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Ventilanordnung für den Einlaß oder Auslaß von Brennkraftmaschinen
Die bei Brennkraftmaschinen üblichen Tellerventile zur Steuerung von Ein- oder Auslaß
haben wesentliche Nachteile: Die Masse der Ventile ist verhältnismäßig groß, da
die Führung der Ventile wegen des Durchtrittes des Ventilschaftes durch den Ein-
oder Auslaßkanal ziemlich lang sein muß. Infolge der üblichen Nockensteuerung mit
den erforderlichen Steuerteilen werden diese Massen noch vergrößert. Die Ventilführungsffäche
wird des weiteren stark auf Druck, der Ventilschaft gegegebenenfalls auf Biegung
beansprucht, weil der Schaft bzw. die Führung einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser
besitzt. Zur Vermeidung von Verlusten und zur Erzielung einer möglichst günstigen
Wirkungsweise ist ein verhältnismäßig großer Hub der üblichen Ventile erforderlich,
was leicht zu unzulässigen Beschleunigungen und Beanspruchungen führt. Die Wärmeableitung
an die, äußere Wandung ist schlecht, weil durch den Schaft des Ventils nur kleine
Querschnitte mit den feststehenden Wandungen in Berührung kommen. Vor allem ist
auch die Führung der Gas- oder Luftströme sehr ungünstig. Insbesondere entstehen
bei Vorauslaß an den Kanten des Auslaßventils Ablösungen in Gestalt von Unterdruckwellen,
die im Auslaßkanal ungeordnet durcheinanderlaufen. Durch den Ventilschaft und die
Ventilführung wird
der Luft- oder Gasstrom erheblich gestört und
die dynamische Wirkung des Abgasstromes auf den Zylinder und auf die Spül- bzw.
Ladungsluft in ungünstiger Weise vermindert.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, den Ventilkopf mit dem Ventilsitz
und den anschließenden Leitungen derart auszubilden, daß bei geöffnetem Ventil ein
Durchtrittskanal von sich stetig veränderndem Querschnitt entsteht, so daß eine
Diffusorwirkung und dementsprechend hohe Geschwindigkeiten erzielt werden.
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Gemäß der Erfindung werden die Strömungsverhältnisse bei Ventilanordnungen
dieser Art weitgehend verbessert, indem sich die Einlaß- oder Auslaßleitung im wesentlichen
axial zum Ventil anschließt und der zur Führung des Ventils dienende Ventilschaft
innerhalb eines im Einlaß- bzw. Auslaßkanal angeordneten und von diesem allseitig
umschlossenen, im wesentlichen stromlinien-oder tropfenförmigen Leitkörpers geführt
wird, dessen dem Zylinderinnern zugewandte Stirnfläche durch den Ventilkopf selbst
gebildet wird. Dadurch ergibt sich eine besonders günstige gleichmäßige und verlustlose
Leitung des Strömungsmittels, so daß besonders hohe Gasgeschwindigkeiten erzielt
werden können, die unter Umständen die Schallgeschwindigkeit sogar beträchtlich
überschreiten.
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Die möglichst verlustlose Strömung ist von wesentlicher und grundsätzlicher
Bedeutung, insbesondere für Maschinen, bei denen das Spülen oder Laden des Maschinenzylinders
durch die Saugwirkung der die Zylinder verlassenden Abgase bewirkt oder unterstützt
wird, da schon verhältnismäßig kleine Störungen im Strömungsverlauf die angestrebte
Wirkung erheblich beeinträchtigen können. Daneben wird durch das verlustlose Einströmen
der Frischgase bzw. der Einlaßluft eine Erhöhung der Füllung der Maschinenzylinder
erzielt.
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Die Anordnung des Ventilschaftes innerhalb des Leitkörpers ermöglicht
außer der günstigen, störungsfreien Führung des gesteuerten Stromes eine weitgehende
Herabsetzung der Abmessungen und damit der bewegten Massen. Dieser Vorteil wird
noch erhöht, wenn auch die Steuerglieder des Ventils innerhalb des Leitkörpers angeordnet
sind, insbesondere wenn die Steuerung mittels Flüssigkeitsgestänge erfolgt, da der
Ventilschaft sehr kurz gehalten werden kann. Infolgedessen kann auch die Steuerung
derart vorgenommen werden, daß in besonders kurzer Zeit ein möglichst großer Durchtrittsquerschnitt
des Ventils freigelegt wird. Bei Anordnung einer ungefähr dem äußeren Umfang des
Ventils entsprechenden Führungsfläche werden ferner die seitlichen Beanspruchungen
des Ventils und die spezifischer Drücke an den Führungsflächen verringert Die großen
Führungsflächen ermöglichen zugleich eine bessere Wärmeabfuhr vom Ventil auf das
Zylindergehäuse.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung in
Abb. i bis 5 dargestellt. In Abb. i bezeichnet i den Zylinder, 2 den Zylinderkopf,
3 das Ventil mit dem Ventilteller 4. und dem Ventilschaft 5. Der Ventilteller und
der Ventilschaft sind zweckmäßig hohl ausgebildet und enthalten beispielsweise in
bekannter Weise eine Salzlösung zur erhöhten Kühlung des Ventils. Das Ventil wird
auf seinen Sitz 6 durch eine Feder 7 gedrückt, welche sich gegen den Ventilteller
8 am oberen Ende des Ventilschaftes abstützt. Durch einen Nocken 9 auf einer Welle
io kann das Ventil von seinem Sitz 6 abgehoben werden. Die Welle io kann hierbei
in bekannter Weise z. B. durch einen Schwinghebel i i und eine Stößelstange 12 von
unten her verdreht werden.
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Wie ersichtlich, ist der vom Ventil gesteuerte Leitungsabschnitt oberhalb
des Ventils als Ringkanal 13 ausgebildet und der Ventilteller .I auf seiner Außenseite
mit einer ringförmigen Mulde 14 derart versehen, daß bei geöffnetem Ventilteller
. ein ringdüsenförmiger Durchtrittsquerschnitt zwischen dein Außenumfang des Ventils
und dem Ventilsitz 6 gebildet ist, welcher das durchströmende Medium derart leitet
und umlenkt, daß es ohne wesentliche Störung und Wirbelverluste unmittelbar anschließend
in den Ringkanal 13 überströmen kann bzw. (bei Einlaßventilen) aus dem Ringkanal
13 in den Durchtrittsquerschnitt 15 gelangt und von dort möglichst verlustlos in
den Maschinenzylinder eingeführt wird. Der von dem Ringkanal 13 eingeschlossene
innere Leitkörper 16 ist, wie die Abbildung zeigt, stromlinienförmig gestaltet,
so daß die durch den Ringkanal 13 z. B. nach außen abströmenden Abgase hinter dem
Leitkörper 16 möglichst verlustlos in die Rohrleitung 17 übergeführt werden. Der
Querschnitt des Ringkanals kann sich hierbei vom Ventilteller aus nach der Leitung
17 hin düsenförmig verändern, beispielsweise allmählich erweitern.
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Der Leitkörper 16 ist ferner hohl ausgebildet, wobei sein innerer
Hohlraum 18 dazu dient, die bereits erwähnte Ventilfeder 8 und den Steuernocken
9 aufzunehmen und gegebenenfalls gleichzeitig als Führungszylinder für den kolbenartig
ausgebildeten Ventilteller 8 ausgebildet ist. Eine weitere zylindrische Fläche i9
unmittelbar oberhalb des Ventildurchtrittquerschnittes 15 dient als weitere Führung
für einen ringförmigen Ansatz 20 des Ventils, wobei infolge des verhältnismäßig
großen
Durchmessers der Führung eine entsprechend große Führungsfläche entsteht und infolgedessen
die spezifische Belastung der Führungsfläche gering wird.
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Der Leitkörper kann durch Rippen 21 mit dem Zylinderkopfgehäuse verbunden
sein, wobei die Rippen zweckmäßig derart ausgebildet sind, daß sie dem strömenden
Medium einen möglichst geringen Widerstand entgegensetzen.
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Infolge der zusätzlichen zur Führung des Ventilschaftes 5 und gegebenenfalls
des Ventiltellers 8 vorgesehenen Führungsfläche z9 des ringförmigen Ansatzes 2o
kann die im Ventilteller gespeicherte Wärme in besonders wirksamer Weise an den
Leitkörper 16 und von dort über die Rippen 21 an das wassergekühlte Zylinderkopfgehäuse
abgegeben werden. Gegebenenfalls kann auch der Leitkörper 16 von Kühlkanälen durchsetzt
sein und unmittelbar gekühlt werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 2 erfolgt die Steuerung des
Ventils auf hydraulischem Wege. Zu diesem Zweck ist der Innenraum 18' des Leitkörpers
16 mittels einer Rohrleitung 22 an eine Druckquelle angeschlossen. Die Leitung 22
kann in beliebiger geeigneter Weise, z. B. durch Drehschieber, von der Maschine
gesteuert werden. Des weiteren ist die Leitung 17 anschließend an den Ringkanal
13 bei 17' als Diffusor ausgebildet.
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Zur Eröffnung des Ventils wird Druckflüssigkeit über die Leitung 22
in den zylindrischen Hohlraum 18 geleitet, wodurch das Ventil gegen die Wirkung
der Feder 7 nach unten geöffnet wird.
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Das Ausführungsbeispiel nach Abb. 3 unterscheidet sich von demjenigen
nach Abb. 2 dadurch, daß nicht nur das Öffnen, sondern auch das Schließen des Ventils
durch ein Flüssigkeitsgestänge erfolgt. Die Flüssigkeit wird hierbei entweder durch
die Leitung 22 auf die Oberseite oder durch die Leitung 22' auf die Unterseite des
kolbenartigen Ventiltellers 8 geleitet, wobei die Steuerung zweckmäßig in der Weise
erfolgt, daß bei Unterdrucksetzung der Oberseite des Kolbens 8 die Unterseite desselben
vom Druck zwangläufig entlastet wird, oder umgekehrt. Die Feder 7 kann hierbei sehr
schwach gehalten werden oder unter Umständen auch ganz in Fortfall kommen. Die Steuerung
der Druckflüssigkeit kann wieder beispielsweise durch schiebeartige Steuerglieder
oder auch (ebenso wie z. B. im Falle der Abb. 2) durch ausschaltbare Flüssigkeitspumpen
erfolgen. Als Flüssigkeit kann beispielsweise das Schmieröl der Maschine verwendet
werden, indem z. B. die Leitungen 22, 22' an den Schmierölkreislauf der Maschine
angeschlossen werden. Des weiteren sind in Abb. 3 Beikammern oder Staukammern 17"
eingezeichnet, welche durch Öffnen mit dem Innern der Leitung 17
in Verbindung
stehen.
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Das Ausführungsbeispiel nach Abb. q. zeigt eine Ausführungsform, bei
der das Ventil 23 sich im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
vom Zylinderraum aus gesehen nach außen öffnet. Die Strömungsverhältnisse sind in
diesem Falle besonders günstig, da das zu -steuernde Medium nicht um den Ventilsitz
herum umgelenkt werden muß. Zur Außenführung des Ventils kann infolgedessen ein
glatter zylindrischer Bund 2.4 des Ventils verwendet werden. Das Ventil wird durch
zwei Federn 25 und 26 auf sein Ventil gedrückt, wobei sich die Feder 25 unmittelbar
gegen den Ventilteller des Ventils 23, die Feder 26 gegen den kolbenartigen Federteller27
am Ende des Ventilschaftes von oben her abstützt. Das gesamte Ventil mit Einschluß
der Federn 25 und 26 sowie des kolbenartigen Ventiltellers 27 ist wiederum im Innern
des Leitkörpers 16 angeordnet. Die Steuerung des Ventils erfolgt ähnlich wie im
Falle der Abb.3 durch Druckflüssigkeit, welche durch die Leitungen 22 bzw. 22' der
einen oder anderen Kolbenseite des Federtellers 27 innerhalb des Hohlraumes des
Leitkörpers 16 zugeleitet wird.
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Der Schluß des Ventils wird durch die Federn 25 und 26, gegebenenfalls
in Verbindung mit dem Druck der durch die Leitung 22 zugeleiteten Flüssigkeit, erzielt,
wobei die Schlußkraft so groß sein muß, daß das Ventil durch den im Zylinderraum
der Maschine entstehenden Verbrennungsdruck nicht geöffnet wird. Zur Eröffnung des
Ventils wird die Oberseite des Kolbens 27 bzw. der Leitung 22 entlastet und gleichzeitig
die Flüssigkeit auf der Unterseite des Kolbens in der Leitung 2z' unter Druck gesetzt.
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Zur Einbringung des Ventils, der Ventilfedern und des Kolbens 27 ist
der Leitkörper 16, wie in Abb. q. dargestellt, mehrteilig ausgeführt. Gleiches gilt
auch für das Zylinderkopfgehäuse 2.
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Die Abb. 5 zeigt des weiteren eine Anwendung des erfindungsgemäß ausgebildeten
Ventils auf eine Zweitaktmaschine mit Gleichstromspülung, bei welcher der Einlaß
z. B. durch Schlitzea8 gesteuert wird, während das Auslaßventil etwa nach Art der
Abb. 2 ausgeführt ist. Die Achse des Ventils ist hierbei schräg gestellt. Die Maschine
arbeitet nach dem Einspritzverfahren und besitzt zu diesem Zweck eine Düse 29, durch
welche der Brennstoff quer zur Achse des Außlaßventils 3 eingespritzt wird.
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Wie bereits erwähnt, ist die Erfindung besonders für solche Maschinen
von besonderer
Bedeutung, bei denen die Saugwirkung dei den Maschinenzylinder
als Masse verlassenden Abgase fürs das Spülen und Laden de: Maschinenzylinders ausgenutzt
werden soll, Der wirbelfreie strömungslose Austritt det Abgase mit größtmöglicher
Energie ist hierbei besonders wichtig. Bei Beginn der Auslaßeröffnung herrscht im
Zylinder ein noch verhältnismäßig hoher Druck gegenüber dem Auslaßkanal. DieAbgase
strömen daher durch den sich schnell eröffnenden Durchtrittsquerschnitt des Ventils
mit Schallgeschwindigkeit aus, sofern der Auslaßkanal hinsichtlich seines Querschnittverlaufes
eine einfache Mündung darstellt und sich infolgedessen in der Mündung nur der kritische
Druck einstellt, welcher die Geschwindigkeit der ausströmenden Abgase auf Schallgeschwindigkeit
begrenzt. Durch geeignete Formgebung des Ventildurchtrittsquerschnittes und des
daran anschließenden ringförmigen Auslaßkanals z. B. im Sinne einer Lavaldüse ist
es jedoch möglich, gegebenenfalls auchüberschallgeschwindigkeiten der Gasströme
zu erreichen, so daß die Entleerung des Zylinders noch schneller vor sich gehen
kann.
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Die mit einem Verdichtungsstoß erfolgende schußartige Ausströmung
der Abgase erzeugt im Zylinder einen starken Unterdruck, welcher zur Einbringung
der Frischluft oder Frischgase ausgenutzt werden kann. Die Wirkung ist hierbei um
so größer, je größer die Energie ist, mit welcher die Abgase den Zylinder verlassen.
Der Einlaß muß hierbei in an sich bekannter Weise zu einem bestimmten Zeitpunkt
nach der Eröffnung des Auslasses seinerseits eröffnet werden. Zweckmäßig wird auch
der Einlaß derart ausgebildet, daß die Einströmung möglichst ohne Verluste stattfinden
kann. Wird daher für den Einlaß ein Ventil verwendet, so kann dieses zweckmäßig
ebenfalls im Sinne der Erfindung ausgebildet werden, wobei jedoch für die Gestaltung
des Ringkanals die umgekehrte Strömungsrichtung der Einlaßluft bzw. des Einlaßgemisches
zu berücksichtigen ist.