DK147380B - Totaktsforbraendingsmotor med drejeligt oscillerende ventilglider til styring af skylning og ladning - Google Patents

Description

147380 i 1 Opfindelsen angår én totalets forbrændingsmotor med drejeligt oscillerende ventilglider til styring af skylning ©g ladn^ig, navnlig dieselmotorer, og af den i krav l’s indledning angivne art.

5

Som bekendt opnås der en optimal skylning og. fyldning af cylindrene i totaktsforbrændingsmotorer med luft eller en brændstof-luftblanding teoretisk, når en maksimal skylleluftmængde strømmer ind i cylinderrummet 10 som en luftpude, der fungerer som et lukket fortræn-gerstempel, der trykker den i cylinderrummet værende forbrændingsgas ud. Hertil er det nødvendigt, at åbningen af luftkanalerne giver en maksimal netto-gennem-strømningsflade - denne flade er produktet af den geo-15 metriske gennemstrømningsflade og gennemstrømningskoefficienten -, og at den som fortrængerstempel fungerende luftpude i så vidt omfang som muligt forbliver samlet og sammenhængende og så lidt som muligt bliver opløst i enkeltstrømninger og/eller hvirvler, dvs den 20 blandingszone, der opstår ved indstrømningen af luft eller gasblanding i det med forbrændingsgasserne fyldte cylinderrum, skal holdes så kort som muligt.

I ingen af de hidtil kendte skyllesystemer er der 25 opnået en optimal fortrængningsskylning, ikke engang en tilnærmet optimal skylning. Ved de kendte skyllesystemer, ved hvilke luften skyller cylinderen i en i retning af cylinderens akse forløbende, aksial længdeskylning, har man fx som kendt fra beskrivelsen 30 til USA patent nr. 1.616.993, anvendt indstrømnings-slidser på cylinderkappen, hvilke slidsers åbning aktiveres af en radialglider. Ved dette system må der, som følge af den i det væsentlige radialt rettede strømning af skylleluften i indstrømningsslidserne, påtvin- 2 t47580 1 ges luften en snoning, for at forsøge at opnå en stabil, aksial strømning. Denne snoning .'eller drejning forhindrer eller vanskeliggør udformningen og dannelsen af en som fortrænger stempel, fungerende 'luftpude, 5 der jævnt udfylder cylindertværsnittet, fordi der i midten forbliver en uskyllet eller i hvert fald dårligt skyllet kerne af forbrændingsgas. Ved glidere, hvor det gennemstrømmende medium strømmer gennem en som cylinderkappe udformet glider i radialretningen, 10 vil der altid være en spalte mellem glideren og cylindervæggen, så der ved kompressionen, forbrændingen og ekspansionen i cylinderen, ikke kan opnås en ventilsædeagtig anliggen af glideren mod cylindervæggen.

Selv ved en meget nøjagtig og derved kostbar bear-15 bejdning af gliderne, kan der ikke med denne konstruktion opnås en med almindelige ventiler sammenlignelig aftætning af forbrændingsrummet.

Ved anvendelse af luftkanaler i topstykket, hvilke 20 luftkanaler har åbnelige ventiler mod forbrændingsrummet, se fx USA patentskrift nr. 2.030.732, forårsager ventilerne, der spærrer for fri indstrømning, en dobbelt afbøjning af den indstrømmende gas. Hermed indføres der sådanne forstyrrelser i form af hvirvler.

25 i den indstrømmende gas, at der ikke sker en tilstrækkelig opbygning af en luftpude, der kan fungere som et fortrængerstempel.

Fra tysk fremlæggelsesskrift nr. 1.911.617 kendes en 30 forbrændingsmotor, der har en excentrisk anbragt åbning, som bliver åbnet og lukket af en kontinuerlig roterende drejeglider. En sådan konstruktion med en excentrisk anbragt luftkanal og åbning er ikke egnet til at give en i det væsentlige jævn fordeling af skylle- og forbrændingsluft over hele cylinderens tvær- 3 147380 1 snit.

Endelig kendes, fra· tysk patent skrift, nr.·' 739.. 111 et skyllesystem med en intermitterende, men i én retning 5 fremført aksialgl'ider til en totaktsforbrændingsmotor.

Aksialglideren har et antal ge'nnemstrømningsåbninger til skylleluft, hvilke åbninger korresponderer med antallet af luftkanaler. Denne udformning tvinger luften til at foretage en snoningsbevægelse, således 10 at der ikke kan opbygges en jævn luft'pude, der fungerer som fortrængerstempel over hele cylinderrummets tværsnit. Desuden er den intermitterende, fremadskridende bevægelse af glideren fast bundet til at føres af krumtapakslen. Bortset fra den nødvendige 15 direkte kobling har denne konstruktion også den ulempe, at der skal være en forholdsmæssig stor andel af samtidighed mellem åbne- og lukkebevægelserne og luftkanalerne, således at det ikke er muligt at opnå en optimal ladning af motoren med luft- eller gas-20 blanding.

Den foreliggende opfindelse har til formål at forbedre den foran omtalte skyllemetode, så der på den ene side, så vidt som muligt, opbygges en luftpude, der 25 fungerer som fortrængerstempel, og på den anden side opnås en optimal ladning af cylinderrummet med luft eller en blanding af luft og brændstof.

Dette opnås ved at udforme motoren med en ventilglider 30 som angivet i krav l’s kendetegnende del. Herved sikres opbygningen af en som fortrængerstempel fungerende luftpude, der i det væsentlige er fri for tværafbøjninger, hvorved en snoningsfri strømning opnås. Den oscillerende bevægelse af glideventilen tillader, at den direkte kobling mellem ventilen og 4 147380 1 krumtapakslen kan undværes, og at man ved anvendelse af en servomotor, der kun tidsmæssigt styres af krumtapakslens drejning, kan manøvrere gli-deventilen , hvorved den samlede åbningstid rela-5 tivt kan nedsættes. Man får herved en forbedret ladning af cylinderrummet. Desuden giver adskillelsen mellem ventilen og krumtapakslen mulighed for en billigere konstruktion, hvorved der alligevel fås tidsmæssig korrekt åbning og luk-10 ning af ventilen.

Gennemstrømningskoefficienten er som følge af den laminare strømning forøget betydeligt, så at der i alt fås en maksimal nettogennemstrøm-15 ningsflade for den luftmængde, der indtræder i cylinderrummet. Det er således sikret, at der tilstrømmer en så stor luft eller gasblandingsmængde som muligt gennem topstykket og at dette sker i cylinderens akseretning, det vil si-20 ge uden radialkomponenter.

.De Ønskede egenskaber for strømningen kan yderligere forbedres, når indløbsprofilerne for luftkanalerne i topstykket er udformet således, at 25 der ved indstrømning i luftkanalerne opnås en afløsningsfattig strømning, og/eller når enderne ved udløbssiden af luftkanalerne eller gennemstrømningsåbningerne er udformet således, at der opnås en i retning af en homogen udskylning opti-30 mal udvidelse af den i cylinderrummet indstrømmende luftstrømning. Begge dele kan f.eks, opnås ved en let tragtformet afrunding af indløbs- el- 5 147380 1 ler udløbsåbningerne i ventilglideren eller -gliderne. En optimal udvidelse af strålerne - idet "optimal” skal forstås som en homogen udskylning - forekommer, når de stråler, der udvider sig, efter et 5 kort strømningsforløb så vidt muligt jævnt overdækker hele tværsnittet i cylinderrummet og desuden taber så meget af deres individuelle strømningsenergi, at de ikke indbyrdes forstyrrer hinanden ved omhvirvlinger.

10

Til skylning og ladning af cylinderen opnår man med ventilglideren ifølge opfindelsen en forøgelse af det såkaldte tidstværsnit, som er af stor betydning. Ud fra tidstværsnittet kan man derefter beregne det re-15 suiterende erstatningstværsnit til skyllestrømningen, hvilket tværsnit er et enkelt mål for den strømningsmodstand, der findes under skylningen. Tidstværsnit-tet, der som bekendt er det over en omdrejning af krumtapakslen bestemte integral ud fra produktet af 20 tiden og den øjeblikkelige tværsnitsflade af strømnings åbningen, afspejler således for givne styretider den modstand, der skal overvindes af skyllestrømningen. Den lader sig anskueliggøre - for den i cylinderrummet indstrømmede luftmængde - som en fla-25 de under en kurve e i fig. 4, i hvilken åbningstværsnittet for udstødsslidserne (kurve a) og for ind-strømningsåbningerne (kurve e) er skitseret i afhængighed af vinkelen d for krumtapakslen, altså afhængigt af tiden.

30

Det forøgede tidstværsnit i forhold til kendte skylle og lademetoder er ensbetydende med en betydelig reduceret strømningsmodstand i gasstrømningen. Den til 147380 6 1 skylningen krævede krumtapvinkel kan dermed gøres mindre, hvorved nytteslaget kan forlænges. Ved en fortrængning uden stor sammenblanding med skylleluften, forbliver udstødsgasserne varmere, og der fås derved 5 en højere spildgasturbineydelse og, ved en passende spildvarmeudnyttelse, en forøget totalvirkningsgrad.

Det er endvidere kendt, at fortrængningsskylningen giver en højere renhedsgrad ved et givet skylleluftover-10 skud end alle andre skyllemåder. Dette medfører, at der til forbrænding ved samme middeltryk og samme opladningstryk står mere luft til disposition, hvad der resulterer i en sænkning af de specifikke brændstofforbrug .

15

Endvidere kan der med ventilglideren ifølge opfindelsen ved styring på luftsiden - eksempelvis ved anvendelse af det kendte impuls-trykladningsprincip eller ved hjælp af mekaniske styremidler, såsom kontraklap-20 per bevirkes en efterladning af cylinderen. Impuls-trykladningsprincippet består som bekendt i, at dimensionerne for lufttilførslerne til topstykket er afstemt således efter åbningsperioden for luftindstrømnings-åbningerne i cylinderrummet, at den luftsøjle, der 25 svinger frém og tilbage i længderetningen i tilførsels-organerne, kort før lukningen af indstrømningsåbningerne, d.v.s. efter lukning af udstødsslidserne på grund af Stemplet, der bevæger sig nedefter - altså i tidsområdet n i fig. 4 - har en ind i cylinderrummet ret-30 tet halvperiode.

Et maksimalt totalåbningstværsnit for luftkanalerne og samtidig en tilstrækkelig anlægsflade over glideventil-spjældet eller -spjældene mod topstykket giver kun små 147380 7 1 muligheder for formen af luftkanalerne og af gennemstrømnings åbningerne i glideventilspjældet eller spjældene og for anbringelsen og bevægelsen af indstillingselementerne eller medbringerorganerne, gen-5 nem hvilke den oscillerende bevægelse af ventilspjældet eller spjældene overføres. For luftkanalerne anvendes der derfor - bortset fra indviklede geometriske former, der er vanskelige at fremstille - fordelagtigt cirkulære tværsnit. Herved kan man med fordel 10 udforme åbningerne som angivet i krav 2.

Endelig kan der opnås en forbedring af forbrændingen ved udformning af en i og for sig kendt torusturbulens med den foranstaltning, at ventilglideren åbner eller 15 lukker længdeboringerne i to rækker på forskellige tidspunkter som angivet i krav 5, hvilket f.eks. kan realiseres ved små geometriske forlægninger af gennemstrømningsåbningerne og af længdeboringerne i den ene • række i forhold til den anden.

20

En yderligere fordel ved ventilglideren ifølge opfindelsen er, at den ved ventiler optrædende fastklemning af faste forbrændingsrester bliver undgået, da sådanne rester altid bliver afstrøget fra åbningerne i luft-25 kanalerne ved hjælp af glideventilspjældet, til hvilket formål ventilglideren er udformet som angivet i krav ^1.

Medbringerorganerne for glideventilspjældet anbringes 30 og udformes hensigtsmæssigt således, at de ikke frembringer nogen modstand eller højst en lille modstand for strømningen. De kan f.eks. være medbringerstifter, der går gennem topstykket, og som kan gå ind gennem de tilstedeværende luftkanaler, og over hvilke ventil- 8 147380 1 glideren ligger an ved hjælp af forspændte, elastiske elementer mod topstykket. Tillige kan der for medbringer stif terne findes ekstra boringer, der er udformet således, at de tillader en større drejning i åben og/ 5 eller lukket stilling, d.v.s. bevæger sig med et vist spillerum uden anslag i topstykket. Til manøvrering af ventilglideren kan der hensigtsmæssigt anvendes enkle, hydrauliske styremidler af i handelen gængs art, da der ikke behøves anslag, som fastlægger den 10 præcise stilling af ventilglideren, idet denne fastlæggelse kan være forlagt til det hydrauliske system.

Opfindelsen forklares nærmere under henvisning til tegningen, på hvilken 15 fig. 1 viser en udførelsesform for ventilglideren ifølge opfindelsen i et længdesnit gennem en cylinder i en forbrændingsmotor efter en snitlinie I-I i fig. 2, 20 fig. 2 viser et snit efter en linie II-II i fig.

1, idet den venstre halvdel i begge figurer gengiver ventilglideren i åben stilling for luftkanalerne, medens den højre 25 side på et tidspunkt, der med hensyn til stempelbevægelsen praktisk talt ikke er forskellig - f.eks. i forhold til den venstre halvdel er umiddelbart foregående -viser indretningen med lukket ventilglider, 30 fig. 3 viser et snit efter en linie III-III i fig.

1» °S

fig. 4 viser i skitseagtig fremstilling forløbe- U7380 9 1 ne af åbningstværsnittene Q på udstød ningsslidserne (kurve a) og luftkanalerne (kurve e) i afhængighed af krumtapvinklen «og dermed i afhængighed af tiden.

5

Et forbrændings- eller cylinderrum 1 i en cylinder 2 i en ikke nærmere vist dieselmotor er tillukket opefter ved hjælp af et cylinderdæksel 3, i hvis centrum der er antydet en brændstofindsprøjtningsindret-10 ning 4. I cylinderen 2’s kappe findes der udstødsslidser 5, der bliver frigivet af stemplet 6 ved dennes nedadbevægelse og atter lukkes ved kompressionsslaget.

I cylinderdækslet 3 er der luftkanaler 7 til tilførsel 15 af luft ved dieselmotorer eller af luftbrændstofblan-ding ved Ottomotorer. Luftkanalerne 7 er anbragt i to i forhold til cylinderaksen koncentriske rækker 9 og 10, fig. 2, og udført som længdeboringer i cylinderdækslet 3. De har forskellige diametre i de to rækker 20 9 og 10. Gennem luftkanalerne bliver cylinderen 1 for bundet med et skematisk antydet luftkammer 8. Den styrede åbning og lukning af luftkanalerne sker ved hjælp af en ventilglider 11, i hvilken der findes gennemstrømningsåbninger 12, der i anbringelse, form og 25 størrelse korresponderer med luftkanalerne 7.

Ventilglideren 11 er anbragt i en ringformet fordybning 13 i cylinderdækslet 3 og fastholdt ved hjælp af medbringerorganer eller -stifter 14, der passerer 30 gennem luftkanalerne 7. Disse medbringerstifter 14 er atter båret af bladfjederlignende, elastiske indstillingsarme 15, der står under forspænding og bevirker en anliggen af ventilglideren 11 i aksial retning mod bunden af cylinderdækslet 3, selv om der i cylinder- ίο 147980 1 rummet 1 findes et undertryk.

Alle bladfjedreagtige indstillingsarme 15 er forbundne med en indstillingsbøsning 16, der er påvirket af 5 et ikke vist indstillingsdriwærk til åbning og lukning af ventilglideren 11, hvad der er antydet skematisk ved hjælp af en drejevægtstang 17. Drivværket, der fortrinsvis er en i handelen gængs hydraulisk indretning, forsætter ventilglideren 11 i en intermitterende 10 bevægelse, der svarer til motorens arbejdstakt og ved den foreliggende udførelse er oscillerende, men ved andre konstruktioner også kan være fremadskridende.

For at muliggøre et uforstyrret indløb af luften i 15 luftkanalerne 7 i cylinderdækslet 3 er bladfjedrene 15 således udformet og ført, at de - i det mindste i den åbne stilling af ventilglideren 11 - ikke tangerer tværsnittet på luftkanalerne 75 fig. 3· 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

For ikke at forstyrre strømningsforløbet er det end 2 videre nødvendigt, at medbringerstifterne 14 i ende 3 stillingerne for den oscillerende ventilglider 11 4 ligger uden for luftkanalerne 7. Derfor er der for dem 5 i cylinderdækslet 3 udført ekstra kanaler eller til- 6 lægsboringer 18, der forløber parallelt med luftkana 7 lerne 7 og af fremstillingstekniske grunde ligeledes 8 er boret, og som på en del af deres omkreds griber ind 9 over luftkanalerne 7 og er åbne hen mod dem. Ved luft 10 kanalerne 7 s gennem hvilke der under en bevægelse af 11 glideren 11 bevæger sig en medbringerstift 14 i hver luftkanal langs en cirkelbue, er medbringerne 14 på denne måde anbragt i sidekamre, der optager dem i endestillingerne for ventilglideren 11. Stillingen og diameteren af de ekstra boringer eller sidekamrene 18 er 11 tmao 1 valgt således, at medbringerstifterne 14 forsvinder fuldstændig ud af tværsnittet for luftkanalerne 7j hvorfor den cirkelbane, der skal gennemløbes af dem, må have en større diameter end den cirkel for den til-5 hørende række 9» der forbinder midtpunkterne for luft-kanalerne 7· På den anden side ligger medbringerstif-terne 14 på alle sider frit i de ekstra boringer 18, d.v.s. de slår ikke an mod boringernes vægge. Antallet af medbringerstifter 14 kan omfatte et minimum, i det 10 foreliggende tilfælde 4, indtil et maksimum, d.v.s. alle luftkanalerne 7.

Som det fremgår af fig. 2, er luftkanalerne 7 i de to rækker 9 og 10 fordelt så vidt muligt jævnt og symmet-15 risk over tværsnittet af cylinderrummet 1 eller cylinderdækslet 5» for ved hjælp af et stort antal luftstråler at opnå en fyldning af cylinderrummet 1, der er så vidt muligt jævnt over hele tværsnittet. Størrelsen og antallet af luftkanalerne 7 er dels bestemt 20 af kravet om et så stort totalåbningstværsnit som muligt for ved en given skylleluftvolumen at få så små strømningshastigheder som muligt og dermed en blød indstrømning af de enkelte stråler, dels på den anden side begrænset af den modstående fordring, at der ved 25 lukket ventilglider 11 skal findes en til aftætning af cylinderrummet 1 nødvendig overdækning mellem luft-kanalerne 7 - under indslutning af de ekstra boringer 18 - og gennemstrømningsåbningerne 12 i ventilglideren 11. Ved de viste udførelsesformer er der for anbrin-30 gelsen af luftkanalerne 7 i begge rækker 9 og 10 valgt en 8. deling, så at den oscillerende drejningsbevægelse af glideren 11 beløber sig til 22,5°.

147380 12 1 Som allerede nævnt, viser de venstre halvdele af fig.

1 og 2 en åben stilling for ventilglidéren 11, medens de højre sider gengiver stillingen af luftkanalerne 7 og 18 i forhold til gennemstrømningsåbningerne 12, når 5 glideren 11 er lukket. Af fig. 2 vil man se de i den nævnte stilling forhåndenværende overdækninger mellem luftkanalerne 7 og 18 på den ene side og gennemstrømningsåbningerne 12 i ventilglideren 11 på den anden side, idet mindsteoverdækningen mellem bo-10 ringen 18 og åbningerne 12 er givet.

Da bevægelsen af ventilglideren ikke sker direkte fra stemplet 6 eller direkte fra krumtapakslen, men alene den hydrauliske fremdrivning for drejningsbevæ-15 gelsen af ventilglideren 11 bliver styret fra krumtapakslen, kan åbningen og lukningen af glideren 11 ske næsten øjeblikkeligt, d.v.s. på meget kort tid, medens stemplet 6 praktisk talt næppe har bevæget sig inden i cylinderen 1.

20

For såvel ved indløbet for strømningen i luftkanalerne 7 som også ved deres indstrømning i cylinderrummet 1 så vidt muligt at undgå forstyrrelser af det glatte strømningsforløb og - i forhold til aksen for luft-25 kanalerne 7 - tværafbøjninger samt afløsninger, er indløbskanterne 19 på luftkanalerne 7 og udstrømningskanterne 20 på gennemstrømningsåbningerne 12 afrundet let tragtformet. Derimod er de mod hinanden vendende kanter 21 og 22, fig. 1 i luftkanalerne 7 og i åbnin-30 gerne 12 udformet med skarpe kanter, hvorved man opnår, at forbrændingsrester, der eventuelt forbliver hæftende til disse kanter, bliver strøget af ved gliderbevægeiserne.

Claims (2)

147380

1. Totaktsforbrændingsmotor med drejeligt oscilleren de ventilglider (11) ved den mod forbrændingsrummet vendende bund af hvert topstykke (3) til styring af skylning og ladning af cylinderen med luft eller 5 med en blanding af brændstof og luft, idet luften eller blandingen kommer ind i forbrændingsrummet (1) gennem et antal luftkanaler (7) i topstykket (3), hvilke luftkanaler er anbragt i mindst to, i det væsentlige med cylinderaksen koncentriske rækker (9, 10) 10 og jævnt fordelt over topstykkets flade, og hvor forbrændingsgasserne stødes ud gennem af gtemplét (6) styrede udstødsslidser (5) i cylindervæggen, hvilken ventilglider, der åbner og lukker luftkanalerne, har et antal gennemstrømningsåbninger (12) svarende til an-15 tallet af luftkanaler (7),kendetegnet v e d, at ventilglideren (11) er fastholdt spillerumsfrit i topstykket (3) af elastiske elementer (15), der er aksialt forspændte, at en af krumtapakslen mekanisk uafhængig, men af denne styret servoindretning bevæger 20 ventilglideren (11) oscillerende, og at luftkanalerne (7) i det væsentlige forløber i cylinderaksens retning, flugter med gennemstrømningsåbningerne (12) ved åben ventilglider og er uden forhindringer, der generer strømningen i luftkanalernes(7) aksiale retning, 25 således at luften ved tilførsel til cylinderrummet (1) kun har strømningskomponenter, der i det væsentlige forløber i cylinderens (2) aksiale retning.

2. forbrændingsmotor ifølge krav l,kendeteg-30 net v e d, at diametrene af luftkanalerne (7) og gennemstrømningsåbningerne (12) er mindre end den hal-