Viertaktverbrennungsmotor mit einem Drehschieberventil

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Viertaktverbrennungsmotor mit einem Drehschieberventil nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

[0002] Ein derartiger Motor ist Gegenstand der EP 0 635 095 B1. Dieses dort beschriebene Drehschieberventil weist den Vorteil auf, daß lange Ventilöffnungszeiten erreicht werden, die sich über mehr als 180 Kurbelwellengraden erstrecken. Hierdurch wird erreicht, daß eine optimale Füllung des Verbrennungsraumes während des Ansaughubs erreicht wird.

[0003] Bei diesem Viertaktverbrennungsmotor wird davon ausgegangen, daß dem Verbrennungsraum über das Einlaßventil ein konventionell erzeugtes Luft-Kraftstoffgemisch zugeführt wird. Dieses wird üblicherweise von einem Vergaser erzeugt.

[0004] Die FR 26 62 214 beschreibt einen Zweitaktverbrennungsmotor mit einem Drehschieberventil, bei welchem eine Kraftstoffeinspritzdüse im Kanal zwischen einem Kompressor und der Ventilwelle angeordnet ist. Der Kraftstoffstrahl der Einspritzdüse ist auf eine Durchlaßöffnung des Durchlasses der Ventilwelle gerichtet, wenn dieser Durchlaß die Verbindung zwischen dem Kanal und der zur Verbrennungsraum führenden Bohrung herstellt. Dieser Durchlaß ist jedoch dreidimensional gekrümmt, so daß der Kraftstoff nicht direkt in den Verbrennungsraum eintreten kann. Vielmehr werden die Tröpfchen des Kraftstoffstrahles von der vom Kompressor komprimierten Luft mitgerissen.

[0005] Es besteht die Aufgabe, einen Viertaktverbrennungsmotor mit einem Drehschieberventil der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine Kraftstoffeinspritzung in den Verbrennungsraum ermöglicht wird.

[0006] Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

[0007] Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1:

einen Vertikalschnitt durch den oberen Teil eines Zylinders in einer durch die Ventilwellenachse gehenden Ebene;

Figur 2:

einen Vertikalschnitt gemäß Figur 1 in einer rechtwinklig zur Ventilwellenachse verlaufenden Ebene;

Figur 3:

ein Diagramm des Ventilöffnungsverlaufs;

Figur 4:

einen der Figur 2 entsprechenden Schnitt zur Darstellung einer bevorzugten Kolbenform und

Figur 5:

verschiedene Phasen des Einlaßtaktes.

[0008] In einem Zylinderkopf 1 ist drehbar eine Ventilwelle 2 gelagert. Diese Ventilwelle dreht sich mit der halben Umdrehungszahl der Kurbelwelle 21. Diese Ventilwelle 2 weist einen als Einlaß wirkenden Durchlaß 3 auf, der schräg zur Ventilwellenachse 4 verläuft. Bei einer Umdrehung der Ventilwelle 2 verbindet der Durchlaß 3 einen zur Ventilwelle 2 führenden Kanal 5 im Zylinderkopf 1 mit einer Bohrung 6 im Zylinderkopf 1, welche von der Ventilwelle 2 zum Verbrennungsraum 7 des Zylinders verläuft. In der Wand des Kanals 5 ist eine Kraftstoffeinspritzdüse 8 angeordnet. Wie der Figur 2 entnehmbar, beträgt der Winkelbereich α der Durchlaßöffnung 9 etwa 90°, während der auf die Achse 4 bezogene Winkelbereich β der Bohrung 6 etwa 35° beträgt. Hierdurch ergibt sich ein Verlauf des Öffnens und Schließens des Ventils entsprechend der Figur 3.

[0009] Dies bedeutet, daß über einen Drehwinkel der Ventilwelle 2 von etwa 35° das Ventil öffnet, anschließend über einen Winkelbereich von etwa 50° voll geöffnet ist und über einen weiteren Drehwinkel von etwa 35° schließt. Der voll geöffnete Winkelbereich ist in Figur 3 mit 10 bezeichnet.

[0010] Die Einspritzdüse 8 erzeugt einen kegelförmigen Kraftstoffstrahl 11, dessen Achse mit 12 bezeichnet ist. Dieser Kraftstoffstrahl 11 ist auf die Oberfläche 13 des Zylinders 20 gerichtet. Der Strahl 11 ist so ausgerichtet, daß seine Achse 12 einen Winkel γ zur Achse 4 einnimmt, der größer ist als der Winkel δ, den die Durchlaßachse 14 zur Achse 4 einnimmt. Dies ist bezogen auf den Fall, daß die Achsen 4, 12 und 14 in einer gemeinsamen Ebene liegen.

[0011] Im gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Kegelwinkel s des Strahles 11 etwa 20°, womit erreicht wird, daß er im Bereich der Bohrung 6 eine Breite aufweist, die etwas geringer ist als die Breite 18 der Bohrung 6. Der Strahl 11 kann somit ungehindert von der Einspritzdüse 8 durch den Durchlaß 3 und die Bohrung 6 in den Verbrennungsraum 7 eintreten.

[0012] Die Einspritzung soll innerhalb des Drehbereiches 10 der Ventilwelle 2 stattfinden. Der Einspritzbereich erfaßt etwa den Bereich der Figur 5a bis 5d. Der Einspritzbereich beginnt, wenn in Drehrichtung 17 der Ventilwelle 2 gesehen, die Vorderkante 15 des Durchlasses die Bohrung 6 überstrichen hat und endet, wenn die Hinterkante 16 die Bohrung 6 zu überstreichen beginnt.

[0013] Die Kolbenoberfläche 13 ist bevorzugt entsprechend der Figur 4 konkav ausgebildet, bevorzugt in Form eines beidseits konkaven Kolbens mit einer elliptischen Vertiefung 19.

[0014] Die Dauer der Einspritzung kann variiert werden, sollte jedoch innerhalb des Winkelbereichs 10 stattfinden. Außerdem kann die pro Zeiteinheit bei der Einspritzung zugeführte Kraftstoffmenge variiert werden.

[0015] Wird eine Kolbenform gemäß Figur 4 gewählt, bildet sich in der Mitte des Zylinders durch den Einspritzstrahl ein turbolenter Wirbel aus, der vom Abstand Kolben-Zylinderkopf abhängt. Dieser Wirbel kann vollständig ausgebildet werden, wenn der Kolben einen großen Abstand zum Zylinderkopf hat. Im Fall des beidseitig konkaven Kolbens entsteht ein einzelner gut ausgebildeter Wirbel 22 in der Zylindermitte, wodurch der Verbrennungsprozeß verbessert wird. Da das Ventil über eine relativ lange Phase 10 geöffnet ist, entsteht eine konstante Strömung. Bei ganz geöffnetem Ventil stimmt der Wirkungsgrad der Strömung mit der Geometrie des Einlasses überein, d. h. es kommt zu keiner Strömungsseparation. Findet das Einspritzen bei voll geöffnetem Ventil statt und wird insbesondere eine Kolbenform wie in Figur 4 gewählt, kommt es zu keiner Benetzung der Wände des Zylinders. Es findet jedoch ein starkes Auftreffen des Strahles auf der Kolbenoberfläche 13 statt. Weiterhin ist von Vorteil, daß mit relativ niedrigem Einspritzdruck gearbeitet werden kann und die Einspritzdüse 8 außerhalb des heißen Verbrennungsraumes 7 angeordnet ist.
¹ Translator's Note: Apparent omission in German original.

Ansprüche

1. Viertaktverbrennungsmotor mit einem Drehschieberventil als Einlaßventil, bestehend aus einer im Zylinderkopf (1) quer zur Zylinderachse gelagerten Ventilwelle (2), die einen schräg zur Wellenachse (4) verlaufenden Durchlaß (3) aufweist und die sich mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle des Motors dreht, mit einem zur Ventilwelle (2) führenden Kanal (5) im Zylinderkopf (1) und einer zwischen Ventilwelle (2) und dem Verbrennungsraum (7) verlaufenden Bohrung (6) im Zylinderkopf (1), eine die Bohrung (6) überstreichende Durchlaßöffnung (9) des Durchlasses (3) bezogen auf die Wellenachse (4) einen Winkelbereich (α) einnimmt, der mindestens gleich groß ist wie der auf die Wellenachse (4) bezogene Winkelbereich (β) der Bohrung (6), wobei bei einer vollen Umdrehung der Ventilwelle (2) nur einmal eine Verbindung über den Durchlaß (3) zwischen dem Kanal (5) und der Bohrung (6) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß im Kanal (5) eine Kraftstoffeinspritzdüse (8) angeordnet ist, deren Strahlachse (12) auf das ventilwellenseitige Ende der Bohrung (6) ausgerichtet ist und die einen Kraftstoffstrahl (11) abgibt, wenn die Bohrung (6) von der überstreichenden Durchlaßöffnung (9) im wesentlichen übergriffen wird.

2. Viertaktverbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der größere Winkelbereich (α) einer Durchlaßöffnung (9) zuzüglich des kleineren Winkelbereichs (β) der Bohrung (6) größer als 90° ist und die Einspritzung innerhalb eines Drehbereichs (10) der Ventilwelle (2) stattfindet, der beginnt, wenn in Drehrichtung (17) der Ventilwelle (2) gesehen die Vorderkante (15) der Durchlaßöffnung (3) die Bohrung (6) überstrichen hat und der endet, wenn die Hinterkante (16) der Durchlaßöffnung (9) die Bohrung (6) zu überstreichen beginnt.

3. Viertaktverbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Geometrie, bei welcher der Durchlaß (3) anfängt, die Verbindung zwischen dem Kanal (5) und der Bohrung (6) herzustellen, wenn der Kolben sich in seinem oberen Totpunkt befindet, die Kraftstoffeinspritzung bewirkt wird innerhalb eines Winkelbereichs der Kurbelwelle, der zwischen etwa 80° und etwa 130° nach dem oberen Totpunkt liegt.

4. Viertaktverbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenn die Achse (4) der Ventilwelle (2), die Achse (14) des Durchlasses (3) und die Strahlachse (12) in einer gemeinsamen Ebene liegen, die Strahlachse (12) einen größeren Winkel (γ) zur Achse (4) der Ventilwelle (2) einnimmt als der Winkel (δ) der Achse (14) der Durchlaßöffnung (3).

5. Viertaktverbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung der Achse (4) der Ventilwelle (2) gesehen im Bereich des verbrennungsraumseitigen Endes der Bohrung (6) die Breite des Kraftstoffstrahles (11) maximal der dortigen Breite (18) der Bohrung (6) entspricht.

6. Viertaktverbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Auftreffbereich des Kraftstoffstrahles (11) auf der Kolbenoberfläche (13) konkav ausgebildet ist.

7. Viertaktverbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben als beidseits konkaver Kolben mit einer elliptischen Vertiefung (19) an der Kolbenoberfläche (13) ausgebildet ist.

Claims

1. Four-stroke internal combustion engine with a rotary valve as inlet valve, consisting of a valve shaft (2) which is mounted in the cylinder head (1) transversely to the cylinder axis and exhibits a passage (3) running obliquely to the shaft axis (4) and which turns at half the rotational speed of the crankshaft of the engine, with a port (5) located in the cylinder head (1) and leading to the valve shaft (2) and with a bore (6) located in the cylinder head (1) and running between the valve shaft (2) and the combustion chamber (7), .....¹ an opening (9) of the passage (3) which passes over the bore (6) and related to the shaft axis (4) encloses an angle range (α) which is at least as large as the angle range (β) of the bore (6) related to the shaft axis (4), in which a connection through the passage (3) between the port (5) and the bore (6) exists only once during one full revolution of the valve shaft (2), characterised in that arranged in the port (5) there is a fuel injector (8) whose spray axis (12) is aligned on the valve shaft end of the bore (6) and which emits a spray of fuel (11) when the bore (6) is essentially covered by the passage opening (9) passing over it.

2. Four-stroke internal combustion engine according to claim 1, characterised in that the larger angle range (α) of a passage opening (9) plus the smaller angle range (β) of the bore (6) is greater than 90° and the fuel injection takes place within a rotational range (10) of the valve shaft (2) which begins when viewed in the direction of rotation (17) of the valve shaft (2), the leading edge (15) of the passage opening (3) has passed over the bore (6), and ends when the trailing edge (16) of the passage opening (9) begins to pass over the bore (6).

3. Four-stroke internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterised in that with a geometry with which the passage (3) begins to create the connection between the port (5) and the bore (6) when the piston is in its top dead centre position, the fuel injection is produced within an angle range of the crankshaft which lies between approximately 80° and approximately 130° after top dead centre.

4. Four-stroke internal combustion engine according to one of claims 1 to 3, characterised in that when the axis (4) of the valve shaft (2), the axis (14) of the passage (3) and the spray axis (12) lie in a common plane, the spray axis (12) forms a larger angle (γ) with the axis (4) of the valve shaft (2) than the angle (δ) of the axis (14) of the passage opening (3).

5. Four-stroke internal combustion engine according to one of claims 1 to 4, characterised in that viewed in the direction of the axis (4) of the valve shaft (2), in the region of the combustion chamber end of the bore (6) the breadth of the fuel spray (11) at most corresponds to the breadth (18) of the bore (6) there.

6. Four-stroke internal combustion engine according to one of claims 1 to 5, characterised in that at least the area of impingement of the fuel spray (11) on the piston surface (13) is concave in form.

7. Four-stroke internal combustion engine according to claim 6, characterised in that the piston takes the form of a piston which is concave on both sides and has an elliptical depression (19) in the piston surface (13).

Revendications

1. Moteur à quatre temps muni d'un distributeur rotatif en tant que soupape de démarrage, constitué d'un arbre de soupape (2) agencé dans la tête de cylindre (1) transversalement à l'axe du cylindre, lequel arbre de soupape présente un passage (3) s'étirant en biais par rapport à l'axe de l'arbre (4) et tourne à la moitié de la vitesse du vilebrequin du moteur, muni d'un canal (5) menant à l'arbre de soupape (2) et situé dans la tête de cylindre (1) et d'un alésage (6) s'étirant entre l'arbre de soupape (2) et la chambre de combustion (7) et situé dans la tête de cylindre (1), une ouverture de passage (9) du passage (3) recouvrant l'alésage (6) et se rapportant à l'axe de l'arbre (4) forme une zone angulaire (α), laquelle est au moins aussi grande que la zone angulaire (β) de l'alésage (6) se rapportant à l'axe de l'arbre (4), moyennant quoi une rotation complète de l'arbre de soupape (2) n'entraîne qu'une seule connexion au niveau du passage (3) entre le canal (5) et l'alésage (6), caractérisé en ce qu'un injecteur de carburant (8) est agencé dans le canal (5), dont l'axe d'injection (12) est dirigé sur l'extrémité du côté de l'arbre de soupape de l'alésage (6) et lequel libère un jet de carburant (11) lorsque l'ouverture de passage (9) recouvrant l'alésage (6) chevauche sensiblement ce dernier.

2. Moteur à quatre temps selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone angulaire plus grande (α) d'une ouverture de passage (9) en supplément de la zone angulaire plus petite (β) de l'alésage (6) est supérieure à 90° et l'injection a lieu à l'intérieur d'une zone de rotation (10) de l'arbre de soupape (2), laquelle commence, si on regarde dans le sens de rotation (17) de l'arbre de soupape (2), lorsque le bord avant (15) de l'ouverture de passage (3) a recouvert l'alésage (6) et laquelle se termine lorsque le bord arrière (16) de l'ouverture de passage (9) commence à recouvrir l'alésage (6).

3. Moteur à quatre temps selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que pour une géométrie, pour laquelle le passage (3) commence à réaliser la connexion entre le canal (5) et l'alésage (6), lorsque le piston se trouve à son point mort haut, l'injection de carburant est effectuée à l'intérieur d'une zone angulaire du vilebrequin, laquelle se situe entre approximativement 80° et approximativement 130 ° après le point mort haut.

4. Moteur à quatre temps selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lorsque l'axe (4) de l'arbre de soupape (2), l'axe (14) du passage (3) et l'axe d'injection (12) se situent au même niveau, l'axe d'injection (12) forme un angle plus grand (γ) par rapport à l'axe (4) de l'arbre de soupape (2) que l'angle (δ) de l'axe (14) de l'ouverture de passage (3).

5. Moteur à quatre temps selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, si l'on regarde dans la direction de l'axe (4) de l'arbre de soupape (2) dans la zone de l'extrémité de l'alésage (6) du côté de la chambre de combustion, la largeur du jet de carburant (11) correspond au maximum à la largeur sur place (18) de l'alésage (6).

6. Moteur à quatre temps selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'au moins la zone d'impact du jet de carburant (11) sur la surface du piston (13)est étudiée de manière à être concave.

7. Moteur à quatre temps selon la revendication 6, caractérisé en ce que le piston est conçu comme un piston concave des deux côtés doté d'un évidement elliptique (19) au niveau de la surface du piston (13).

Zeichnung