NO832288L - Ventil. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en forbedret ventilanordning for bedring av brennstofføkonomien og reduksjon av utstøtningene fra en forbrenningsmotor.

Den moderne forbrenningsmotor i biler er oppdaget som en vesentlig bidragsyter til forurensning av atmosfæren.

Ulike anordninger er utviklet for å styre frigjøring av motorens utsondringer og fjerne skadelige produkter fra eksosgas-sene. Det har imidlertid lenge vært erkjent at dersom moto-rene kunne gjøres slik at de drives med i det vesentlige fullstendig forbrenning av motorbrennstoffet under alle drifsbe-tingelser, vil ikke bare mengden av uheldige forureninger reduseres vesentlig, men også vil motorens kraftuttak og bren-seløkonomi økes.

Vesentlig forbedrede resultater har vært oppnådd ved ventiler og lufttilførselssystemer som tilfører luftpulser til motorens manifold over i det vesentlige hele motorens hastighetsområde for å gi en forbedret motorreaksjon og akselerasjon. Slike ventil- og lufttilførselssystemer gir auto-matisk justering av ulike drosselinnstillinger og akselera-sjons- og retardasjonsstørrelser og hindrer utviklingen av ekstreme forurensninger til atmosfæren, især karbonmonoksyd, nitrogenoksyd og hydrokarbondamper.

Når slike kjente ventilanordninger er korrekt justert kan disse bringes til å virke over hele motorens driftsområde, dvs. både under tomgang, kontinuerlig kjøring og akselerasjon og retardasjon. Når ventilene reagerer oppstår luftpulser som bringer turbulens i luftstrømmen som passerer gjennom ventilene og inn i forgasseren hvor det oppbygges trykkbølger i den nedre del av forgasseren og manifolden. Disse trykkbøl-ger bidrar til å bryte opp brennstoffet i mindre, mer ens-artede partikkelstørrelser i tillegg til å opprettholde en mer konstant luft/brennstoffblanding over hele driftsområdet, for å oppnå forbedret forbrenning, effektivitet, brennstoff-økonomi og lavere eksosutvikling.

Ventilanordningen ifølge den foreliggende oppfinnelse er prinsipielt av samme type, men omfatter spesielle ytterligere forbedringer som tillater en ytterligere økning og bedre opprettholdelse av luftpulsenes frekvensområde og hvor disse styres over i det vesentlige alle motorens driftsområder. Frekvensfordelingen økes til et høyere frekvensområde mens de lavere frekvenser på samme tid kan opprettholdes. Det er med ventilanordningen ifølge den foreliggende oppfinnelse også mulig å justere mengden av tilleggsluftstrøm som trenger inn i motoren gjennom ventilanordningen mens frekvensområdet sam-tidig økes.

Det er funnet at et stort frekvensområde generelt er bedre for å oppnå mer fullstendig forstøving av brennstoffet og opprettholde brennstoffet forstøvet inntil det når motorens sylindre for å oppnå bedre brennstofføkonomi og redusere utslippene under driftsbetingelser med fet blanding. De høy-ere frekvenser er meget smale og rette i deres bane og hjelper til å forstøve brennstoffet og utvikle turbulens, mens de midtre og lave frekvenser hjelper til å holde det forstøvede brennstoff i en blanding som bærer det forstøvede brennstoff gjennom manifolden og inn til sylindrene.

Generelt kan det sies at jo mindre motoren er eller jo nyere bilmodell, jo høyere frekvenser erønskelige og også ned-skjæring av luftstrømmengden gjennom ventilanordningen.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse omfatter ventilanordningen tre sfæriske legemer som er stablet på hver-andre i ventilkammeret. Luftstrøm inn til ventilkammeret fore-går gjennom en hovedinntaksåpning og en eller flere mindre tilleggsinntaksåpninger som omgir hovedinntaksåpningen i en ende av ventilkammeret. En uttaksåpning er anordnet ved ventilkammerets motsatte ende. Størrelsen og antall inntaksåpninger kan varieres for å oppnå ønsket spredningsområde for frekvensene og for en spesiell motor over hele dens driftsområde.

Videre i henhold til oppfinnelsen kan inntaksåpningene gradieres i henhold til den spesielle motors størrelse for så-: ledes å gjøre det mulig å skredddersy ventilanordningene til motoren. De ytterligere inntaksåpninger frembringer flere høyere frekvenser og bringer slike høyere frekvenser til å holde seg mer konstant over driftsbetingelsene for bedre brennstofforstøving. Også vil mengden av tilleggsluftstrøm som passerer gjennom ventilanordningen inn til motoren kunne reduseres ved å redusere antallet og størrelsen av inntaksåpningene, noe som også øker antallet høyere frekvenser og reduserer antallet lavere frekvenser. Videre vil motoren oppvarmes hurtigere på grunn av forbedret forstøving av brennstoffet, noe som tillater at tiden for drift med choke kan reduseres vesentlig.

En utførelse av oppfinnelsen beskrives eksempelvis i henhold til tegningen hvor figur 1 viser en del av et lengdesnitt gjennom en foretrukket utforming av den forbedrede ventilanordning ifølge oppfinnelsen, hvor ventilanordningen er vist i sin lukkede stilling når motoren ikke er igang, figur 2 viser et forstørret tverrsnitt gjennom ventilsetet i innretningen på figur 1, hvor hoved- og tilleggsinntaksåpningene er synlige, og figur 3 viser en del av et lengdesnitt gjennom ventilinnretningen, tilsvarende figur 1, men ventilanordningen i vanlig åpen stilling slik den i det vesentlige er under alle driftsbetingelser bortsett fra retardasjon.

En foretrukket form av ventilanordningen i henhold til oppfinnelsen er vist på figur 1 og generelt betegnet 1.

En slik ventilanordning er konstruert for bruk med en bensin-motor til hvilken en luft-brennstoffblanding tilføres av en forgasser, og er ikke egnet for dieselmotorer eller motorer med direkte brennstoffinnsprøyting.

Fortrinnsvis omfatter ventilinnretningen et plastle-geme 2 som kan ha en i det vesentlige T-form med et hult sylindrisk parti 3 og rørformede armer 4, 5 som strekker seg i motsatte retninger. Et rørformet hus 6 kan mottas justerbart med gjenger i det sylindriske legeme og har et sylindrisk kammer 7 for mottak av tre kuler 8, 9 og 10 som hver har en diameter noe mindre enn det sylindriske kammers indre diameter av grunner som beskrives i det etterfølgende. Nær det sylindriske kammers aksialt ytre ende er et ventilsete 15 som på en egnet måte fortrinnsvis er konisk avsmalnende for å frembringe en positiv tetning når den befinner seg i kontakt med den tilstøtende kule 8 som virker som et sfærisk ventillegeme når motoren ikke er i gang og ventilen befinner seg i sin lukkede stilling som vist på figur 1. Et slikt konisk ventilsete bidrar også til å frembringe bedre grunnlag for økt for-sterkning av kulene under drift, slik det beskrives i det etterfølgende.

Et hovedinntak eller inntaksåpning 16 strekker seg gjennom ventilsetet 15, samt en eller flere tilleggsinntaksåpninger 17. Hovedinntaksåpningen 16 strekker seg fortrinnsvis gjennom ventilsetets aksiale midte, mens tilleggsinntaksåpningene 17 fortrinnsvis er fordelt noe i avstand fra det aksiale sentrum, men nær dette slik at alle inntaksåpninger vil bli stengt av det sfæriske ventillegeme 8 når dette befinner seg fullt i anlegg mot ventilsetet som ovenfor beskrevet .

En smal uttaksåpning 20 i ventillegemet 2 står i forbindelse med den motsatte ende av det sylindriske kammer 7 og krysses fortrinnsvis i rett vinkel av en passasje 21 som strekker seg i lengderetningen i krysslegemet 22 for å danne en ut-takspassasje 23 fra ventilen med en rettvinklet dreining. En ende av den langsgående passasje 21 kan stå i forbindelse med et hvirvelkammer 24 i en ende av krysslegemet, utformet ved å utføre en kontraboring 25 i denne ene ende, med en plugg 26 innsatt i dens ytre ende. Den andre ende av krysslegemet har også en kontraboring 27 for mottak av en rørformet til-førselsledning 28 for å danne kommunikasjon mellom ventilut-taket og motorens forgasser.

En O-ringtetning 30 er innlagt mellom en ringformet flens 31 på det rørformede hus og den tilstøtende ende 32 av plastlegemet for å hindre luft i å trenge inn i ventilinnretningen bortsett fra gjennom inntaksåpningene 16, 17. En for-størret koppformet forlengelse 33 kan være utformet som en sammenhengende støpt del på den ytre ende av det rørformede hus 6 for mottak av et luftfilter 34 for å tillate frisk fil-trert luft å passere direkte inn til ventilen. Filteret er fortrinnsvis relativt stort i forhold til inntaksåpningene for å tillate ventilinnretningen å kunne brukes over lengre perioder uten å måtte rense eller utskifte filteret. Egnede kjølefinner 35 kan også være støpt sammen som en del av det rørformede hus og forløper i det vesentlige over hele dets ytre lengde.

I det sylindriske kammer 7 nær uttaksåpningen 20 er anordnet en konisk tannet skive 36 som understøttes av en ringformet skulder 37 på det sylindriske parti av legemet som omgir uttaksåpningen. Skiven har en sirkulær midtre åpning 38 med en diameter som er mindre enn kulens 10 diameter og flere ytre perifere utsparinger 39. Dreining av huset 6 i forhold til legemets parti 2 vil bringe huset til å bevege seg aksialt inn eller ut for å bevege ventilsetet 15 mot eller bort fra skiven for å variere lengden av kammeret 7 som inne-holder kulene 8-10 og på denne utsette disse til en fastlagt kompresjonsgrad.

Huset kan på egnet måte hindres i dreiebevegelse for å unngå uønsket rotasjon på grunn av vibrasjoner og lignende ved anordning av et par armer 40 som kan være støpt som en sammenhengende del av legemets sylindriske parti. Armene kan strekke seg utad fra motsatte sider av legemets sylindriske del og kan ha innad vendende fremspring 41 med egnede spor ved 42 for inngrep med en flens 4 3 med utsparinger på den ytre ende av den koppformede forlengelse 33. Armene som er fremstilt av plast, er tilstrekkelig fleksibel til å tillate en rastereffekt mellom utsparingene og flensen med utsparinger når et egnet dreiemoment påføres huset for å tillate dreining.

Egnede merker kan også være anordnet på flensen 4 3 med utsparinger som hjelp for slik justering av ventilen. Det kan også være anordnet en stoppsylinder 44 på en eller begge armfremspring 41 som strekker seg radialt innad fra flensens 43 ytre periferi for å begrense størrelsen av ventiljusterin-gen og for å hindre at ventilen demonteres bortsett fra når tilstrekkelig kraft påføres til å spre armene tilstrekkelig ut for å frigjøre husets flens fra inngrep med stoppskulderen.

Ventillegemet og huset er fortrinnsvis fremstilt av et egnet plastmateriale som eksempelvis delron som ikke vil be-skadiges under varme eller fuktige driftsbetingelser med til-stedeværelse av ol je- eller bensindamper. På samme måte er kulene fremstilt av et egnet plastmateriale som motstår tem-peraturområdene kulene utsettes for uten alvorlig å påvirke kulenes virkning. Etter korrekt justering vil kulelegemet 8 ikke ligge an, som vist på figur 3, på grunn av endringer i trykket som forårsakes av motorens vakuumpåvirkning mot ventilen gjennom lufttilførselsledningen 28 og kulene 8-10 vil vibrere i resonnans over hele motorens driftsområde slik at det oppstår sjokkbølger i luftstrømmen som passerer gjen-

nom ventilen inn til motoren.

Fortrinnsvis har kulene ulike hårdheter for å oppnå bedre styring over tilleggsluftstrømmen til motoren. Hoved-resonnanseffekten oppstår ved det sfæriske ventillegeme 8 som ligger an mot ventilsetet 15 og tillater små mengder dosert luft å passere gjennom inntaksåpningene 16, 17, når dette kre-ves. På grunn av at ventilen påvirkes av motorens vakumm, idet det sfæriske ventillegeme 8 er fremstilt av et middels hardt materiale og det foreligger et konisk ventilsete innrettet dertil, bringes det sfæriske ventillegeme til å være mer påvirkelig for lavere motorvakuum og gir økt resonnans under alle driftsbetingelser. Det middels hårde sfæriske ventillegeme som ligger an mot det koniske ventilsete gir også en mer positiv tetning og avtetter fullstendig inntaksåpningene når motoren ikke er i drift, for å holde ute fuktighet. Heller ikke små støvpartikler i luften vil tillate luftlekka-sje gjennom ventilen når den er lukket, slik tilfellet ville ha vært dersom det sfæriske ventillegeme hadde vært for hardt.

Kulens 10 hårdhet, lengst borte fra det sfæriske ventillegeme, er fortrinnsvis noe mindre slik at det store vakuum som oppstår i motorens manifold under retardasjon, vil bringe kulelegemet 10 til å komprimeres og utvides i sideret-ningen mere enn de to andre kuler 8, 9 så meget at ytterligere luftstrømning hindres gjennom ventilen under retardasjon. Når vakuumtrykket faller vil kulelegemets 10 tendens til å innta sin opprinnelige form positivt presse den mellomliggende kule 9 mot det sfæriske ventillegeme 8 slik at inntaksåpningene 16, 17 vil søkes lukket. Den mellomliggende kule er fortrinnsvis fremstilt av et meget hardere materiale enn de to andre kuler og virker som et stempel mellom disse for å gi øyeblik-kelig reaksjon mellom de to andre kuler og å frembringe pul-ser med høy frekvens i innretningen.

I den her beskrevne utførelse av ventilanordningen, foreligger fem inntaksåpninger bestående av en enkel midtre hovedåpning 16 og fire tilleggsinntaksåpninger 17 som er anordnet i sirkel i ens avstand rundt hovedåpningen, som vist på figur 2. Hovedinntaksåpningen har fortrinnsvis en diameter som er noe større enn tilleggsinntaksåpningene. Eksempelvis kan hovedinntaksåpningen ha en diameter på omtrent 3,2 mm og tilleggsinntaksåpningene kan ha en diameter mellom 1,6 og 0,8 mm. Det er imidlertid underforstått at antall og størrelse av slike inntaksåpninger 16, 17 kan varieres som ønsket for å oppnå det ønskede område eller spredning av frekvenser for en spesiell motor samt den ønskede mengde til-leggsluf tstrømning som passerer gjennom ventilinnretningen inn til motoren over dennes driftsområde.

Det er passasjen av luft gjennom inntaksåpningene 16,

17 som bringer kulene 8-10 til å vibrere ved ulike frekvenser i henhold til hastigheten av den luft som passerer gjennom åpningene. Luftens hastighet gjennom den større hovedinntaksåpning 16 er naturligvis mindre enn luftens hastighet gjennom de mindre tilleggsinntaksåpninger 17, idet frekvensene som oppstår av luften som passerer gjennom den store hovedåpning, er mindre enn frekvensene som oppstår av luften som passerer gjennom de mindre tilleggsinntaksåpninger. Det er også funnet at de høyere frekvenser som oppstår av de min- ; dre inntaksåpninger 17 er mere konstant over hele motorens driftsområde og er enklere å styre ved å styre antallet og størrelsen av tilleggsinntaksåpninger og således gjøre det mulig å skreddersy ventilinnretningen til en spesiell motor.

Ved tester er det funnet at ventilinnretningen ifølge den foreliggende oppfinnelse vil frembringe et større område eller spredning av frekvenser og flere høyere frekvenser med bedre styring over frekvensene. Generelt er det funnet av høyere frekvenser er mer effektive for å oppnå mer fullstendig forstøving av brennstoffet, mens middels og lave frekvenser hjelper til å holde det forstøvede brennstoff i blandin-gen og bære det forstøvede brennstoff gjennom manifolden inn til motorens sylindre for å oppnå bedre brennstofføkonomi og redusert utslipp. Det er også funnet ved den forbedrede for-støving ved bruk av ventilinnretningen ifølge den foreliggende oppfinnelse, at den tid motoren må benytte choke ved kaldstart, vil bli vesentlig redusert.

Det frekvensområde som er best egnet for en bestemt motor vil variere, avhengig av motorens størrelse, forgasser-type etc. Eksempelvis er det for større motorer generelt ønskelig å innbefatte flere lavere frekvenser, mens det for mindre motorer eller nyere biler generelt er ønskelig å ha flere høyere frekvenser. Med høyere frekvenser foreligger også mindre luftstrøm gjennom ventilanordningen, noe som er hen-siktsmessig for å bidra til å holde forgasseren nærmere stoi-koimetriske betingelser under alle driftsforhold.

For en større motor kan ventilanordningen ha en enkelt hovedinntaksåpning 16 og fire tilleggsinntaksåpninger 17 med mindre diameter, mens en mindre motor kan ha en enkelt hovedinntaksåpning og en eller to tilleggsinntaksåpninger være tilstrekkelig. Antall høyere frekvenser kan også økes ved å redusere størrelsen av hovedinntaksåpningen, men dette ville naturligvis redusere frekvensområdet eller -spredningen.

Luftstrømmengden gjennom ventilanordningen kan også varieres innenfor visse grenser ved rotasjon av huset 6 i forhold til legemet 2 for å variere forspenningen mot kulene 8-10, som beskrevet ovenfor. Imidlertid vil størrelsen av forspenningen mot kulene normalt bestemmes av det ønskede frekvensområde og ikke av hvor mye luft som skal passere gjennom ventilen. Følgelig er den mest effektive måte å variere luftstrømningen gjennom ventilanordningen, å variere størrel-sen og/eller antallet inntaksåpninger 16, 17. Imidlertid vil også frekvensområdet og antall lave frekvenser reduseres når størrelsen og antall inntaksåpninger reduseres.

Luftstrømmengden gjennom innretningen kan også reduseres ved å redusere klaringen mellom kulene 8-10 og kamme-rets vegg. En viss økning av de høyere frekvenser kan også oppnås ved å øke kulenes tetthet.

Når motoren ikke er igang stenger det ene sfæriske ventillegeme 8 alle inntaksåpninger 16, 17 som vist på figur 1. Så snart maskinen starter begynner kulene 8-10 å svinge i resonnans og utvikler sjokkbølger i luftstrømmen som passerer gjennom ventilanordningen, slik det er vist skjematisk på figur 3. Innsprøyting av slik pulserende tilleggsluft til forgasseren og manifolden øker brennstoff/luftblandingens turbulens og blander fullstendig den nødvendige mengde luft med brennstoffet i motoren for å oppnå forbedret forbrenning og hurtig reaksjon ved i det vesentlige alle driftshastigheter. De ytre perifere utsparinger 39 i skiven 36 bidrar også til

å utvikle en hvirvelpåvirkning mot luften som passerer gjennom ventilen slik at luften føres inn i forgasseren og mani-

folden i lydbølger kombinert med en hvirvelbevegelse for å

øke turbulensen.

Så lenge motoren går vil ventilanordningen forbli åpen og luftstrømmen gjennom anordningen vil i det vesentlig være den samme over hele motorens driftsområde bortsett fra ved stor retardasjon som nevnt foran. Likeledes vil luftpulsenes frekvenser som oppstår ved kulenes bevegeler holdes mer konstant over et bredt driftsområde på grunn av de ytterligere inntaksåpninger som utvider eller sprer frekvensområdet og gir bedre styring over slike frekvenser.

Det er underforstått at de ulike ventildelers dimen-sjoner kan varieres for å utvikle ulike luftstrømmengder og ulike størrelser av luftpulsene fra ventilen. Imidlertid hadde en slik ventilanordning som ga meget tilfredsstillende resultater, tre kuler 8-10 som hver hadde en diameter på omtrent 12,5 mm. Det sfæriske ventillegeme 8 var fremstilt av et egnet polyuretanmateriale med en hårdhet på tilnærmet 89 shore. Kulen 10 lengst borte fra det sfæriske ventillegeme var fremstilt av samme materiale men hadde en noe mindre hårdhet, eksempelvis 0,5 mindre eller tilnærmet 88,5 shore. Den mellomliggende kule 9 var fremstilt av et hardere materiale enn kulene 8 og 10, eksempelvis nylon, teflon eller celcon som har liten eller ingen fjærende egenskaper. Det sylindriske kammers indre diameter var noe større enn kulenes diameter, i størrelsesordenen 3,8 til 7,6 mm større. Videre hadde hovedinntaksåpningen 16 en diameter på omtrent 3,2 mm, mens de ytterligere inntaksåpninger 17 hadde diametre på tilnærmet 1,6 til 0,8 mm, avhengig av kravene til motoren. Uttaksåpningen 21 og lufttilførselsledningen 28 fra ventilanordningen til forgasseren hadde en diameter på omtrent 5,2 mm. og diameteren av hvirvelkammeret 24 i legemets del 2 var omtrent 9,5 mm.

Som tidligere anført har tester vist at en ventilanordning med ytterligere inntaksåpninger i henhold til den foreliggende oppfinnelse vil utvikle flere høyere frekvenser enn det som kan oppnås med en tilsvarende ventilanordning, men uten tilleggsinntaksåpningene. En slik ventilanordning er også i stand til å opprettholde flere slike høyefrekvenser over et betydelig videre driftsområde.

Claims (10)

1. Ventil, karakterisert ved at et

   ventilkammer har flere inntaksåpninger og en uttaksåpning og at ventilanordninger i kammeret mellom inntaksåpningeneog uttaksåpningen,.• reagerer på vakuumtrykk ved uttaksåpningen for å frembringe en i det vesentlige konstant pulserende luft-strøm gjennom ventilen.
2. 2. Ventil ifølge krav 1, karakterisert ved at et ventilsete har en enkelt hovedinntaksåpning som strekker seg gjennom ventilsetets aksiale senter og flere tilleggsinntaksåpninger som er anordnet i en viss radial avstand fra det aksiale senter.
3. 3. Ventil ifølge krav 2, karakterisert ved at hovedinntaksåpningen har en diameter som er større enn tilleggsinntaksåpningene.
4. 4. Ventil ifølge krav 3, karakterisert ved at fire tilleggsinntaksåpninger omgir hovedinntaksåpningen.
5. 5. Ventil ifølge krav 2, karakterisert ved at ventilsetet er konisk avsmalnende og at ventilanordningen omfatter tre sfæriske legemer i kammeret hvorav det ene sfæriske legeme danner en positiv tetning med ventilsetet og fullstendig avtetter inntaksåpningene når det ved uttaksåpningen ikke foreligger vakuumtrykk.
6. 6. Ventil ifølge krav 1, karakterisert ved at ventilanordningen omfatter tre sfæriske legemer i kammeret mellom inntaksåpningeneog uttaksåpningen, idet av-standen mellom de sfæriske legemer og ventilkammerets vegg er relativt liten for å begrense luftstrømmen gjennom ventilen.
7. 7. Ventil ifølge krav 1, for tilførsel av en i det vesentlige konstant pulserende luftstrøm til en forgasser for en forbrenningsmotor over i det vesentlige hele motorens driftsområde, karakterisert ved at ventilanordningen omfatter tre sfæriske legemer i kammeret mellom inntaksåpningene og uttaksåpningen og at de sfæriske legemer er anordnet i kammeret slik at de svinger i resonnans over i det vesentlige hele motorens driftsområde for å frembringe en i det vesentlige konstant pulserende luftstrøm gjennom ventilen over dette driftsområde.
8. 8. Ventil ifølge krav 7, karakterisert ved at inntaksåpningene står i forbindelse med kammeret gjennom et ventilsete, og at ett av de sfæriske legemer er innrettet til å ligge an mot ventilsetet for å danne en positiv tetning som fullstendig avtetter inntaksåpningene når det ved uttaksåpningen ikke foreligger vakuumtrykk.
9. 9. Ventil ifølge krav 8, karakterisert ved at en hovedinntaksåpning strekker seg gjennom ventilsetets aksiale senter og at minst en tilleggsinntaksåpning er anordnet radialt i avstand fra det aksiale senter idet til-leggsinntaksåpningen har en diameter som tilnærmet er halv-delen av hovedinntaksåpningens diameter eller,mindre.
10. 10. Ventil ifølge krav 9, karakterisert ved at den har fire tilleggsinntaksåpninger anordnet i avstand på en sirkel rundt hovedinntaksåpningen, og at et sfærisk legeme er innrettet til effektivt å avtette alle inntaksåpninger når det ved uttaksåpningen ikke foreligger vakuumtrykk .