WO1998021452A1 - Vorrichtung zur durchmischung von luft und treibstoff im brennraum eines verbrennungsmotors - Google Patents

Vorrichtung zur durchmischung von luft und treibstoff im brennraum eines verbrennungsmotors Download PDF

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WO1998021452A1
WO1998021452A1 PCT/CH1997/000428 CH9700428W WO9821452A1 WO 1998021452 A1 WO1998021452 A1 WO 1998021452A1 CH 9700428 W CH9700428 W CH 9700428W WO 9821452 A1 WO9821452 A1 WO 9821452A1
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valve
gear
wheel
paddle wheel
driven
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PCT/CH1997/000428
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Inventor
Siegfried Franz Leithinger
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Tk Design Ag
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/06—Valve members or valve-seats with means for guiding or deflecting the medium controlled thereby, e.g. producing a rotary motion of the drawn-in cylinder charge
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a device for mixing air and fuel in the combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the invention causes the intake air to swirl in the combustion chamber of an internal combustion engine, which then immediately helps to improve the mixing of air and fuel.
  • With sufficient fine mixing with air even substances such as flour or sugar will explode, which would otherwise burn poorly, because with a fine distribution they offer the radicals of an igniting spark a large surface with many points of attack. In the petrol engine, the flame front spreads explosively, starting with the spark plug.
  • the environmentally harmful nitrogen oxides (NO) are formed in the places with the highest temperatures. However, the more homogeneous the mixture previously generated, the more balanced the temperature values in the combustion and accordingly the NO formation is reduced.
  • Today the combustion processes are studied using laser technology. If a very sharply focused laser beam is sent through a flame, it hits molecules there. A part of the laser light is scattered by them, the molecules of different substances reacting to laser light of different wavelengths in a characteristic way. These variations leave Infer the flame chemistry.
  • a pulsed laser beam provides snapshots of a combustion that take just a few billionths of a second. With the help of such methods, great efforts are being made today to optimize the combustion process.
  • the aim of optimizing combustion was to optimize the combustion chamber, to change the ignition timing, if necessary by using several spark plugs, to optimally spray the fuel with the injection nozzle, or to pre-mix the fuel with the intake air in the intake duct, further by changing the Compression and by optimizing the gas exchange to achieve such a combustion that ensures the highest possible performance with low consumption and minimal exhaust gas values and while maintaining knock resistance.
  • a device for mixing air and fuel in the combustion chamber of an internal combustion engine takes place via intake and exhaust valves, which is distinguished by the fact that a rotatable paddle wheel is mounted directly behind the valve plate on the valve stem of the intake valve, so that the intake air Air must flow through this paddle wheel when the valve is actuated between the valve plate and valve seat.
  • FIG. 1 shows a cross section through a cylinder and cylinder head of an engine with the device for mixing air and fuel in the combustion chamber, with the intake valve retracted;
  • FIG. 2 shows a cross section through a cylinder and cylinder head of an injection engine with the device according to FIG. 1, with the inlet valve extended, at the moment of fuel injection;
  • Figure 3 is a schematic representation of a drive variant for the paddle wheel.
  • Figure 4 is a schematic representation of the device of Figure 1 with a contactless drive of the paddle wheel.
  • Figure 1 shows a cross section through the upper part of the cylinder 1 and the cylinder head 2 of an engine. Piston 3 is also shown in cylinder 1.
  • at least one inlet 4 and one outlet valve 5 are accommodated in the cylinder head 2.
  • These valves 4.5 consist of valve plate 6.7 and valve stem 8.9 and are loaded by means of valve springs, so that they are pulled into their valve seats 12, 13 by means of these pressure springs. In Figure 1, however, only the valve spring 11 of the exhaust valve is shown.
  • Valves 4, 5 are actuated at the top by the cams of a camshaft mounted above the valve stems but not shown here.
  • valve actuation can also be carried out by means of other known constructions, for example by valve tappets which are actuated by a camshaft via rocker arms, and by other known constructions.
  • the essence of the invention is now a paddle wheel 10, which is rotatably mounted on the valve stem 8 of the inlet valve 4 immediately behind the valve plate 6.
  • This paddle wheel 10 is preferably a wheel with blades made from ceramic, aluminum or from a suitable light metal alloy. So that there is space behind the valve plate 6, the space in the cylinder head 2 is slightly enlarged by turning it out.
  • the paddle wheel 10 is placed over the valve stem 8 from behind held thereon by means of an LNOX lock washer 14 which engages in a circular groove provided on the valve stem 8.
  • FIG. 2 shows the same cross section as FIG. 1, but now with the inlet valve 4 extended or actuated.
  • the paddle wheel 10 projects almost completely into the combustion chamber of the engine. It is mechanically or electrically driven and rotated rapidly to swirl the air flowing through the valve.
  • the drive is implemented by a gearwheel drive, the camshaft 16 serving as the power source.
  • This mechanical drive variant is shown schematically in FIG.
  • Two pins 17, 18 are slidably guided in axially extending bores 27, 28 in two opposite blades of the impeller 10. Depending on that, a single pen of this type may be sufficient, or a plurality may be chosen.
  • these pins 17, 18 already end after a short distance in the axial bores 27, 28 in the impeller.
  • the paddle wheel 10 is slipped further over the two pins 17, 18.
  • a gear 19 is arranged so as to be rotatable about the valve stem.
  • the pins 17, 18 are firmly anchored in this gear 19 so that they rotate with the gear 19.
  • this gear wheel can drive the paddle wheel 10 in a space-saving manner via the pins 17, 18.
  • the gear 19 is in engagement with a further spur gear 20, which sits at the end of a drive shaft 21 which is guided through the cylinder head.
  • a bevel gear 22 which is in engagement with a further bevel gear 23, which itself is also driven via a bevel gear 24 and an output shaft 25 by a bevel gear 26 seated on camshaft 16.
  • the drive mechanism can also be designed in such a way that a single output shaft drives a side shaft which drives several bevel gears for each valve to be operated.
  • the gear ratios themselves are not shown here, but only a possible drive principle. These gear ratios can be designed as needed to ensure that better swirl is achieved at all speeds.
  • the shaft 21 or the shaft 25 is driven by an electric motor.
  • the electric motor can drive a single output shaft in the same way, which in turn drives a side shaft that drives several bevel gears for each valve to be operated.
  • This variant has the advantage that the speed of the paddle wheel can be regulated independently of the engine speed. A microprocessor control can even be used for this, which takes into account several suitable parameters. As a result, the speed of the paddle wheel can be optimized even further in order to achieve good turbulence in every operating state of the engine.
  • FIG. 4 shows a further variant of the device according to the invention, in which the paddle wheel 10 is driven without contact.
  • a magnetic wheel 32 is arranged in a recess 31 in the cylinder head 2, approximately at the level of the impeller 10, about the axis 34, which runs approximately parallel to the longitudinal axis of the valve stem 8.
  • the recess 31 in the cylinder head is just so deep that the magnetic wheel 32 is separated from the paddle wheel 10 only by a thin wall of the cylinder head 2 in the area of the inlet duct.
  • the magnetic fields of the magnetic wheel 32 act on the paddle wheel 10, which is made of magnetic material and consists of individual segments.
  • the magnetic wheel 32 is shown in perspective on the upper right edge of the picture.
  • the distance between the magnet of the magnetic wheel 32 and the blade of the blade wheel 10 now becomes ever smaller, and then again larger, but at the same time the distance of the next magnetic segment with reverse polarity to the next blade of the blade wheel 10 decreases, that is, the attraction increases and this one The magnet in turn exerts a torque on this subsequent blade of the impeller 10 with its magnetic force.
  • the paddle wheel 10 also rotates due to the changing magnetic fields of the magnetic wheel 32.
  • the magnetic wheel 32 can be driven by an electric motor, for example, via the belt wheel 33, which is permanently connected to the axle 34.
  • the speed of the electric motor can be set independently of the internal combustion engine by means of a conventional electronic control and thus the speed of the paddle wheel can also be regulated.
  • a rotation is superimposed on the sucked-in air, which flows through the valve 4 and is indicated by arrows in FIG. 2, which causes a strong swirling of the intake air in the combustion chamber.
  • its rotational speed can also be varied, for example, depending on the amount of air drawn in.
  • the paddle wheel 10 itself is continuously cooled by the intake air and also lubricated by the fuel.
  • one or the other direction of rotation can prove to be advantageous in order to achieve an optimal swirl.
  • the blades are arranged such that the blade wheel 10 rotates clockwise when viewed from above during operation.
  • FIG. 2 also shows the fuel injection that can be implemented in an injection engine.
  • the injection nozzle 15 for the fuel is arranged in the cylinder head in such a way that the fuel, be it gasoline or diesel, is sprayed directly onto the rotating blade wheel 10. There, it bounces off the rapidly rotating wheel blades and is thereby nebulized hyper-finely and intimately mixed with the air in the subsequent swirling.
  • a fuel-air mixture already flows through the intake valve in carburetor engines. This is also greatly refined by means of the paddle wheel 10 and thus mixed more intimately.
  • the combustion according to the invention becomes more efficient. On an existing engine, this means reduced fuel consumption for a certain output or even increased output for a given fuel consumption. At high engine speeds, the effect of mechanical drive is particularly noticeable because the speed of the impeller 10 at the inlet valve 4 is then highest. At the same time, the swirling and mixing of fuel and air is more critical at high revs because less time is available. This is where the device comes in and has a compensating effect on the time pressure for the mixing.
  • the device is extremely easy to implement in practical engine construction. It does not require any fundamental changes to the engine concept, but merely represents an addition to the existing valve construction, whereby an existing cylinder head only has to be slightly modified by turning the space in the area above the valve seat a little lower.
  • the paddle wheel 10 itself is of such low mass that the inertia of the valve 4 is hardly changed.

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Abstract

Die Vorrichtung ist einsetzbar an Verbrennungsmotoren, deren Gaswechsel über Ein- (4) und Auslassventile (5) erfolgt. Sie besteht aus einem Schaufelrad (10), das unmittelbar hinter dem Ventilteller (6) am Ventilschaft (8) des Einlassventils (4) gelagert ist. Die angesaugte Luft strömt bei betätigtem Ventil (4) zwischen Ventilteller (6) und Ventilsitz (12) durch das mechanisch oder elektrisch angetriebene Schaufelrad (10). Das Schaufelrad (10) überlagert der Gasströmung eine Rotation, was eine bessere Verwirbelung des Gases zur Folge hat und somit zu einer innigeren Vermischung von Luft und Treibstoff im Brennraum führt. Im Falle eines Einspritzmotors kann die Einspritzdüse (15) direkt auf das sich drehende Schaufelrad (10) gerichtet sein, sodass der Treibstoff dort aufprallt und besser vernebelt wird.

Description

Vorrichtung zur Durchinischung von Luft und Treibstoff im Brennraum eines Verbrennungsmotors
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchmischung von Luft und Treibstoff im Brennraum eines Verbrennungsmotors. In erster Linie bewirkt die Erfindung eine Verwirbelung der Ansaugluft im Brennraum eines Verbrennungsmotors, was dann unmittelbar zu einer besseren Durchmischung von Luft und Treibstoff verhilft. Je inniger und homogener die Luft im Brennraum eines Verbrennungsmotors mit dem Brennstoff vermischt ist, umso effizienter ist die Verbrennung und umso höher der Wirkungsgrad des Motors. Das gilt unabhängig davon, ob es sich bei diesem Verbrennungsmotor um einen Benzin- oder um einen Dieselmotor handelt. Bei genügend feiner Vermischung mit Luft explodieren selbst Stoffe wie Mehl oder Zucker, die sonst schlecht brennen, denn bei feiner Verteilung bieten sie den Radikalen eines zündenden Funkens eine grosse Oberfläche mit vielen Angriffspunkten. Im Benzinmotor breitet sich die Flammenfront explosionsartig aus, beginnend bei der Zündkerze. Dabei bilden sich an den Orten mit den höchsten Temperaturen die umweltschädlichen Stickoxide (NO). Je homogener aber das zuvor erzeugte Gemisch ist, umso ausgeglichener sind die Temperaturwerte in der Verbrennung und entsprechend reduziert die NO-Entstehung. Heute werden die Verbrennungsprozesse mittels Laser- Technologie studiert. Wird ein sehr scharf gebündelter Laserstrahl durch eine Flamme geschickt, so trifft er dort auf Moleküle. Ein Teil des Laserlichts wird dabei von diesen gestreut, wobei die Moleküle unterschiedlicher Substanzen auf Laserlicht unterschiedlicher Wellenlänge auf jeweils charakteristische Weise reagieren. Diese Streuungen lassen Rück- Schlüsse auf die Flammenchemie zu. Ein gepulster Laserstrahl liefert Momentaufnahmen einer Verbrennung, die in wenigen Milliardstel-Sekunden Dauer entstehen. Mit Hilfe von solchen Methoden werden heute grosse Anstrengungen unternommen, den Verbrennungs- prozess zu optimieren. Der Ausstoss an Kohlenmonoxiden, Schwefeldioxiden, chlorhaltigen Kohlenwasserstoffen wie PCB's, Furanen und Dioxinen sollte so gering wie nur möglich sein, wenngleich diese Stoffe heute weitgehend in nachgeschalteten Katalysatoren eingefangen werden. Bei einer optimalen Verbrennung sollte sich eine Flammenfront möglichst gleichmässig im Brennraum ausbreiten. Unkontrollierte, frühzeitige und lokale Verbrennungsherde verursachen demgegenüber das Motorklopfen. Dabei entsteht lokal und vorübergehend Formaldehyd als Indikator einer vorzeitigen, lokalen Verbrennung. Ziel der Optimierung einer Verbrennung war es bisher, durch optimale Gestaltung des Brennraumes, durch Verlegung des Zündzeitpunktes, gegebenenfalls durch Einsatz mehrerer Zündkerzen, durch optimale Versprühung des Treibstoffes mittels der Einspritzdüse oder durch gute Vormischung des Treibstoffes mit der Ansaugluft im Einlasskanal, weiter durch Verändern der Verdichtung und durch Optimierung des Gaswechsels eine solche Verbrennung zu erzielen, die eine möglichst hohe Leistung bei geringem Verbrauch und minimalen Abgaswerten und bei Erhaltung der Klopffestigkeit gewährleistet.
Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die zu einer besseren Durchmischung des Treibstoffes mit der Verbrennungsluft fuhrt, um dadurch eine effizientere Verbrennung zu erzielen.
Diese Aufgabe wird gelöst von einer Vorrichtung zur Durchmischung von Luft und Treibstoff im Brennraum eines Verbrennungsmotors, dessen Gaswechsel über Ein- und Auslassventile erfolgt, die sich dadurch auszeichnet, dass ein drehbares Schaufelrad unmittelbar hinter dem Ventilteller am Ventilschaft des Einlassventils gelagert ist, sodass die angesaugte Luft bei betätigtem Ventil zwischen Ventilteller und Ventilsitz durch dieses Schaufelrad strömen muss.
In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand einer beispielsweisen Ausführung illustriert und in der nachfolgenden Beschreibung anhand dieser Zeichnungen beschrieben und ihre Funktion erläutert. Es zeigt:
Figur 1 Einen Querschnitt durch einen Zylinder und Zylinderkopf eines Motors mit der Vorrichtung zur Durchmischung von Luft und Treibstoff im Brennraum, bei eingefahrenem Einlassventil;
Figur 2 Einen Querschnitt durch einen Zylinder und Zylinderkopf eines Einspritzmotors mit der Vorrichtung nach Figur 1, bei ausgefahrenem Einlassventil, im Moment der Treibstoffeinspritzung;
Figur 3 Eine schematische Darstellung einer Antriebsvariante für das Schaufelrad.
Figur 4 Eine schematische Darstellung der Vorrichtung nach Figur 1 mit einem berührungslosen Antrieb des Schaufelrads.
Die Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch den oberen Teil des Zylinders 1 und des Zylinderkopfes 2 eines Motors. Im Zylinder 1 ist auch der Kolben 3 eingezeichnet. In üblicher Weise sind im Zylinderkopf 2 mindestens ein Einlass- 4 und ein Auslassventil 5 untergebracht. Diese Ventile 4,5 bestehen aus Ventilteller 6,7 und Ventilschaft 8,9 und sind mittels Ventilfedern belastet, sodass sie kraft dieser Druckfedern in ihre Ventilsitze 12,13 gezogen werden. In der Figur 1 ist allerdings nur die Ventilfeder 11 des Auslassventils gezeigt. Die Betätigung der Ventile 4,5 erfolgt oben durch die Nocken einer oberhalb der Ventilschäfte gelagerten, jedoch hier nicht eingezeichneten Nockenwelle. Die Ventilbetätigung kann aber auch mittels anderer bekannter Konstruktionen erfolgen, so etwa durch Ventilstössel, die von einer Nockenwelle über Kipphebel betätigt werden, sowie durch noch andere bekannte Konstruktionen. Der Kern der Erfindung ist nun ein Schaufelrad 10, welches am Ventilschaft 8 des Einlassventiles 4 unmittelbar hinter dem Ventilteller 6 drehbar gelagert ist. Bei diesem Schaufelrad 10 handelt es sich vorzugsweise um ein aus Keramik, Aluminium oder aus einer geeigneten Leichtmetall-Legierung hergestelltes Rad mit Schaufeln. Damit es hinter dem Ventilteller 6 Platz findet, ist der dortige Raum im Zylinderkopf 2 durch Ausdrehen etwas vergrössert. Das Schaufelrad 10 ist von hinten über den Ventilschaft 8 gestülpt und darauf mittels einer LNOX-Sicherungsscheibe 14 festgehalten, die in eine am Ventilschaft 8 vorhandene Kreisnut eingreift.
Figur 2 zeigt denselben Querschnitt wie Figur 1, jetzt aber mit ausgefahrenem oder betätigtem Einlassventil 4. Das Schaufelrad 10 ragt dabei fast gänzlich in den Brennraum des Motors. Es wird mechanisch oder elektrisch angetrieben und in schnelle Drehung versetzt, um die durch das Ventil strömende Luft kräftig zu verwirbeln.
In einer Variante ist der Antrieb durch einen Zahnradantrieb realisiert, wobei als Kraftquelle die Nockenwelle 16 dient. In Figur 3 ist diese mechanische Antriebsvariante schematisch dargestellt. In zwei gegenüberliegenden Schaufeln des Schaufelrades 10 sind in axial verlaufenden Bohrungen 27,28 zwei Stifte 17,18 verschiebbar geführt. Je nach dem kann auch ein einzelner solcher Stift genügen, oder man wählt eine Mehrzahl. Im hier gezeigten Moment, in dem das Ventil 30 betätigt ist und das Schaufelrad 10 in den Verbrennungsraum hineinragt, enden diese Stifte 17,18 schon nach einem kurzen Weg in den axialen Bohrungen 27,28 im Schaufelrad. Wenn das Ventil 30 eingefahren wird, wird das Schaufelrad 10 weiter über die beiden Stifte 17,18 gestülpt. Oben an der Mündung der Ventilschaftführung 29 ist ein Zahnrad 19 um den Ventilschaft drehbar gelagert angeordnet. In diesem Zahnrad 19 sind die Stifte 17,18 fest verankert, sodass sie also mit dem Zahnrad 19 mitdrehen. Dadurch kann dieses Zahnrad über die Stifte 17,18 das Schaufelrad 10 platzsparend antreiben. Das Zahnrad 19 steht mit einem weiteren Stirn-Zahnrad 20 in Eingriff, das am Ende einer Antriebswelle 21 sitzt, welche durch den Zylinderkopf geführt ist. Am anderen Ende dieser als Uebertragungswelle 21 dienenden Antriebswelle 21 sitzt ein Kegel-Zahnrad 22, das im Eingriff mit einem weiteren Kegelzahnrad 23 ist, das selbst über ebenfalls ein Kegelzahnrad 24 und eine Abtriebswelle 25 von einem auf der Nockenwelle 16 sitzenden Kegelrad 26 angetrieben wird. Der Antriebsmechanismus kann nach diesem Prinzip auch in so einer Weise gestaltet sein, dass eine einzige Abtriebswelle eine Seitenwelle antreibt, die mehrere Kegelräder für jedes zu bedienende Ventil antreibt. Die Uebersetzungsverhältnisse an sich sind hier nicht dargestellt, sondern nur ein mögliches Antriebsprinzip. Diese Uebersetzungsverhältnisse können je nach Bedarf ausgelegt werden, sodass sichergestellt wird, dass bei allen Drehzahlen eine bessere Verwirbelung erzielt wird. Bei der mechanischen Antriebsversion wie hier beschrieben ergibt sich ein bestimmtes Uebersetzungsverhältnis zwischen der Nockenwelle und dem Schaufelrad. Linear zum Anstieg der Drehzahl des Motors steigt entsprechend die Drehzahl des Schaufelrades.
In einer anderen Antriebsvariante ist die Welle 21 oder die Welle 25 von einem Elektromotor angetrieben. Der Elektromotor kann in gleicher Weise eine einzige Abtriebswelle antreiben, welche ihrerseits eine Seitenwelle antreibt, die mehrere Kegelräder für jedes zu bedienende Ventil antreibt. Diese Variante bietet den Vorteil, dass die Drehzahl des Schaufelrades unabhängig von der Motordrehzahl reguliert werden kann. Hierzu kann sogar eine Mikroprozessor-Steuerung eingesetzt werden, welche mehrere geeignete Parameter berücksichtigt. Dadurch kann die Drehzahl des Schaufelrades noch weiter optimiert werden, um in jedem Betriebszustand des Motors eine gute Verwirbelung zu erzielen.
Die Figur 4 zeigt eine weitere Variante der erfindungsgemässen Vorrichtung, bei der das Schaufelrad 10 berührungslos angetrieben wird. In einer Ausnehmung 31 im Zylinderkopf 2, etwa auf der Höhe des Schaufelrades 10, ist um die Achse 34, die ungefähr parallel zur Längsachse des Ventilschafts 8 verläuft, ein magnetisches Rad 32 angeordnet. Die Ausnehmung 31 im Zylinderkopf ist gerade so tief, dass das Magnetrad 32 vom Schaufelrad 10 nur durch eine dünne Wand des Zylinderkopfes 2 im Bereich des Einlasskanals abgetrennt ist. Auf das Schaufelrad 10, das aus magnetischem Material gefertigt ist, und aus einzelnen Segmenten besteht, wirken die Magnetfelder des Magnetrades 32. Am rechten oberen Bildrand ist das Magnetrad 32 perspektivisch dargestellt. Am Umfang des Magnetrades sind mehrere kreissegmentförmige Magnete mit wechselweiser Polung angeordnet, was in der Zeichnung mit (+) beziehungsweise (-) angedeutet ist. Die Nord- Südachsen der einzelnen Segmente verlaufen radial bezüglich des Magnetrades 32. Im Ruhezustand, wenn das Magnetrad 32 nicht rotiert, wird die dem Magnetrad 32 nächstgelegene Schaufel des Schaufelrades 10 angezogen. Wird nun das Magnetrad 32 gedreht, so wird durch das Drehmoment, das durch die Magnetkraft auf diese nächstgelegene Schaufel des Schaufelrades 10 wirkt, das Schaufelrad ebenfalls gedreht. Bei der Drehung wird nun der Abstand zwischen dem Magneten des Magnetrades 32 und der Schaufel des Schaufelrades 10 zunächst immer kleiner, und dann wieder gösser, gleichzeitig nimmt aber der Abstand des nächsten Magnetsegments mit umgekehrter Polung zur nächstfolgenden Schaufel des Schaufelrades 10 ab, das heisst, die Anziehungskraft nimmt zu und dieser Magnet übt nun seinerseits mit seiner Magnetkraft ein Drehmoment auf diese nachfolgende Schaufel des Schaufelrades 10 aus. Wird also das Magnetrad 32 in Rotation versetzt, so rotiert das Schaufelrad 10 durch die wechselnden Magnetfelder des Magnetrades 32 ebenfalls. Der Antrieb des Magnetrades 32 kann zum Beispiel über das mit der Achse 34 fest verbundene Riemenrad 33 durch einen Elektromotor erfolgen. Die Drehzahl des Elektromotors ist unabhängig vom Verbrennungsmotor mittels einer konventionellen elektronischen Steuerung einstellbar und damit ist auch die Drehzahl des Schaufelrades regulierbar.
Grundsätzlich wird der angesaugten Luft, welche durch das Ventil 4 strömt und in Figur 2 mit Pfeilen angedeutet ist, infolge der raschen Drehung des Schaufelrades 10 eine Rotation überlagert, welche eine starke Verwirbelung der Ansaugluft in der Brennkammer bewirkt. Je nach dem, wie das Schaufelrad 10 angetrieben wird, kann dessen Umdrehungsgeschwindigkeit zum Beispiel auch in Abhängigkeit von der angesaugten Luftmenge variiert werden. Das Schaufelrad 10 selbst wird von der Ansaugluft laufend gekühlt und vom Treibstoff auch geschmiert. Je nach Anordnung des Einlassventiles 4 und je nach Geometrie des Verbrennungsraumes kann sich die eine oder andere Umdrehungsrichtung zur Erzielung einer optimalen Verwirbelung als vorteihafter erweisen. Im hier gezeigten Fall sind die Schaufeln so angeordnet, dass sich das Schaufelrad 10 im Betrieb von oben gesehen im Uhrzeigersinn dreht. Praktische Versuche und Messungen der Verbrennungsabläufe mit Lasertechnologie wie in der Beschreibungseinleitung erwähnt ermöglichen es, die Ausgestaltung des Schaufelrades 10 zu bestimmen, das heisst seine Höhe, seine Schaufelgeometrie und Schaufelanzahl sowie die Umdrehungsrichtung und Drehzahl. In Figur 2 ist ausserdem die Treibstoffeinspritzung gezeigt, wie sie bei einem Einspritzmotor realisiert werden kann. Die Einspritzdüse 15 für den Treibstoff ist so im Zylinderkopf angeordnet, dass der Treibstoff, sei es Benzin oder Diesel, direkt auf das sich drehende Schaufelrad 10 gespritzt wird. Dort prallt er an den sich rasch drehenden Radschaufeln ab und wird dadurch hyperfein vernebelt und in der anschliessenden Verwirbelung innig mit der Luft gemischt. Im Gegensatz dazu strömt bei Vergasermotoren bereits ein Treibstoff-Luft-Gemisch durch das Einlassventil. Dieses wird ebenfalls mittels des Schaufelrades 10 stark verfeinert und dadurch inniger vermischt. Insgesamt wird mit der erfindungsgemässen Vorrichtung die Verbrennung effizienter. Das bedeutet an einem bestehenden Motor bei einer bestimmten Leistung einen reduzierten TreibstoffVerbrauch oder aber auch eine gesteigerte Leistung bei einem vorausgesetzten Treibstoffverbrauch. Bei hohen Motordrehzahlen setzt der Effekt bei mechanischem Antrieb besonders spürbar ein, weil dann die Drehzahl des Schaufelrades 10 am Einlassventil 4 am höchsten ist. Gleichzeitig ist bei hohen Tourenzahlen die Verwirbelung und Vermischung von Treibstoff und Luft ohnehin kritischer, weil weniger Zeit dafür zur Verfügung steht. Hier setzt die Vorrichtung ein und wirkt kompensierend auf den Zeitdruck für die Vermischung. Die Vorrichtung ist im praktischen Motorenbau höchst einfach zu realisieren. Sie bedarf keiner grundlegenden Aenderungen am Motorkonzept, sondern stellt bloss einen Zusatz an der bestehenden Ventilkonstruktion dar, wobei ein bestehender Zylinderkopf nur geringfügig modifiziert werden muss, indem der Raum im Bereich oberhalb des Ventilsitzes etwas tiefer ausgedreht werden muss. Das Schaufelrad 10 selbst ist von so geringer Masse, dass die Trägheit des Ventils 4 kaum verändert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Durchmischung von Luft und Treibstoff im Brennraum eines Verbrennungsmotors, dessen Gaswechsel über Ein- (4) und Auslassventile (5) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaufelrad (10) unmittelbar hinter dem Ventilteller (6) am Ventilschaft (8) des Einlassventils (4) drehbar gelagert ist, sodass die angesaugte Luft bei betätigtem Ventil (4) zwischen Ventilteller (6) und Ventilsitz (12) durch das Schaufelrad (10) strömen muss.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (10) mechanisch von der Nockenwelle angetrieben ist, indem ein Zahnrad (19) um die Ventil- fuhrung drehbar gelagert ist, welches an seiner Peripherie wenigstens einen in axialer Richtung verlaufenden Stift (17,18) aufweist, welcher das Schaufelrad (10) in entsprechenden axialen Bohrungen verschiebbar durchsetzt, und dass das Zahnrad (19) mit einem weiteren Zahnrad (20) in Eingriff steht, welches über Wellen (21,35) mit Kegelrädern (22,23 ;24,26) von der Nockenwelle (16) angetrieben ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (16) nur an einer Stelle ein Kegelrad (26) trägt, und dass über dieses Kegelrad (26) eine Seitenwelle über weitere Kegelzahnräder angetrieben ist, die parallel zur Nockenwelle verläuft und mehrere Kegelzahnräder trägt, über welche die einzelnen Schaufelräder (10) an den einzelnen Ventilen über je eine parallel zum Ventil verlaufende Uebertragungswelle (21) mit Kegelzahnrad (22) und Stirnzahnrad (20) angetrieben sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (10) elektrisch angetrieben ist, indem ein Zahnrad (19) um die Ventilführung drehbar gelagert ist, welches an seiner Peripherie wenigstens einen in axialer Richtung verlaufenden Stift (17,18) aufweist, welcher das Schaufelrad (10) in entsprechenden axialen Bohrungen verschiebbar durchsetzt, und dass das Zahnrad (19) mit einem weiteren Zahnrad (20) in Eingriff steht, welches von einem eigenen Elektromotor angetrieben ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (19) mit einem weiteren Zahnrad (20) in Eingriff steht, welches über Wellen mit Kegelrädern von einem einzigen Elektromotor für mehrere Schaufelräder (10) angetrieben ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (10) mit einer INOX-Sicherungsscheibe (14), die in eine Kreisnut am Ventilschaft (8) eingreift, an diesem gesichert ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Einspritzmotors die Einspritzdüse (15) in der Weise im Zylinderkopf (2) angeordnet ist, dass bei betätigtem Einlassventil (4) der eingespritzte Treibstoff direkt auf das sich drehende Schaufelrad (10) prallt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (32-34) zum berührungslosen Antreiben des Schaufelrades (10) vorhanden sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (32-34) ein neben dem Schaufelrad (10) angeordnetes, von diesem durch die Wand des Einlasskanals abgetrenntes magnetisches Rad (32) einschliessen, über dessen Umfang verteilt mehrere Magnete mit wechselweiser Polung angeordnet sind, sodass deren Nord-Südachse je längs der Radialen des Rades (32) verläuft, sowie dass das Magnetrad elektrisch antreibbar ist.
GEÄNDERTE ANSPRÜCHE
[beim Internationalen Büro am 25. März 1998 (25.03.98) eingegangen; ursprüngliche Ansprüche 1-9 durch neue Ansprüche 1-8 ersetzt
(3 Seiten)]
1. Vorrichtung zur Durchmischung von Luft und Treibstoff im Brennraum eines Verbrennungsmotors, dessen Gaswechsel über Ein- (4) und Auslassventile (5) erfolgt, wobei ein Schaufelrad (10) unmittelbar hinter dem Ventilteller (6) am Ventilschaft (8) des Einlassventils (4) drehbar gelagert ist, sodass die angesaugte Luft bei betätigtem Ventil (4) zwischen Ventilteller (6) und Ventilsitz (12) durch das Schaufelrad (10) strömen muss, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Mittel (32-34) zum berührungslosen Antreiben des Schaufelrades (10) vorhanden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Mittel (32-34) ein neben dem Schaufelrad (10) angeordnetes, von diesem durch die Wand des Einlasskanals abgetrenntes magnetisches Rad (32) einschliessen, über dessen Umfang verteilt mehrere Magnete mit wechselweiser Polung angeordnet sind, sodass deren Nord- Südachse je längs der Radialen des Rades (32) verläuft, sowie dass das Magnetrad elektrisch antreibbar ist.
3. Vorrichtung zur Durchmischung von Luft und Treibstoff im Brennraum eines Verbrennungsmotors, dessen Gaswechsel über Ein- (4) und Auslassventile (5) erfolgt, wobei ein Schaufelrad (10) unmittelbar hinter dem Ventilteller (6) am Ventilschaft (8) des Einlassventils (4) drehbar gelagert ist, sodass die angesaugte Luft bei betätigtem Ventil (4) zwischen Ventilteller (6) und Ventilsitz (12) durch das Schaufelrad (10) strömen muss, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (10) mechanisch von der Nockenwelle angetrieben ist, indem ein Zahnrad (19) um die Ventilführung drehbar gelagert ist, welches an seiner Peripherie wenigstens einen in axialer Richtung verlaufenden Stift (17,18) aufweist, welcher das Schaufelrad (10) in entsprechenden axialen Bohrungen verschiebbar durchsetzt, und dass das Zahnrad (19) mit einem weiteren Zahnrad (20) in Eingriff steht, welches über Wellen (21 ,35) mit Kegelrädern (22,23;24,26) von der Nockenwelle (16) angetrieben ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (16) nur an einer Stelle ein Kegelrad (26) trägt, und dass über dieses Kegelrad (26) eine Seitenwelle über weitere Kegelzahnräder angetrieben ist, die parallel zur Nockenwelle verläuft und mehrere Kegelzahnräder trägt, über welche die einzelnen Schaufelräder (10) an den einzelnen Ventilen über je eine parallel zum Ventil verlaufende Uebertragungswelle (21 ) mit Kegelzahnrad (22) und Stirnzahnrad (20) angetrieben sind.
5. Vorrichtung zur Durchmischung von Luft und Treibstoff im Brennraum eines Verbrennungsmotors, dessen Gaswechsel über Ein- (4) und Auslassventile (5) erfolgt, wobei ein Schaufelrad (10) unmittelbar hinter dem Ventilteller (6) am Ventilschaft (8) des Einlassventils (4) drehbar gelagert ist, sodass die angesaugte Luft bei betätigtem Ventil (4) zwischen Ventilteller (6) und Ventilsitz (12) durch das Schaufelrad (10) strömen muss, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (10) elektrisch angetrieben ist, indem ein Zahnrad (19) um die Ventilführung drehbar gelagert ist, welches an seiner Peripherie wenigstens einen in axialer Richtung verlaufenden Stift (17,18) aufweist, welcher das Schaufelrad (10) in entsprechenden axialen Bohrungen verschiebbar durchsetzt, und dass das Zahnrad (19) mit einem weiteren Zahnrad (20) in Eingriff steht, welches von einem eigenen Elektromotor angetrieben ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (19) mit einem weiteren Zahnrad (20) in Eingriff steht, welches über Wellen mit Kegelrädern von einem einzigen Elektromotor für mehrere Schaufelräder (10) angetrieben ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelrad (10) mit einer INOX- Sicherungsscheibe (14), die in eine Kreisnut am Ventilschaft (8) eingreift, an diesem gesichert ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Einspritzmotors die Einspritzdüse (15) in der Weise im Zylinderkopf (2) angeordnet ist, dass bei betätigtem Einlassventil (4) der eingespritzte Treibstoff direkt auf das sich drehende Schaufelrad (10) prallt.
IN ARTIKEL 19 GENANNTE ERKLÄRUNG
Nachdem sich aus dem Recherchenbericht ergeben hat, dass der Gegenstand des bisherigen unabhängigen Patentanspruches schon bekannt ist, wurde dieser unabhängige Patentanspruch durch die neuen je unabhängigen Patentansprüche 1 , 3 und 5 ersetzt, welche sich je auf gesonderte Antriebsmittel für den Antrieb des zunächst beanspruchten Schaufelrades richten. Da kein gemeinsames Merkmal für einen einzigen unabhängigen Patentanspruch gefunden werden konnte, weist die Anmeldung nun drei unabhängige Patentansprüche auf, die jedoch alle in der ursprünglichen Beschreibung eine Basis haben und eine gemeinsame erfinderische Idee verwicklichen, nämlich ein am Ventilschaft gelagertes Schaufelrad anzutreiben.
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