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Luftverdichtende Brennkraftmaschine, insbesondere Viertakt-Brennkraftmaschine
Es ist bekannt, daß bei luftverdichtenden Einspritzbrennkraftmaschimen eine schnelle
und in@mge Mischung der Brennluft im Zylinder mit dem eingespritzten Kraftstoff
von wesentlicher Bedeutung für den Ablauf der Verbrennung und für die Ausnutzung
des Kraftstoffes ist. Es wurden daher schon verschiedene Maßnahmen zur Verbesserung
der Gemischbildung bei luftverdichtenden Brennkraftmaschinen vorgeschlagen. Ein
großer Teil von ihnen geht darauf hinaus, der Brennluft im Zylinder eine Drehbewegung
um die Zylinderachse zu erteilen und den Kraftstoff in die ,rotierende Luft, masse
eenzuspritzen. Für die Erzeugung einer solchen. Drehbewegung der Luft muß beachtet
werden, daß nur eine möglichst geringe Drosselung des Luftstromes in den E'rnlaßorganen
(Einlaßkanal und Einlaßventil) auftreten darf und @daß diese Organe sso ausgestaltet
und angeordnet werden müssen, @daß sie .eine Richtwirkung ,auf den in den Zylinder
einströmenden Luftstrahl ausüben.
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Eine besondere Schwierigkeit bei der Erzeugung der Drehbewegung der
Brennluft im Zylinder liegt in der Forderung, daß die Drehenergie ;der Luftladung
ein ganz bestimmtes, für .die Gemischbildung bei Verwendung einer bestimmten Einspritzdüse
optimale Verhältnisse ,ergebendes Maß haben muß. Um dieses Maß richtig ermitteln
zu können, muß die Möglichkeit bestehen, bei oder Erprobung eines Verbrennungsverfahrens
-die Drehenergie zu verändern. Teilweise stellt sich @dabei. heraus, daß die Drehenergie
auch in Abhängigkeit von der Be-Jastung und Drehzahl des Motors veränderbar sein
muß,
um die günstigsten Brenustoffverbrauchswürte und einen guten Ablauf des Verbrennungsvorganges
zu erzielen. Dies läßt sich nach einem bekannten' Vorschlag verhältnismäßig einfach
dadurch erreichen, daß man Einlaßventile verwendet, die mit einem Abweiser oder
Schirm versehen sind, der fest oder verstellbar entweder iunmitbelhar am Ventil
oder .auch am Ven.tilsitzring angeordnet ist. Der Ablenkschirm kann :auch sanstwie
@an geeigneter Stelle im Einlaßkainal angeordnet sein. Durch Veränderung der Stellung,des
Schirmes läßt sich dessen Richtwirkung und :damit auch .die Drehgesdhwiindigkeit
der Luft im Zylinder beeinflussen. Hierbei ist es auch nicht neu, durch iaußermvttige
Lage oder Schrägstellung des Eiinlaßventils mit Bezug auf die Zylinderachse, eine
die Mischung von Kraftstoff und Verbrennungsluft unterstützende Drehbewegung um
die Zylinderachse zu erreichen. Aber auch bei Anwendung dieser bekannten Mittel
besitzen Ventile mixt einem Ablenkscbirmdennoch beträchtliche mechanische und strömungstechnische
Nachteile, letzteres insbesondere dadurch, daß durch den Schirm .etwa 3o bis 40%
des freien. Durchgangsqners:chnittesgedrosselt werden, um die gewünschte einseitige
Einströmung in den Zylinder zu erreichen. Die Drosselung bedeutet natürlich ,eine
Herabsetzung des Wirkungsgrades.
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Weiterhin. ,gibt es bereits Anordnungen, bei denen die Drehbewegung
der Brennluft lediglich durch eine entsprechende Formgebung des Lufteinlaßkanals
erzeugt wird und bei denen ,das Ventil selbst keinen Schirm besitzt. Der Kanal;
der sonst üblicherweise symmetrisch zum Ventil .angeordnet ist, läuft dabei beispielsweise
in. Form einer Spirale auf das zentrisch zur Zylinderachse angeordnete Ventil zu,
wodurch die Luft mit einem Drall durch den Ventilspalt in den Zylindereintritt und
dort ihre Drehbewegung beibehält. Auf diese Weise ist es möglich, den. gesamten
Durchflußquerschnitt des (geöffneten) Einlaßventils für den Durchtritt der Luft
heranzuziehen.
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Bei einer solchen Anordnung besteht jedoch die Schwierigkeit, die
Drehgeschwindigkeit bzw. die Drehenergie der Luft im Zylinder den jeweähgen Bedürfnissender
Gemischbildung anzupassen. Wenn sich herausstellt, .daß eine zu hohe oder eine ztz
geringe Drehenergie vorhanden ist, bleibt nichts anderes übrig, als die Form des
Einlaßkanals bzw. die Form des an das Ventil heranführenden Spiralgehäuses zu ändern,
und zwar so ioft und so lauge, bis der erforderliche Wert der Drehenergie erreicht
ist. Da ab,.-ex, für sohhe Änderungen der Kanalform keine festen R:ihtliniie.n bestehen,
ist eine sehr langwierige und teuere Versuchsarbeit erforderlich. Ganz unmöglich
ist .es jedoch, während des Betriebes der Maschine- eine Änderung der Drehenergie
herbeizuführen, wie es beispielsweise durch Verdrehen eines Schirmventils bewirkt
werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einte Einrichtung zu schaffen, bei welcher
unter Vermeidung ider vorher erwähnten Mängel in einfacher Weise idie Drehenergie
der Brennluft im Zylinder verändert werden kann. Die Lösung dieser Aufgabe, die
den Gegenstand der Erfindung bildet, stützt sich auf folgende, durch eingehende
Versuche erlangte Erkenntmssie: Untersucht man die Zusammenhänge zwischen der spezifischen
Drehgeschwindigkeit der Luft und dem Ventilhub, wobei :unter spezifischer Drehgeschwindigkeit
die mittlere UmfangsgeschwIndmgkeit je Kilogramm und Stunde der durch das Ventil
hindurchströmenden Luft zu verstehen, ist, so, stellt man fest, daß bei der vorher
@erwähnten K,unalform (Spinale) die spezifische Umfangsgeschwindigkeit mit dem Ventilhub
ganz beträchtlich zunimmt und daß sie vor allem noch weiter ansteigt, wenn der Ventilhub
über das übliche, der vollen Eröffnumg des Durchströmquerschnittes entsprechende
Maß hinaus gesteigert wird. Üblicherweise wird das Einlaßventil ja nur .so weit
geöffnet, bis der frei= gelegte Ventilquerschnitt dem Querschnitt des Einlaßkanals
gleich ist. Eine weitere Öffnung des Ventils bringt hinsichtlich des Durdhflusses
praktisch keinen Nutzen mehr, da der engste D@urchströmqnersahnätt dann nicht mehr
der mixt dem Hub veränderliche VentilÖffnungsqnerschnitt ist, sondern der Kanalquerschrätt.
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Gemäß .der Erfindung wird daher vorgeschlagen, daß zwecks Regelung
der Drehenergie der Brennluft im Zylinder einer luftverdichtenden Brennkraiftm!aschine,
insbesondere Viertakt-Brennkraftmas-chiane; mit einem Einlaßventil und mit einem
leinen Drall der einströmenden Luft @erzeugenden und vorzugsweise in Gestalt einer
Spirale auf Idas Eihllaßventl zulaufenden Exnlaßkanal der einer bestimmten Kurbelwinkelstellung
zugeordnete Hub des Einlaßventils veräanderbar gemacht wird. Das Einlaßventil kann,dabei
in an sich bekannter Weise außermittig, parallel oder schräg in bezug auf die Zylinderachse
angeordnet und der Einlaßkanal mit einem geeignet angeordneten Ab,veiser oder Ablenkschirm
versehen sein.
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Der eigentliche Erfindwigsgedanke besteht, über das Bekannte hinausgehend,
nun darin, daß der Ventilhub (am ELnlaßventil) durch an sich bekannte Mittel über
den Hub hinaus vergrößerbar ist, beidem der freigelegte Ventilquerschnitt gleich
dem Querschnitt des Einlaßkanals ist, so. .daß die an sich in, Abhängigkeit vom
größer werdenden Ventilhub sich zwangsläufig steigernde spezifische Drehgeschwindigkeit
der Luft im Zylinder über die bei normal voll geöffnetem Ventil sickergebende Geschwindigkeit
hinaus steigerbar ist.
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Bekannte konstruktive Mittel, rum eine Veränderung des Ventilhubes
herbeizuführen, sind bereits in der Weise angegeben worden, daß beispielsweise die
Lagerung :des das Ventil betätigenden Schwinghebels auf einem Exzenter od. dgl.
erfolgt. Auch durch eine Gestängeanordnung mit hat miau bereits die Hubhöhe von
selbsttätigen Einlaßventilen bei Explosionskraftmaschinen zu regeln versucht. Diese
an. sich bekannten Mittel beziehen, sich jedoch auf normale Ventileröffnungen; dieselben
lassen sich natürlich auch zur Durchführung des Erbdungsgedankens, ohne denselben
zu beeinträchtigen, verwenden.
Beim Erfindungsgedanken wird von
der überlegung ausgegangen, daß die während des Anfangshubes pro Kurbelwinkelintervall
in -den Zy-
linder einströmende Luftmenge bei genügend großem Ventilöffnun,gsquerschnitt
und genügend großem Ventilhub durch eine weitere Vergrößerung des Ventilhubes nicht
mehr beeinflußt werden kann. Bei zweckmäßiger Gestaltung des Ventils und entsprechender
Bemessung .des Ventilhubes (volle Eröffnung des Ventils) läßt sich nämlich ein Füllungsgrad
von nahezu 9o% erreichen. Eine weitere Vergrößerung des Ventilhubes kann deshalb
keine wesentlich bessere Füllung ergeben, weil das je Kurbelwinkel einströmende
Luftgewicht immer in der Hauptsache von der Kolbengeschwilndigkeit abhängig ist.
Wird nun, wie gemäß der Erfindung vorgeschlagen, der Ventilhub über das für .eine
gute Füllung erforderliche Maß hinaus gesteigert, so ändert sich zwar das je" Grad
Kurbelwinkel einströmende Luftgewicht nicht, jedoch wird infolge Ansteigens der
spezifischen Umfangsgeschwindigkeit mit Vergrößerung des Ventilhubes das gleiche
Luftgewicht auf eine höhere Umfangsgeschwindigkeit gebracht, so daß Sam Ende des
Ansaughubes die Drehenergie .der Brennluft im Zy-
linder größer ist als bei
einem kleineren an sich für die- Füllung .ausreilchernden Ventilhub. Sinngemäß läßt
sich durch Verminderung des Ventilhubes eine Verkleinerung der Drehenergie der Brennluft
erzielen.
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Das Wesen der Erfindung beruht sonach in der neuartigen Kombination
an sich bekannter Mittel (spiralförmige Zuleitung der Verbrennungsluft im Einlaßkanal,
Ablenkschirm, außermittige Versetzung des Ventils gegenüber der Zylinderachse usw.)
mit einer über das Normale hinausgehenden. Steigerung des Ventilhubes am Einlaßventil,
wodurch :eine beachtliche Steigerung der Drehgeschwindigkeit der Luft und damit
eine intensivere Gemischbildung und Leistungssteigerung der Maschine erreicht wird.
Bei einer solchen Kombination ergibt sich auch in konstruktiver Hinsicht vorteilhafterweise
die Möglichkeit, ohne Änderung der keinmal gegebenen Form des Einlaßkanals die Drehenergie
der Brennluft im Zylinder zu verändern und damit die Gemischbildunig weitgehend
zu beeinflussen.
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In der Zeichnung ist ein Einlaßkan.l für eine luftverdichtende Brennkraftmaschine
von. der für die Durchführung der Erfindung wichtigen Formgebung dargestellt, und
zwar zeigt Fig. i einen Querschnitt nach Linie I-I der Fig. 2, Fig.2 einen Längsschnitt
nach Linie II-II der Fig. i, Fig. 3 einen waagerechten Längsschnitt nach Linie III-III
der Fe. 2. . Gemäß Fig. i bis 3 ist der Einlaßkanal i unsymmetrisch zum Ventil e
angeordnet, und seine äußere Begrenzungswand 3, die an das Ventil anschließt, ist
nach einer logarithmischen Sp rale geformt, die ihren Nullpunkt in der Ventilachse
4 hat. Durch diese Kanalform erhält die dem Ventil zuströmende Brennluft eine Drehbewegung,
die sich nach dem Durchtritt der Luft durch das Ventil im Zylinder fortsetzt. Die
Drehenergie der Luft kann dabei verändert werden durch Änderung des einer bestimmten
Kurbelwinkelstellung entsprechenden Hubes des Ventilkörpers 9. Zu diesem Zweck ist
:der von einem Stößel 6 betätigte Ventilheblel 7 so eingerichtet und gelagert, daß
sein Schwenkpunkt (Achse 8) verschoben werden kann in die Lage 8'. Dadurch kann
das wirksame Übersetzungsverhältnis des Ventilhebels 7 zwischen deal Werten a :
b und a': b' kontinuierlich geändert werden. Eine solche Änderung des Ventilhubes
kann auch durch andere bekannte Mittel erreicht werden, z. B. durch Lagerung des
Ventilhebels ,auf einem Exzenter. An :der Stelle, wo: der Einl@aßkanal i in .die
Durchtrittsöffnun,g des Ventils 2 übergeht, kann ein Abweiser 5 vorgesehen sein.
Der Abweiser bildet dabei die Fortsetzung der spiraligen Kanalwand in Richtung auf
den freien Kanalquerschnitt zu. Je nach der Einstellung dieses Abweisers ( Neigung
des Abweisers 5 zur Ventilachse 4, Breite des Abweisiers 5, Abstand des freien Endes
des Abweisers 5 von der Ventilspinidel) kann eine weitere beträchtliche Beeinflussung
der Drehenergie erzielt werden, wobei der Einfuß :des Abweisers auf den durch den
spiralförmigen Teil des Kanals erzeugten Drall maßgebend ist.
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Der Abweiser 5 kann entweder am Ventilsitzring io oder an. der Ventilführung
i i befestigt sein oder er kann verstellbar ausgebildet sein.