DE7709935U1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Betreff: Deutsche Gebrauchsmuster-Anmeldung G 77 09 935.5 Kennwort: "Brennkammerdruckkonstanz'¹

/ Brennkraftmaschine S

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zur Konstanthaltung des Verbrennungsdrucks während eines Zyklus.

Man weiß, daß bei einer Brennkraftmaschine das Volumen der Brennkammer am oberen Totpunkt durch die Stellung des Kol'oens definiert wird. Auf diese Weise ist die Druckerhöhung auf Grund der Verbrennung sehr hoch und im allgemeinen von der gleichen Größenordnung wie der Enddruck der Kompression. i*ur einen durch die Widerstandsfähigkeit des gesamten Mechanismus festgelegten bzw. bestimmten Maximaldruck ist es somit erforderlich, einen maßigen Kompressions-

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BANKKONTO: DRESDNER BANK AC. FRANKFURT AM MAIN NR 4-II2 519 {

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druck aufrecht zuerhalteda, wodurch der Wirkungsgrad der gesamten Brennkraftmaschine begrenzt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gewisse Elastizität der Brennkammer derart zu erreichen, daß die Druckerhöhung auf Grund der Verbrennung gering ist und man somit auf höhere Kompressionsenddrücke zurückkommen kann, wodurch eine Reduzierung der Zündpunktsverzögerung und eine Verringerung des Verbrennungsgeräusches, ferner eine Verbesserung des Wirkungsgrads und infolge Unabhängigkeit des Verbrennungsdrucks von der Aufladung eine natürliche Eignung der Brennkraftmaschine für Aufladung ermöglicht werden.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt in überraschend einfacher Weise durch Anordnung mindestens eines mit einem mit sehr geringem Spiel in einer in die Brennkammer mündenden Bohrung hin- und herbewegbar geführten Ventilkupf versehenen Ventils, das mittels einer elastischen Rückführeinrichtung in seiner der aus den Druckkräften in der Brennkammer resultierenden Kraftrichtung entgegengesetzten Bewegungsrichtung abgefedert ist.

Eine Brennkraftmaschine dieser Art weist eine sehr konzentrierte und einen integrierten Teil der Kompressions- und Expansionskammer bildende Brennkammer auf. Oberhalb dieser Brennkammer ist ein Ventil angeordnet, dessen Ventilkopf mit reduziertem Arbeitsspiel in einem Expansionszylinder derart für Hin- und Herbewegung geführt ist, -daß dieses Ventil in der Tat einen Kolben bildet, dessen Führung wirkungsvoll gegen in der Brennkammer arbeitende heiße Gase geschützt ist. Hierdurch ergibt sich demnach eine höchst einfache und zuverlässige Konstruktion.

Dabei kann zweckmäßig dieses Ventil einen mit seinem Ventil-

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kopf xn solcher Weise zusammenarbeitenden Ventilsitz aufweisen, daß das Ventil dicht ist, wenn es sich in seiner unteren Arbeitsstellung befindet.

Gemäß einer zweckmäßigen Fortbildung der Erfindung kann die Bohrung, in der das Ventil hin- und herbewegbar geführt ist, auf der der Brennkammer gegenüberliegenden Seite in einen Luftspeicher münden, der an eine einen den maximalen Verbrennungsdruck begrenzenden Speicherdruck erzeugende Druckluftquelle angeschlossen ist. Dabei kann in weiterer Fortbildung der Erfindung zur Konstanthaltung des Luftdrucks im Luftspeicher ein in einer zum Luftspeicher führenden Speiseleitung angeordnetes Druckminderungsmanometer bzw. -ventil vorgesehen sein. Eine weitere zweckmäßige Maßnahme kann darin bestehen, daß zur Regelung des Bpeicherdrucks in der Speiseleitung eine auf Funktionsparameter der Brennkraftmaschine ansprechende Regeleinrichtung angeordnet ist. Eine besonders einfache Ausgeetaltung kann darin bestehen, daß der Luftspeicher einfach mit der Brennkammer verbunden ist, welche somit als Druckluftquelle herangezogen wird.

In weiterer Fortbildung der übergeordneten Maßnahmen kaua die in die Brennkammer mündende Bohrung einstückig mit einem durch das Ventil verschließbaren Ventilsitz ausgebildet sein. Hierdurch ergibt sich eine besonders einfache Fertigung.

Gemäß einer weiteren zweckmaßxgen Ausgestaltung der Erfindung kann der Ventilstössel auf der Seite des Speichers angeordnet sein, so daß er unter Abschluß von den heißen Gasen der Brennkammer verbleibt.

Fach einer anderen zweckmäßigen Fortbildung der Erfindung kann das Ventil einen mit seinem Stössel verbundenen, vor-

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zugsweise einstückig hiermit ausgebildeten Kolben aufweisen, der in angenäherter Ventilschließstellung mit geringem Bewegungsspiel in eine zugeordnete Bohrung eingreift und eine in die Bohrung mündende Ölkammer verschließt. Diese Maßnahmen gewährleisten ein sanftes Aufsetzen des Ventilkopfes auf seinem Sitz.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen lassen sich in gleicher Weise bei Zweitakt- und Viertaktmotoren sowie bei Diesel- und Benzinmotoren zur Anwendung bringen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind, rein beispielsweise näher beschrieben. Dabei zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch eine an einem herkömmlichen Viertaktmotor angeordnete Vorrichtung nach der Erfindung,

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I"ig. 2 in vergrößerter Darstellung einen Längsschnitt durch eine Einzelheit der Vorrichtung nach Fig. 1, wobei "besonders das Ventil und die Verstäxkereinrichtung gezeigt sind,

Fig. 3

bis 5 jeweils im Axialschnitt vergrößerten Maßstabes verschiedene Varianten einer Einrichtung zur Speisung des Speicherreservoirs, und

Pig. 6 eine Darstellung des erhaltenen Motordiagi.'ammes ebenso wie des Diagrammes der Ventilhübe und der Brennstoffeinspritzung.

Der so beschriebene und in Fig. 1 dargestellte Motor weist f

ein Motorgehäuse 1 auf, in dem ein Kolben 2 seine Arbeitshub- \

Veränderungen durchmacht, sowie eine Kurbelwellen-Pleuel- i

Kinematik 3· Dieser Motor weist ein Zuströmventil 4· und ein |

Auslaßventil 5 auf. ί

Der Zylinderkopf 6 weist die Brennkammer 7» oberhalb welcher . das Ventil 8, das in der Führung 9 hin- und herbeweglich geführt ist und auf dem Ventilsitz 10 ruht, angeordnet ist und seinerseits ohne Arbeitsspiel in der Bohrung ΛΛ geführt ist, und ein Speicherreservoir 12 auf, das von der Bohrung 11 abgestützt bzw. getragen und mit Luft hohen Druckes durch die Speiseeinrichtung 13 gespeist wird. Im Falle eines Dieselmotors ist der Brennstoffinjektor und im Falle eines Benzinmotors die Zündkerze an der rein beispielsweise angedeuteten Stelle 14 angeordnet.

Wie Fig. 2 erkennen läßt, weist das Ventil 8 einen Verstärkerkolben 15 auf, der im Verlauf des Endbereiches der Absenkhubbewegung des Ventilstössels mit einem sehr geringen Arbeitsspiel zum Eintritt in eine Bohrung 16 kommt, die über die Zuführungsleitung 17 in dosierter Menge mit Schmieröl gespeist wird.

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Die Speisung 13 des Speicherreservoirs 12 kann auf mehrfache Weise sichergestellt werden:

Wie Fig. 3 zeigt, kann sie beispielsweise mit Hilfe eines Druckluftkreislaufes gesichert werden, der über einen klassische! Druckluftschalter geregelt wird, wie dieser beispielsweise in Fig. 3 mit seiner Membran 18, dem als Regelorgan dienenden Druck- bzvr. Staukörper 19 und der Geger JLruckf edei 20 dargestellt ist. Diese Feder 20 wird gegebenenfalls durch Eegelparameter 21 verstellt, wie beispielsweise den Aufladedruck. Die Druckluft kommt über den Kanal 22 an.

Nach einer in Fig. 4· dargestellten Variante wird die Speisung 13 des Speicherreservoirs 12 mit Hilfe eines im Gleichgewicht gehaltenen Kolbens 23 sichergestellt, wobei dieser Kolben von der Brennkammer 7 des Motors über die Öffnung 24 angespeist wird. Der Kolben. 23 unterliegt der Wirkung einer Gegendruckfeder 25, welche hinsichtlich ihrer Vorspannung durch äußere Parameter 26 einstellbar ist. Der Kolben 23 weist eine Verbindungseinschnürung 27 auf, welche über das Rückschlagventil 28 den Zustrom zum Speicher 12 speist-

Gemäß einer anderen in Fig. 5 dargestellten Variante wird die Speisung 13 des Speicherreservoirs mit Hilfe eines Vorhubventils 29 sichergestellt, das auf der Brenkanmer 7 oder einem Hilfskompressor befestigt ist und einerseits durch einen Nocken 30, der von der Nockenwelle des Motors betätigt wird, und andererseits von einer Gegenfeder 31 betätigt wird. Der Nocken 30 kann dank geneigter Zahnungen, die auf der Nockenwelle 32 und dem Nocken 30 angeordnet sind, in variabler Stellung gehalten sein, wobei der Nocken 30 einer Verschiebung unter der Wirkung von Regelparametern 33 unterliegt, welche unter Zwischenschaltung eines Anschlags 34 auf den durch eine Gegenfeder 35 zurückgedrückten Nocken 30 einwirken.

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Die Wirkungsweise des erfindungsgemäß ausgerüsteten Motors ist nun folgende:

Nachdem Schließen des Zuströmventils 4- "beginnt der Kolben 2 seinen Kompressionshub, und die Luft wird somit in zunehmendem Maße in der Brennkammer 7 konzentriert. Wenn der gewünschte Maximaldruck erreicht und dank des im Totvolumen des Speichers 12 vor dem oberen Totpunkt herrschenden Druckes festgelegt ist, übt der Kompressionsdruck von unten nach oben auf das Ventil 3 eine im Vergleich zu der von oben nach unten auf das gleiche Ventil durch die Luft des Speichers 12 ausgeübten Kraft größere Kraft aus. Das Ventil 8 hebt sich somit von seinem Ventilsitz 10 ab. Im gewählten Moment spritzt der Brennstoff injektor den Brennstoff ein oder gibt die Zündkerze den Zündfunken ab, und nach dem Zündverzug beginnt die Verbrennung nahe dem oberen Totpunkt. Der Druck in der Brennkammer 7 verstärkt sich, gleichzeitig verstärkt sich aber auch die auf das Ventil 8 von unten nach oben ausgeübte Wirkung, und dieses schon vorläufig in vorbereitende Hubgeschwindigkeit gebrachte Ventil beschleunigt jeine Bewegung, indem es so das Brennkammervolumen vergrößert. Daraus resultiert also eine Regulierung des Verbrennungsdruckes. Wenn der Kolben wieder in seinen unteren Totpunkt zurückkehrt und auf seinem Abwärtsweg das Brennkammervolumen vergrößert, senkt sich auch das Ventil 8 wieder ab und kompensiert diese Volumenvergrößerung und erhält somit längere Zeit für die Verbrennung und die Bewegungskraft bzw» -wirkung auf den Kolben günstige Druck- und Temperaturbedingungen aufrecht.

Ausgehend von dem gewählten Gleichgewichtsdruck fällt das Ventil auf seinen Ventilsitz zurück und erlangt vollständig seine volle Dichtigkeit zurück, indes, es somit die Druckluft des Speichers 12 isoliert. Gegen Ende des Abwärtshubes tritt der Verstärkerkolben 15 in seinen Zylinder 16 ein und -verlangsamt

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sanft die Geschwindigkeit des Ventils, bevor dieses seinen Ventilsitz erreicht.

Es ist festzuhalten, daß das Ventil im Zuge seiner Bewegung trotz alledern ein gewisses Arbeitsspiel aufweist. Aber dieses ist nicht nachteilig für dessen Wirkungsweise, und zwar dies aufgrund der Tatsache, daß eine geringe Druckdifferenz zwischen beiden Seiten des Ventils existiert.

Die Speisung des Speichers 12 kann je nach zum Einsatz kommender Einrichtung in unterschiedlicher Weise erfolgen. Im Falle der Fig. 3 kann der Luftkreislauf 22 vor dem Starten des Motors aufgebaut werden, was es ermöglicht, bereits von der ersten Motordrehung unter Normalbedingungen zu starten.

Im Falle der Fig. 4 speisen bereits mit dem Starten des Motors die Brennkammer 7 oder ein gegebenenfalls vorhandener Hilfskompressor die Zuspeisungsleitung 24, welche in Strömungsverbindung mit der Einspeiseleitung 13 des Speichers 12 verbleibt, so daß der im Speicher herrschende und auf den Kolben 23 entgegen der Kraft der Gegenfeder 25 wirkende Druck den Kolben 23 nicht zurückschiebt. Sobald der Druck im Speicher ausreichend ist, wird der Kolben 23 nach unten zurückgeschoben, und die Verbindungseinschrdirung 27 verschwindet aus dem Strömungsweg, wodurch die Strömungsverbindung zwischen 24 und 13 abgeschnitten wird.

Die Vorrichtung gestattet es somit, den Speicher 12 über das Rückschlagventil 28 zu laden, während der Speicher selbst sich über die Überströmöffnung des Ventils 8 und die durch diese im Verlauf seiner Hübe entweichenden Luftmengen leicht entladen kann.

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Jede Wirkung der Regelparameter 26 führt somit eine Modulation des Druckes des Speichers 12 ein.

In Fig. 5 baut mit dem Starten des Motors das Vorhubventil eine Verbindung zwischen dem Speicher 12 und der Brennkammer 7 oder einem etwa vorgesehenen Hilfskompressor während eines vorgewählten Kurbelwellenwinkels auf. Es wird somit der Speicher mit dem in der Brennkammer oder im Hilfskompressor in genau diesem Moment herrschenden Druck aufgeladen.

Wenn die Nockenwelle einen Unterschied zwischen dem Kompressionsund dem Expansionshub einführt, kann man den Speicher 12 mit komprimierter Frischluft laden, was bei der Lösung gemäß Fig. nicht der ^aIl ist.

Sobald der Druck im Speicher 12 dem bei dem gewählten Kurbelwellenwinkel in der Brennkammer 7 oder dem Hilfskompressor herrschenden Druck entspricht, hört die Luftüberströmung auf.

Jede Wirkung der Regelparameter 33 führt eine Variation des Vorhübwinkels ein, welche es gestattet, den Druck im Speicher und damit den maximalen Verbrennungsdruck zu variieren.

In Fig. 6 kann man die zugeordneten Druckgesetze 36 und 37 ersehen, die mit einem erfindungsgemäß ausgerüsteten Motor einerseits mit Aufladung und andererseits mit natürlicher Ansaugung erhalten wurden, sowie auch die zugehörige Gesetzmäßigkeit 38 der Ventilhübe und 39 der Injektionshübe oder der Zündzyklen.. Die Horizontalachse 40 stellt die Winkelstellung der Kurbelwelle zwischen dem oberen Totpunkt PMH und dem unteren Totpunkt PMB des Hubes des zugehörigen Ventils und der Einspritz- oder Zündgesetzmäßigkeit dar.

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Claims (2)

111· PATENTANWALT * ' * HANS-JOACHIM KANTNER DIPLOM-INGENIEUR 6O7O LANGEN, 2. Vi /7 DARMSTÄDTER STRASSE 8 TELEPHON: (O61O3) 23O29 Patentanwalt D.PL.-.NC. H.-J. kantner ' TELEGRAMM: KANTNERPATENTE M3MSTADTEP STRA 60~ LANGEN .'HESSEN LANGENHESSEN An das Deutsche Patentamt Zweibrückenstr. 12 München 2 Ansprüche

1) Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zur Konstanthaltung des Verbrennungsdrucks während eines Zyklus, gekennzeichnet durch mindestens ein mit einem ms.t sehr geringem Spiel in einer in die Brennkammer (7) mündenden Bohrung (11) hin- und herbewegbar geführten Ventilkopf versehenes Ventil (8), welches mittels einer elastischen Rückführeinrichtung in seiner der aus den Druckkräften in der Brennkammer (7) resultierenden Kraftrichtung entgegengesetzten Bewegungsrichtung abgefedert ist.

2) Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (11), in welcher das Ventil (8) hin- und herbewegbar geführt ist, auf der der Brennkammer (7) gegenüberliegenden Seite in einen Luftspeicher (12) mündet, der an eine einen den maximalen Verbrennungsdruck begrenzenden Speicherdruck erzeugen-

BANKKONTO: DRESDNER BANK AC, FRANKFURT AM MAIN NR 4-II2 5I>? iTSCHECKKONTO _NR, 285560 FRANKFURT

de Druckluftquelle angeschlossen ist.

3) Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer zum Luftspeicher (12) führenden Speiseleitung (13) ein Druckminderungsmanometer bzw. -ventil (18, 19, 20) zur Konstanthaltung des Speicherdrucks angeordnet ist.

Brennkraftmaschine

Ό /^Tnach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß in einer zum Luftspeicher (12) führenden Speiseleitung (13.) eine Regeleinrichtung (18, 19, 20) "bzw. 23, 27, 25, 28 bzw. 29, 31, 30) zur von einem Motorparameter abhängigen Regelung des Speieherdrucks angeordnet ist.

5) Brennkraftmaschine nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspeicher (12) über die Speiseleitung (13) mit der Brennkammer (7) verbunden ist.

6) Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Brennkammer (7) mündende Bohrung (11) einstückig mit einem durch das Ventil (8) verschließbaren Ventilsitz (10) ausgebildet isc.

7) Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilstössel auf der Seite des Luftspeichers (12) angeordnet ist.

8) Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (8) einen mit seinem Stössel verbundenen, vor zugsweise einstückig hiermit ausgebildeten Kolben aufweist, der in angenäherter Ventilschließstellung

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mit geringem Bewegungsspiel in eine zugeordnete Bohrung (16) eingreift und eine in die Bohrung (16) mündende ölkammer (17) verschließt.

Patentanwalt

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