DE3150919C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verringerung der Selbstzündungsneigung in einer Verbrennungskraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Verbrennungskraftmaschinen (Motoren) und die darin zu ver­ brennenden Treibstoffe haben in den letzten Jahren einen be­ trächtlichen Wandel erfahren. Die zur Zeit in Kraftfahrzeugen verwendeten Verbrennungskraftmaschinen haben merklich ver­ ringerte Ausmaße, um das Gewicht des Motors zu verringern. Diese Motoren sind so konstruiert, daß sie pro Gewichtsein­ heit höhere Leistungen als die früheren Motoren erreichen. Gleichzeitig sind die Rezepturen für Treibstoffe zum Betrieb solcher Motoren umgestellt worden, um die Verbrennung inner­ halb eines Motors zu verbessern und die Emissionen zu ver­ ringern, die sonst zu unerwünschten Luftverschmutzungen bei­ tragen könnten. Das Zusammenwirken der an den Motoren und am Treibstoff vorgenommenen Änderungen hat auch die Bedingungen für das Zustandekommen der Motorleistung geändert. Während es in früheren Jahren z. B. möglich war, eine erhöhte Leistung mit einer bestimmten Konstruktion dadurch zu erzielen, daß das Kompressionsverhältnis erhöht und ein Treibstoff mit höherer Ok­ tanzahl benutzt wurde, ist es jetzt wirtschaftlich schwieriger geworden, aus den verfügbaren Rohölen Treibstoffe mit der er­ forderlichen hohen Oktanzahl zu erzeugen, und die Verwendung von die Oktanzahl erhöhenden Additiven ist erheblich einge­ schränkt worden. Dies hat zu Bemühungen geführt, auf anderen Wegen eine Steigerung der Motorleistung mit verfügbaren Treib­ stoffen zu erreichen.

Es ist bekannt, daß die Leistung einer Verbrennungskraftma­ schine erhöht werden kann, indem die Temperatur der zuge­ führten Treibstoffmenge verringert wird. Hierzu wird auf die Veröffentlichung des National Advisory Committee for Aeronautics verwiesen, Technical Note No. 839, "Rise in Temperature of the Charge in its Passage through the Inlet Valve and Port of an Air-Cooled Aircraft Engine Cylinder", verfaßt von J.E. Forbes und E.S. Taylor, 1942.

Bekannte Motoren sind zum Zweck der Kühlung der in den Motor einzuführenden Treibstoffmenge mit einem besonders konstru­ ierten Ansaugverteiler und Ventilsitz für das Ansaugventil ausgestattet. Mit einem solchen Verteiler wird bezweckt, für einen wirksamen Treibstoffweg von der Treibstoffquelle zur Verbrennungszone und für eine derartige Ventilverschließung zu sorgen, daß eine vollständige Abdichtung der Verbrennungs­ zone von der Kompression des Treibstoffgemisches in der Ver­ brennungskammer erreicht wird. Diese besonderen Konstruktionen der Ansaugverteiler und Ventilsitze haben eine Ventilsitz­ kühlung ermöglicht, die eine Verwerfung des Ventilsitzes und die daraus folgende unvollständige Abdichtung und einen ent­ sprechenden Kompressionsverlust in der Verbrennungskammer ver­ meidet.

Eine gewisse Aufmerksamkeit ist auch auf die Ausführung des Ansaugventiles gerichtet worden, um für Wärmezerstreuung zu sorgen. Diese Aufmerksamkeit betraf aber die Abfuhr von Wärme, um Schaden an dem Ventil zu vermeiden und die richtige Funktion des Ventilsitzes zu gewährleisten, und demnach nicht die Steu­ erung der Temperatur der einzuführenden Kraftstoffmenge.

Es ist z. B. aus den US PS 16 70 965 oder US 37 01 342 bekannt, kühlende Ventile vorzusehen, die den Schutz des Ventils vor Überhitzung dienen, wie es insbesondere leicht bei Auslaß­ ventilen auftreten kann.

Es ist auch bekannt Abgasventile mit hohlem Schaft und Kopf auszuführen, um eine innere Kammer zu bilden, die ein Kühl­ mittel aufnimmt, siehe die US-PS 38 71 339 und 41 64 957.

Zur Kühlung sind bei derartigen Ventilen im Inneren des Ven­ tils eingeschlossene Flüssigkeiten verwendet, die durch Ver­ dampfung und Kondensation eine Schaftkühlung des Ventils be­ wirken und damit die empfindlichen Bereiche des Ventils schützen.

Bei allen diesen bekannten Konstruktionen besteht der Zweck darin, das Ventil selbst zu kühlen, um Schaden am Ventil zu vermeiden.

Schließlich ist es bekannt, daß die Selbstzündung der Treib­ stoffmenge in einer Verbrennungskraftmaschine zu einer Ver­ ringerung des Motorwirkungsgrades führt. Bei mit Zündkerzen­ zündung arbeitenden Maschinen ist die Selbstzündung die äu­ ßerst schnelle Verbrennung des letzten Teiles der in der Verbrennungskammer zu verbrennenden Treibstoffmenge. Wenn Selbstzündung auftritt, führt das zu einem schnellen Anstieg des Verbrennungskammerdruckes über den der normalen Verbren­ nung hinaus und verursacht hochfrequente Druckschwankungen und einen hörbaren Ton, der als Klopfen bezeichnet wird. Beim Klopfen werden große Wärmemengen auf Motorteile über­ tragen, wodurch sich ein Leistungsverlust ergibt. Bei häu­ figem Klopfen kann auch der Motor Schaden erleiden.

In dem eingangs erwähnten technischen Aufsatz wird festge­ stellt, daß eine Verringerung in der durchschnittlichen Ven­ til- und Sitz-Temperatur von etwa 25°C zu einer Verringerung der Temperatur der Treibstoffmenge im Testmotor von etwa 2,8°C geführt hat und dies eine Erhöhung des mittleren wirk­ samen Druckes für die zugeführte Treibstoffmenge bewirkte, während die Neigung zum Klopfen konstant blieb. Daraus wurde geschlossen, daß bei einer Verringerung in der Temperatur am Einlaßventil und Sitz von etwa 5,5°C eine Erhöhung der Leistung von etwa 0,7% möglich wäre, ohne die Neigung zum Klopfen zu erhöhen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verringerung der Selbstzündungsneigung in einer Verbrennungskraftmaschine bei gleicher Leistung oder bei Verwendung eines Treibstoffes geringerer Oktanzahl anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Er­ findung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Ansaug-Kraft­ stoffmenge auf einfache Weise so weit gekühlt werden, daß die Selbstzündungsneigung bei gleich hoher Leistung der Ver­ brennungskraftmaschine verringert ist. Es können aber bei gleicher Leistung auch Kraftstoffe mit geringerer Oktanzahl verwendet werden, ohne daß sich die Selbstzündungsneigung erhöhen würde.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Teil eines Schnittes durch einen Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine mit dem Treib­ stoff-Ansaugkanal und einem Ansaugventil in dem Kanal,

Fig. 2 einen Teil eines vergrößerten Schnittes durch das Ventil nach der Erfindung und

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie A-A der Fig. 2.

Die Teildarstellung eines Schnittes durch den Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine, Fig. 1, zeigt einen Kol­ ben 10, der in üblicher Weise in einem Zylinder 11 ange­ ordnet ist und die Kompression in einer Verbrennungskammer bewirkt, die von dem Block 12 und dem Kopf 13 gebildet wird, zwischen denen eine übliche Dichtung 14 angeordnet ist, die Block und Kopf trennt. Zur Verbrennungskammer gehört der Teil 15 innerhalb des Kopfes, wo die Verbrennung tatsächlich stattfindet.

Ein Treibstoff-Ansaugsystem 16 ist durch einen üblichen Ansaugverteiler und Vergaser an einen Treibstoffvorrat angeschlossen, wobei aber Verteiler und Vergaser hier nicht dargestellt sind. Ein Ansaugventil 17, das einen Schaftabschnitt 18 und einen Kopfabschnitt 19 hat, ar­ beitet in dem Zylinderkopf innerhalb der Verbrennungs­ kammer 15 und schließt an einem Ventilsitz 21, der inner­ halb des Kopfes 13 befestigt ist. Der Schaftabschnitt 18 arbeitet in einer Ventilführung 22, die durch den Kopf 13 zwischen dem Treibstoffansaugsystem und einem Bereich 23 sich erstreckt, indem sich die Ventilbetätigungsmittel be­ finden, die üblicherweise mit einer nicht dargestellten Haube überdeckt sind.

Das Ende des Ventilschaftes 18 im Bereich 23 ist in Be­ rührung mit einer Ventilbetätigungsvorrichtung 24, die bei üblichen Verbrennungskraftmaschinen während des Be­ triebes durch eine Nockenvorrichtung synchron mit der Ar­ beit des Kolbens 10 innerhalb der Verbrennungskammer 15 hin- und herbewegt wird. Die Vorrichtung 24 drückt gegen das Ende des Ventilschaftes, um das Ventil in der Ver­ brennungskammer und mit Bezug auf den Ventilsitz 21 auf- und niederzubewegen.

Das Ventil ist auf eine Schließstellung, bei der der Ven­ tilkopf 19 in Berührung mit dem Ventilsitz 21 ist, durch die Spannung einer Ventilfeder 25 vorgespannt, die an ihrem einen Ende gegen die Außenfläche des Kopfes 13 und mit ihrem anderen Ende gegen einen Federbund 26 drückt, der seinerseits durch eine Haltescheibe 27, die in das Ende des Schaftes 18 das Ventiles eingreift, an seiner Stelle gehalten wird.

Das hier dargestellte Ventil hat zusätzlich eine Wärme­ austauschvorrichtung 28, die am Ende des Ventilschaftes im Bereich der Ventilbetätigungsmittel angeordnet ist und deren Wirkungsweise nachfolgend beschrieben wird.

Fig. 2 ist eine vergrößerte und teilweise als Schnitt ge­ zeigte Darstellung des erfindungsgemäßen, in diesem Fall aus der Brennkraftmaschine herausgenommenen Ventils. Da­ bei sind ein Teil der Feder, des Bundes und der Haltevor­ richtung punktiert gezeichnet, damit das eigentliche Ven­ til deutlicher hervortritt. Das Ventil weist eine Innen­ kammer 31 auf, die von der Kappe 32 und dem übrigen Kopf 19 begrenzt wird. Der Schaft 18 enthält einen inneren hohlen Kanal 33, der mit der Innenkammer 31 im Ventil­ kopf verbunden ist und sich über die gesamte Länge des Schaftes mit Ausnahme eines kleinen Abschnittes am oberen Ende erstreckt, an dem die Ventilbetätigungsvorrichtung 24 den Schaft berührt. Die Wandfläche der inneren Kammer 31 und des inneren Kanals 33 ist mit einem dochtartigen Ma­ terial 54 bedeckt, und die Kammer und der Kanal sind her­ metisch abgedichtet, so daß ein Kühlmaterial 35 darin ein­ geschlossen wird.

Das Ende des Ventils am zum Kopfende entgegengesetzten Schaftende ist mit einam äußeren Wärmeaustauscher 56 ver­ sehen, der mit mehreren ringförmigen Rippen 37 ausge­ bildet ist, die mit Abständen axial entlang dem Wärme­ austauscher liegen. Der Wärmeaustauschar kann dauerhaft am Schaft des Ventils, z. B. durch Preßsitz, befestigt sein. Statt dessen kann der Wärmeaustauscher am Schaft des Ventils durch Sprengringe 38 und 39 befestigt werden, die am Boden und oberen Ende des Austauschers, bezogen auf Fig. 2, sitzen. Die Sprengringe greifen in Schlitze ein, die in den Schaft des Ventils eingeschnitten sind, so daß der Wärmeaustauscher auf das Ventil aufgesetzt werden kann, nachdem es im Kopf der Verbrennungskraft­ maschine eingebaut worden ist.

Das nach der Erfindung vorgesehene Ventil bildet ein Mittel, um die Wärmeübertragung auf die Treibstoffmenge zu verhindern, die durch den Ansaugverteiler in die Ver­ brennungskammer 15 des Motors überführt wird. Das Kühl­ material 35 in der inneren Kammer 31 und dem inneren Kanal 33 ist gewöhnlich eine Flüssigkeit und in diesem Zustand in Kontakt mit dem Kopf des Ventils in Kammer 31. Das Kühlmittel wird durch die Ventilkappe 32 geheizt, die ihrerseits durch den Verbrennungsvorgang innerhalb der Verbrennungskammer 15 geheizt wird. Das Kühlmittel hat einen niedrigen Dampfdruck und ist zunächst bei Umgebungs­ temparatur flüssig. Nachdem es jedoch durch die in der Ver­ brennungskammer erzeugte Wärme aufgeheizt worden ist, steigt der Dampfdruck und ein Teil des Kühlmittels wird verdampft und bildet eine Dampf-Phase 41 in dem oberen Bereich des Schaftes 18. Der äußere Wärmeaustauscher 36 wird durch das Schmiermittel innerhalb des die Ventil­ betätigungsmittel enthaltenen Bereiches gekühlt, ins­ besondere durch die durch diesen Bereich hindurchgehenden Schmieröle. Der Wärmeaustauscher zieht die Wärme vom Ventilschaft und aus dem verdampften Kühlmaterial ab und bringt das Material zur Kondensation auf dem Docht­ material 34. In kondensierter Form wandert das Kühl­ material im Dochtmaterial vom oberen Ende des Schaftes nach dem Kopfende des Ventils und wird durch die Kappe 32 erneut bis zur Verdampfung aufgeheizt, wobei sich dieser Zyklus wiederholt. Wenn das Kühlmittel an dem Dochtmaterial entlang fließt, wird der Halsabschnitt 42 des Ventils gekühlt oder auf der Temperatur des kondensierten Kühl­ mittels gehalten. In dem hier angewandeten Sinne ist "gekühlt" ein relativer Begriff, der bedeutet, daß die Oberfläche des Halsabschnittes kühler als die Oberfläche des Kappenabschnittes des Ventils ist, verursacht durch die Verdampfungs- und Kondensationsvorgänge.

Die innere Kammer 31, der innere Kanal 33 und das Docht­ material 34 wirken als Wärmeabfluß innerhalb des Ventils. Solange sowohl eine flüssige als auch eine Dampf-Phase des Kühlmittels vorhanden ist, sind sie beide auf der­ selben Temperatur, während die Kappe 32 des Ventils und der Halsabschnitt 42 aufgrund der Arbeitsweise des Wärme­ abflusses auf verschiedenen Temperaturen sind.

Die Ansaugkraftstoffmenge, die durch den Ansaugkanal 16 hindurch in die Verbrennungskammer 15 eingeführt wird, passiert den Halsabschnitt 42 des Ventils und wird ge­ kühlt oder gehindert, zusätzliche Wärme aufzunehmen, be­ vor sie in die Verbrennungskammer eintritt. Wie in der Einleitung erwähnt, ermöglicht ein Verfahren zur Verrin­ gerung der Temperatur der Kraftstoffmenge eine Erhöhung im mittleren wirksamen Druck für die eingeführte Kraft­ stoffmenge, während die Neigung zur Selbstzündung konstant gehalten wird. In dieser Hinsicht ermöglicht die Ver­ ringerung in der Temperatur der einzuführenden Kraftstoff­ menge eine merkliche Erhöhung in der Leistung, die durch den Zündungsvorgang in der Verbrennungskammer erzeugt wird, ohne daß die Neigung zur Selbstzündung erhöht wird. Falls es also möglich ist, eine Erhöhung in der Temperatur der einzuführenden Treibstoffmenge zu verhindern, ist es auch möglich, bei einer mit Zündkerzenzündung arbeitenden Verbrennungskraftmaschine dieselbe Leistung mit einem Kraftstoff zu erzielen, der eine niedrigere Oktanzahl auf­ weist, wobei trotzdem die bislang zu erwartende Neigung zur Selbstzündung vermieden wird. Die Selbstzündung ist als ein Vorgang bekannt, durch den die wirksame Leistung des Verbrennungsvorganges verringert und der Wirkungsgrad des Motors vermindert wird.

Das Ventil ermöglicht, die Wärmeübertragung auf die an­ gesaugte Kraftstoffmenge am Ansaugventil der Verbrennungs­ kraftmaschine zu vermeiden. Damit wird die wirksame Leistung gesteigert, während die Neigung zur Selbstzün­ dung vermindert wird. Diese Verminderung in der Neigung zur Selbstzündung wird erreicht, ohne daß der Treibstoff geändert oder das Kompressonsverhältnis für die betreffen­ de Verbrennungskammer verringert zu werden braucht. Alle diese Verbesserungen ermöglichen eine merkliche Erhöhung im Wirkungsgrad, den ein Motor mit Bezug auf einen Kraft­ stoff hat, und daher eine Verringerung im Kraftstoffver­ brauch.

Es ist vorgesehen, daß das Ventil mit dem Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine in der Weise zusammenge­ baut wird, daß das Ventil von der Seite der Verbrennungs­ kammer her eingesetzt und der äußere Wärmeaustauscher auf den Ventilschaft im Bereich der das Ventil betätigenden Vorrichtung aufgesetzt wird, nachdem der Schaft in die Ventilschaftführung 22 eingesetzt worden ist. Der Feder­ bund und die Haltescheibe können danach aufgesetzt werden, um das Ventil gegen den Ventilsatz gespannt zu halten.

Das Ventil 11 wird vorzugsweise in Teilen aus einem hohlen Schaftmaterial und einem hohlen Kopf hergestellt. Das Dochtmaterial wird eingesetzt, bevor die Teile dauerhaft zusammengefügt werden. Das Dochtmaterial kann ein Draht­ geflecht oder ein anderes, gewebtes Material sein, das mit dem Kühlmittel verträglich ist und die Temperaturen aushält, die in dem Motor auftreten. Die Teile des Ven­ tils können durch irgendein Schweißverfahren, einschl. dem Trägheits-Reibungsschweißen, aneinander gefügt werden.

Claims (3)

1. Verfahren zur Verringerung der Selbstzündungsneigung in einer Verbrennungskraftmaschine, gekennzeichnet durch die Verwendung eines die Ansaug-Kraftstoffmenge kühlenden Ansaugventils.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung des Ansaugventils durch Verdampfung und Konden­ sierung eines im Ventil umlaufenden Kühlmittels erfolgt.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansaug-Kraftstoffmenge an dem Teil des Ansaugventils entlang geführt wird, der durch das im Ansaugventil konden­ sierte Kühlmittel gekühlt wird.