DE10002585A1 - Brennkraftmaschine, Verdichter oder Pumpe mit, die Kanäle steuernden, direkt angetriebenen Drehschiebern mit neuen Gleitflächendichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Wie beispielsweise in der Beschreibung der DE 195 35 920 A1 ausgeführt, sind die üblicherweise bei Brennkraftmaschinen als Absperrmittel verwendeten Hubventile nicht frei von Nachteilen. So sind bekanntlich die üblicherweise verwendeten Nockenantrie­ be nicht nur teuer, sondern erfordern auch einige Prozent der Motorleistung zu ihrem Antrieb. Desweiteren ist die große Bau­ höhe, die bis zum zweifachen des Kolbenhubs betragen kann, und die Vielzahl der Einzelteile eines Zylinderkopfes mit Hubventi­ len hervorzuheben. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß moderne hoch verdichtete Brennkraftmaschinen mit Hubventilen zu ihrem Betrieb Superbenzin benötigen.

Aus der genannten Patentschrift ist bereits eine Brennkraft­ maschine bekannt, deren Absperrmittel durch einen Drehschieber in Kalottenform gebildet wird. Die Abdichtung der Brennräume soll hier durch drehbare, antreibbare Dichtringe erfolgen.

Diese bekannte Brennkraftmaschine vermeidet die Nachteile be­ kannter Hubventile jedoch dadurch, daß andere Nachteile in Kauf genommen werden. Bedingt durch die Anordnung des Antriebsrades ergibt sich ein geringer Steuerquerschnitt (A = 176 mm² bei einer Zylinderbohrung von 76 mm), und es ist nicht möglich mehrere Drehschieber ohne Zwischenräder direkt anzutreiben. Außerdem erfordert das außenliegende Antriebsrad zusätzliche Wellendichtringe und ein seperates Gehäuse, das die Abmessungen vergrößert und das Gewicht der Konstruktion erhöht. Ein weiterer Nachteil ist, daß die Dichtringe am Rand der Ein- und Auslaßka­ näle angeordnet sind, sie bilden damit einen Bestandteil des Brennraumgehäuses, und sind demgemäß hohen Temperaturen und der Ablagerung von Ruß ausgesetzt. Dies läßt einen erheblichen Ver­ schleiß und eine verminderte Dichtwirkung der Ringe erwarten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftma­ schine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die sehr kompakte Zylinderköpfe und kurze gerade Ansaugkanäle hat, die über leichtlaufende drehbewegte Absperrmittel gesteuert wird, und die mit Normalbenzin, Methanol oder Gas zu betreiben ist. Eine weitere Aufgabe ist, Gleitflächendichtungen für dreh­ bewegte Absperrmittel zu schaffen, die hohem Druck standhalten und eine hohe Lebensdauer erreichen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgaben besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Schutzanspruchs 1, vorteilhafte Aus- und Weiterbildung der Erfindung sind Gegenstand der Unter­ ansprüche.

Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion überspannt ein leicht gewölbter Drehschieber in Kalottenform das Brennraumgehäuse. Dieser Drehschieber steuert Einlaß- und Auslaßkanal, er wird über eine Außenverzahnung direkt angetrieben und mittels Druck­ umlaufschmierung gekühlt und geschmiert. Der Zylinderkopf be­ steht aus wenigen Teilen, ist einfach und schnell zu montieren, was eine kostengünstige Herstellung ermöglicht. Weitere Vorteile sind die kleinen Abmessungen und das geringe Gewicht, was beson­ ders bei Brennkraftmaschinen mit mehreren Zylinderreihen zum Tragen kommt. Der Betrieb mit Normalbenzin, Methanol oder Gas und die völlige Wartungsfreiheit haben niedrige Betriebskosten zur Folge.

Hinzu kommen die prinzipiellen Vorteile von Drehschiebern, wie hohe Betriebssicherheit, absolute Drehzahlfestigkeit, exakte Steuerzeiten, hohe Klopffestigkeit, keine Ladungsverluste durch heiße Ventile, vollständig zu öffnende Einlaß- und Auslaßkanäle im Gegensatz zu Hubventilen, die nur Kreisringflächen freigeben, geringe Leistung zu ihrem Antrieb erforderlich und geräuschloser Lauf.

Das Ansaugsystem besteht aus kurzen, geraden Einlaßkanälen, Ansaugtrichtern mit Drosselklappen und einem Druckausgleichsbe­ hälter für jede Zylinderreihe, der die Luftzuführung zu den Zy­ lindern anstelle langer verlustbehafteter Ansaugkrümmer über­ nimmt. Der Vorteil kurzer Einlaß- und Auslaßkanäle ist, daß die angesaugte Luft wenig erwärmt wird, und das heiße Abgas wenig Wärme an den Zylinderkopf abgibt. Die Gemischbildung erfolgt durch direkte Einspritzung des Kraftstoffs in den Zylinder.

Die erfindungsgemäßen Gleitflächendichtungen für drehbewegte Absperrmittel sind im Gehäuse des Zylinderkopf integriert und damit vor Verschmutzung durch Verbrennungsrückständen geschützt. Die Dichtringe haben 2 Aufgaben, 1. dichten sie den Brennraum bei hohem Druck (Verdichtung, Verbrennung) gegen das Dreh­ schiebergehäuse, in dem Atmosphärendruck hersaht, ab. Dies wird dadurch gelöst, daß die Ringnut im Gehäuse über Bohrungen mit dem Brennraum verbunden ist, der Überdruck im Brennraum wirkt somit auf die Dichtringe und damit ist die Dichtflächenpressung P_d = F/A proportional zum Brennraumdruck P_b.

2. Um bei Betriebsphasen geringen Brennraumdrucks einen Ölaus­ tritt in die Einlaß- und Auslaßöffnungen zu verhindern, befinden sich unter den Dichtringen kleine Tellerfedern die den nötigen Anpressdruck erzeugen. Der Dichtring ist mit einer umlaufenden Rille versehen, hiermit ergeben sich zusätzliche Dichtkanten. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Gleitflächendichtrings mit den Betriebsphasen der Maschine periodisch wechselnder Dichtflä­ chenpressung liegt in einem kleinen Reibmoment, einem geringen Verschleiß und einer verbesserten Dichtwirkung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der. Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine mögliche konstruk­ tive Ausbildung der Erfindung. (verkleinert)

Fig. 2 eine Draufsicht des Gehäuseunterteils. (verkleinert)

Fig. 3 eine Seitenansicht des Zylinderkopfs.

Fig. 4 einen senkrechten Schnitt sowie eine Draufsicht des Dreh­ schiebers.

Fig. 5 einen Teilschnitt durch das Gehäuseunterteil mit Dicht­ ring, eine Teilansicht des Gehäuseunterteils. (vergrößert)

Fig. 6 eine Teilansicht des Gehäuseoberteils und eine vergröß­ erte Teilzeichnung der Ölabstreifleiste.

Betrachtet man zunächst die Zeichnung Fig. 1, hier ist ein erfindungsgemäßer Zylinderkopf mit Ansaugsystem 17 dargestellt. In dem Zylinderkopf werden die Kanäle von einem um die Achse des Zylinders sich drehenden Schieber 3 gesteuert. Zur radialen Füh­ rung der Drehschieber 3 werden wegen dem geringen Bauraum Nadel­ lager 5 verendet. Der Antrieb erfolgt von der Kurbelwelle über ein Kegelradpaar auf eine Königswelle 4 und von dort über ein Zahnrad direkt auf die außenverzahnten Drehschieber 3. Dieses Zahnrad enthält evtl. einen Schwingungsdämpfer und ist breiter als die Drehschieberverzahnung, um eine Änderung der Verdichtung mittels verschieden dicker Zylinderkopfdichtungen zu ermöglichen. Eine Anpassung der Steuerzeiten an die Motordrehzahl kann über einen im zentralen Antriebskegelrad integrierten Fliehkraftreg­ ler erfolgen. Der Zylinderkopf ist in zwei Gehäusehälften 1, 2 horizontal geteilt, es ist aber auch denkbar, das Gehäuseunter­ teil 1 zusammen mit den Zylindern zu gießen.

Die genaue Fixierung der Gehäuseteile 1 und 2 zueinander er­ folgt über Sitzflächen mit Zentrierstufe 16 siehe Fig. 2 und Fig. 6. Eine zusätzliche Verschraubung ergibt sich durch die zentral angeordnete Zündkerze. Der für die Kühlung und Schmier­ ung der Drehschieber 3 im Zylinderkopf erforderliche Ölumlauf dargestellt in Fig. 2 erfolgt über die Bohrungen 7 und der Rück­ lauf über die Bohrungen 8 und das Hüllrohr der Königswelle.

Wie Fig. 6 erkennen läßt, handelt es sich hier um eine luftge­ kühlte Ausführung der erfindungsgemäßen Konstruktion mit zugehö­ rigem Ansaugsystem 17. In der Mitte befindet sich der Auslaß­ kanal und die beiden Stehbolzen für die Auspuffbefestigung. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Drehschieber sind die radialen Kanten der Steueröffnungen abgerundet, um bei teilweise geöffne­ tem Schieber die Umströmung der in den Einlaßkanal ragenden Kan­ te zu erleichtern. Der Einlaßkanal, der Auslaßkanal und die Steueröffnung der Drehschieber bilden die Ausschnitte eines Kreisring, diese Form wurde gewählt, um bei vorgegebenen Öff­ nungswinkel ∝ des Drehschiebers 3 eine möglichst große Fläche freizugeben. Die Einlaß- und Auslaßkanäle sind über je 900 Kur­ belwellendrehung voll geöffnet. Der Steuerquerschnitt beträgt ca. 550 mm² bei einer Zylinderbohrung von 84 mm.

Die untere kalottenförmige Abschlußfläche des Drehschiebers 3 bildet eine Dichtfläche die über in die Brennraumwand 1 einge­ lassene, die Durchtrittsöffnungen zum Brennraum umschließende Dichtringe 6 gleitet. Zur Erzeugung der erforderlichen Dichtflä­ chenpressung dienen Bohrungen 9 welche die Unterseite der Dicht­ ringe 6 mit dem Brennraumdruck beaufschlagen. Bei niedrigem Druck im Brennraum werden die Dichtringe 6 von Tellerfedern 10 gegen die Dichtfläche des Drehschiebers 3 gedrückt, siehe Fig. 5.

Die Ölabstreifleisten 12 an sich bekannten Aufbaus in Fig. 6 werden mit Blattfedern 11 gegen die Oberseite der Drehschieber 3 gedrückt, streifen hier anhaftendes Öl ab und fördern es über eine Nut nach innen zu dem Nadellager 5. Um einen erhöhten Ölver­ brauch zu vermeiden, befinden sich die oben beschriebenen Teile 12 in Bezug auf die Drehrichtung des Schiebers 3 vor dem Einlaß- und Auslaßkanal. Bei der mit 13 bezeichneten Fläche handelt es sich um eine Vertiefung in der Gleitfläche des Gehäuses 2 um das Reibmoment des Drehschiebers 3 zu reduzieren.

Claims (5)

1. Brennkraftmaschine, Verdichter oder Pumpe mit, die Kanäle steuernden um die Achsen der Zylinder rotierenden und über eine Außenverzahnung direkt angetriebenen Drehschiebern 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Abdichtung des Brenn­ raums im Zylinderkopf 1 eingelassenen Gleitflächendichtungen 6 über Bohrungen 9 mit dem Brennraumdruck beaufschlagt wer­ den. Die Dichtflächenpressung P_d = F/A ist damit proportional zum Brennraumdruck P_b. In Betriebsphasen niedrigen Brenn­ raumdrucks werden die Dichtringe 6 von Tellerfedern 10 gegen die Dichtfläche des Drehschiebers 3 gedrückt.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Drehschieber 3 mit abgerundeten radialen Steuerkan­ ten bei teilweise geöffnetem Schieber 3 die Umströmung der in den Einlaßkanal ragenden Kante erleichtern.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft über kurze gerade Kanäle, Ansaug­ trichter und einen gemeinsamen Druckausgleichsbehälter 17 für alle Zylinder einer Reihe den Brennräumen zugeführt wird.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierung der Lage der beiden Gehäusehälften 1, 2 zu­ einander über Sitzflächen mit Zentrierstufe 16 erfolgt und die zentral angeordnete Zündkerze auch die Funktion einer zusätzlichen Verschraubung hat.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Ölabstreifleisten 12 mit Blattfedern 11 gegen die obere kalottenförmige Abschlußfläche des Drehschiebers 3 gedrückt werden.