hier in Figur 2 dargestellt. Wie aus Figur 2
erkennbar, ist der Ventilauslaß M dem Ventileinlaß A ähnlich
mit der Ausnahme, daß der Bodenschnitt E durch eine gekrümmte
Wand N ersetzt ist. Die anderen Elemente bleiben im wesentlichen
die gleichen, einschließlich der ebenen Ventilvorderfläche.
Das Auslaßventil ist dem Einlaßventil ähnlich, abgesehen davon,
daß auf die Hinterschneidung verzichtet wird und daß das Spiel
auf einen Bereich zwischen 0,030 - 0,060 Inch vergrößert wird.
Die obere Hinterschneidung L wird beibehalten. Der zuvor erwähnte
grundsätzliche Aufbau eines idealen Einlaßventils trifft
gleichfalls auf ein ideales Auslaßventil gemäß Figur 2 zu.
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Der Gasfluß von dem Zylinder während des Verbrennungszyklus
ist dem Einlaß-Gasfluß ähnlich, abgesehen davon, daß das
verbrauchte Gas in die entgegengesetzte Richtung fließt. Ein
ähnlicher Kegel von Abgas wird gebildet, wenn das Abgas um den
Ventilrand und durch den Auslaß zwischen der Seite und dem
Ventilsitz fließt. Jede Turbulenz dieses Gasflusses
verschlechtert die Effizienz der Entfernung des Abgases und führt zu einem
verringerten Motorwirkungsgrad.
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Das ideale Auslaßventil nach dem Stand der Technik weist
Nachteile auf, welche durch diese Erfindung im wesentlichen
vermieden werde. Der gradlinige Bodenschnitt bewirkt, daß der
Abgasfluß am Übergang zwischen dem oberen Schnitt und der Seite
von der Ventilfläche abreißt, wodurch Wirbel entstehen, die
zu einer Turbulenz im Kegel des Abgases führen, das sich zwischen
dem Ventilsitz und der Seite bewegt.
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Bei einer weiteren Ausführung der gegenwärtig beanspruchten
Erfindung ist die zuvor grundsätzlich beschriebene Anordnung
des idealen Auslaßventils gemäß Figur 2 dadurch gekennzeichnet,
daß die Lange der Seitenfläche größer als 1/20 des Durchmesssers
des Ventiltellers ist, daß sich eine konvexgekrümmte Fläche
zwischen der Ventilsitzfläche und der Seitenfläche erstreckt,
und daß eine konvexgekrümmte Zwischenfläche zwischen der
Seitenfläche und der Vorderfläche des Ventiltellers vorgesehen
ist.
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Durch die Modifizierung der Telleranordnung sowohl des Einlaß-
als auch des Auslaßventils gemäß der gegenwärtigen Erfindung
wird die Effektivität des Gasflusses in die Zylinder und des
Abgasflusses aus den Zylindern um etwa 5 - 15 % gegenüber dem
Stand der Technik gemäß der sogenannten "idealen"
Ventiltelleranordnung verbessert.
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Diese Verbesserung wird beim Einlaßventil erreicht, indem die
konvexe, gekrümmte Hinterschneidung zwischen der
Ventilbodenfläche und der Seitenfläche vorgesehen wird (Coanda-Effekt),
und indem eine größer dimensionierte Seitenfläche des
Ventiltellers mit einer scharfen 90º-Kante zwischen der Seitenfläche
und der Vorderfläche vorgesehen wird (Feuling-Effekt). Diese
neue Einlaßventil-Anordnung bewirkt, daß sich der Kegel von
Verbrennungsgas an der Seite des Ventils deutlich in den Zylinder
hinein erstreckt und sich von der Ventilkante an der Vorderfläche
und der Seitenfläche ablöst, wodurch die Turbulenz an der
Ventilvorderfläche weitgehend vermieden wird oder zumindest
minimiert wird.
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Diese Verbesserung wird beim Auslaßventil erreicht, indem
zusätzlich zu der gemäß dem Coanda-Effekt gekrümmt
hinterschittenen Fläche zwischen der Ventilbodenfläche und der Seitenfläche
in Verbindung mit der größeren Abmessung der
Ventiltellerseitenfläche ein gekrümmter Rand zwischen der Ventilvorderfläche
und Seite vorgesehen ist, so daß das Abgas der Ventilvorderfläche
um den gekrümmten Rand durch die Seite mit einer minimalen
Ablösung von dem Ventil aus dem Auslaß heraus folgt und dadurch
eine normalerweise zu erwartene Turbulenz im Gasfluß durch den
Ventilauslaß weitgehend verhindert.
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Eine vergrößerte Seite wurde bei Einlaßventilen eines
Verbrennungsmotors im Zusammenhang mit dem Coanda-Effekt zwischen
dem Boden und der Seite des Ventils bisher nicht verwendet,
oder bei Auslaßventilen wurde die Kombination einer vergrößerten
Seite und dem Coanda-Effekt zwischen dem Boden des Ventils und
der Seite und zwischen der Vorderfläche des Ventils und der
Seite bis zu dieser Erfindung noch nicht verwendet.
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Die vergrößerte Abmessung der Seite wird im wesentlichen durch
eine Vergrößerung der Dicke des Ventiltellers erreicht, und
indem eine überschüssige Masse vom mittleren Bereich der
Ventilvorderfläche insbesondere bei hohen Drehzahlen entfernt
wird. Bei niedertourigen Motoren ist es wegen der relativ
langsamen Bewegung der Ventile nicht notwendig, die überschüssige
Masse zu entfernen. Es hat sich auch gezeigt, daß beim Entfernen
dieser überschüssigen Masse durch Hinterschneiden in der Form
einer konkaven Wölbung die Wärmeübertragung verbessert wird,
d.h. das Ventil bleibt bei einem vorgegebenen Brennstoff kühler
als die herkömmlichen Ventile. Es hat sich ferner gezeigt, daß
dann, wenn diese konkave Wölbung von der Ventilvorderfläche
ausgehende Leitflächen aufweist, die parallel zu Seite sind,
eine weitere Verbesserung des Wärmeübergangs auftritt, d.h.
in dem Motor können heißer als normal brennende Brennstoffe
verwendet werden, und dennoch halten die Ventile eine sichere
Arbeitstemperatur ein. Dies ist bei herkömmlichen Ventilen nicht
möglich.
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Zwecks einem guten Verständnis wird die gegenwärtige Erfindung
nun anhand einiger beispielhafter Ausführungen unter Bezugnahme
auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, worin:
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Figur 1 ein Schema ist, welches die ideale Gestaltung eines
Einlaßventilsitzes und einer Ventilanordnung herkömmlicher Bauart
zeigt;
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Figur 2 eine Darstellung einer herkömmlichen Anordnung ist,
die die ideale Ausbildung eines Auslaßventilsitzes und einer
Ventilanordnung herkömmlicher Bauart zeigt;
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Figur 3 ein Schema ist, das eine erste Ausbildung eines
erfindungsgemäßen Einlaßventils zeigt;
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Figur 4 ein Schema ist, das eine zweite Ausführung eines
erfindungsgemäßen Einlaßventils zeigt;
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Figur 5 ein Schema ist, welches eine dritte Ausführung eines
erfindungsgemäßen Einlaßventils zeigt und
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Figur 6 ein Schema ist, das eine typische Auslaßventilanordnung
gemäß der gegenwärtigen Erfindung zeigt.
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Es versteht sich, daß, obwohl sich die nachfolgenden und
vorherigen Erläuterungen der Einfachheit halber auf den Gebrauch
der Erfindung in der Umgebung einer Verbrennungsmaschine
beziehen, die Erfindung in jeder Umgebung verwendet werden kann,
bei welcher der Fluß eines Fluides durch Ventileinrichtungen
gesteuert wird.
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In Figur 3 ist ein Einlaßventil 10 gezeigt. Das obere Ende eines
Ventilschaftes 12 geht durch eine gekrümmte Fläche 16 in die
Bodenfläche 15 eines Ventiltellers 14 über. Diese Fläche 16
ermöglicht einen glatten gekrümmten Übergang zwischen dem
Ventilschaft 12 und der Bodenfläche 15 des Ventiltellers. Eine
konvexe, gekrümmte Fläche 18 erstreckt von der Ventilsitzfläche
J aus, welche dem äußeren Rand der Bodenfläche 15 benachbart
ist, zu dem Ventilrand oder der Seitenfläche 20, welche im
wesentlichen parallel zu der Längsmittellinie des Schaftes 12
ist. Die gekrümmte Fläche 18 bewirkt, daß der Gasfluß am
Ventilteller 14 anhaftet und um diesen herum mit einer minimalen
Ablösung von der Ventilfläche geführt oder geleitet wird, und
daß deshalb eine minimale Beeinflußung dieses Flusses auftritt;
hierauf wird als der Coanda-Effekt Bezug genommen. Die
Ventilseitenfläche 20 sollte sich um eine größere Strecke als 1/20
des Ventiltellerdurchmessers von dem äußeren Ende der Kurve
18 aus bis zu ihrem Ende an einer im wesentlichen rechteckigen
scharfen Kante 19 mit einem Winkel von im wesentlichen 90º an
der Ventilvorderfläche 13 erstrecken. Eine Ventilseitenfläche
20 von 1/15 des Durchmessers des Ventiltellers 14 erscheint
als eine optimale Dimensionierung. Diese vergrößerte Seitenfläche
20 führt oder leitet den Gasfluß im wesentlichen rechteckig
zu der Seitenfläche, im wesentlichen in der Form eines hinter
dem Zylinderteller 14 angeordneten Zylinders und an den
Ventilteller vorbei deutlich in den Zylinder 24 hinein, bevor dieser
drastisch in Richtung auf die Mitte des Zylinders fließt, wo
er sich verwirbelt und das Verbrennungsgas in dem Zylinder in
einer im wesentlichen gleichförmigen Weise verteilt.
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Die scharfe Kante 19 an der Ventilvorderfläche 13 bewirkt, daß
der Fluß, welcher dem Einlaßventil 10 folgt, eine saubere
Ablösung von dem Ventil erfährt und sich nach unten in Richtung
auf den Boden des nicht dargestellten Zylinders bewegt.
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Um die Masse des Ventiltellers 14 zu reduzieren, und gleichzeitig
die vergrößerte Abmessung der Seitenfläche zu ermöglichen, ist
der Ventilteller dicker gemacht, wobei der mittlere Bereich
der Ventilvorderfläche 13 eine Vertiefung 26 aufweist, welche
in diesem Bereich eine verringerte Ventildicke bewirkt. Wie
in der ersten Ausführung des Ventils gemäß der gegenwärtigen
Erfindung gezeigt ist, hat die Vertiefung 26 die Form einer
konkav gekrümmten Ausnehmung, welche sich zu der geradlinigen
Ventilvorderfläche 13 erstreckt und von der scharfen Kante 19
entlang der geradlinigen Ventilvorderfläche gering beabstandet
ist.
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In Figur 4 ist ein Einlaßventil 10 dargestellt, welches dem
in Figur 3 gezeigten ähnlich ist, außer daß sich die Vertiefung
26 nicht zu der Ventilvorderfläche 13 hin erstreckt sondern
oberhalb der Ventilvorderfläche endet und zu der
Ventilvorderfläche mittels einer zu der Ventilseitenfläche 20
parallelen Wand verlängert ist.
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Es wird davon ausgegangen, daß die in Figur 3 und 4 gezeigte
Ausbildung des Auschnittes eine gegenüber herkömmlichen Ventilen
gemäß Figur 1 und 2 verbesserte Kühlwirkung auf das Ventil
ausübt.
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In Figur 5 ist ein Ventilteller mit einer vergrößerten Dicke
dargestellt, welcher verwendet werden könnte, falls einerseits
die Kühlwirkungen der Vertiefung gemäß Figur 3 nicht gewünscht
sind und andererseits die Motoranordnung eine vergrößerte Masse
des Ventiltellers erlaubt, wie dies z. B. bei einer
niedertourigen Maschine der Fall ist.
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In Figur 6 ist ein Auslaßventil 33 dargestellt, welches dem
Einlaßventil 10 grundsätzlich ähnlich ist, sich aber von den
zuvor erläuterten Anordnungen dadurch unterscheidet, daß der
in Figur 2 dargestellte obere Schnitt L durch eine konvex
gekrümmte Zwischenfläche 32 ersetzt ist, die sich von der
Ventilvorderfläche zu der Seitenfläche 20 erstreckt, die ähnlich
zu ihren Gegenstück beim Einlaßventil dimensioniert ist, um
ein Anhaften des Abgases am Ventil zu ermöglichen, wenn das
Gas von der Ventilvorderfläche zum Auslaß übertritt, wodurch
eine Turbulenz des Gasflusses entlang der Ventilvorderfläche
reduziert oder ausgeschlossen wird.
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Es versteht sich, daß die Beschreibung der Vertiefungen an der
Vorderseite des Einlaßventils 10 und ihr Zweck und ihre Funktion
gleichfalls beim dem Auslaßventil 33 zutreffen, auch wenn zwei
der direkt damit zusammenhängenden Vertiefungen nicht dargestellt
sind.