DE10002585B4

DE10002585B4 - Brennkraftmaschine, Verdichter oder Pumpe mit, die Kanäle steuernden, direkt angetriebenen Drehschiebern mit neuen Gleitflächendichtungen

Info

Publication number: DE10002585B4
Application number: DE10002585A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Fink
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-02-03
Filing date: 2000-01-21
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2020-01-22
Also published as: DE10002585A1; DE29901854U1

Abstract

Brennkraftmaschine oder Verdichter oder Pumpe
mit mindestens einer Reihe von Zylindern,
mit einem Ansaugkasten für jede Zylinderreihe,
und mit Ansaug- oder Einlasskanälen, die durch Drehschieber gesteuert werden,
wobei Verbrennungsluft über den Ansaugkasten und über die Ansaug- oder Einlasskanäle den Zylinderköpfen einer Zylinderreihe zugeführt wird,
gekennzeichnet durch ein Ansaugsystem (17),
bei dem der Ansaugkasten als gemeinsamer Druckausgleichsbehälter für alle Zylinder (1, 2) einer Zylinderreihe ausgebildet ist und bei dem die Ansaug- oder Einlasskanäle, zwischen dem Druckausgleichsbehälter und den Zylindern (1, 2) mit Ansaugtrichtern versehen sowie kurz und gerade ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine oder einen Verdichter oder eine Pumpe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Im Stand der Technik sind verschiedene Kombinationen von Ventilsteuerungen einerseits und Ansaugsystemen andererseits bekannt. So zeigt die US 1,897,512 A eine Brennkraftmaschine mit einem Einlassverteiler, der den Treibstoff zu einer Mehrzahl von Zylindern leitet. Um einen Druckausgleich und eine gleichmäßige Strömung innerhalb der Verteilerstruktur zu erreichen, ist in dem Verteilerrohr, das den Zuführungsstutzen mit den vier Abzweigungen verbindet, ein Ausgleichsrohr angebracht. Die Abzweigungen führen zu vier Zylinderöffnungen, die sich im Zylinderblock knapp unterhalb des Zylinderkopfs befinden.

Die Druckschrift US 5,009,200 A offenbart eine Saugrohranlage für eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine. Pro Zylinder sind drei Einlassventile im Zylinderkopf vorgesehen, zu denen Einzelsaugrohre unterschiedlicher Länge führen. Mit zunehmender Drehzahl sind die kürzeren Einzelsaugrohre zuschaltbar, wobei gleichzeitig die wirksame Länge jedes längeren Einzelsaugrohrs entsprechend verkürzt wird. Damit wird erreicht, dass die Resonanzrohrlänge aller eingeschalteten Einzelsaugrohre gleich ist, womit eine optimale Leistungsausbeute gewährleistet ist. Die vom Zylinderkopf abgewandten Mündungen der drei Einzelsaugrohre pro Zylinder liegen in einem gemeinsamen Saugkasten.

Auch in der Zweitakt-Brennmaschine gemäß GB 2 043 172 A sind mehrere Zuführkanäle pro Zylinder vorgesehen. Diese Kanäle sind als Längsbohrungen im Zylinderdeckel ausgeführt und in konzentrischen Kreisen angeordnet. Durch sie wird der Zylinder mit einer Ansaugkammer verbunden, die unmittelbar auf dem Zylinderkopf sitzt. Die Kanäle zwischen dem Ansaugkasten und dem Brennraum dienen der Zuführung von Luft – bei Dieselmotoren – oder von Luftbrennstoff- Gemisch – bei Ottomotoren. Die Einlauf- und Austrittskanten der Kanäle sind leicht trichterförmig abgerundet. Insgesamt ergibt sich eine gleichmäßige Ausspülung des Zylinderraums. Als Ventil dient ein Flachschieber, der intermittierend bewegt wird.

Die Schrift EP 529 676 B1 zeigt ein weiteres Einlasssystem für einen Verbrennungsmotor, der durch Hubventile gesteuert wird. Jede Brennkammer, die von einem Zylinderkopf und einem Zylinderblock begrenzt wird, weist seitlich am Zylinderkopf zwei Einlassventilöffnungen auf. Die zwei Einlassventilöffnungen sind mit einem gegabelten Einlasskanal verbunden, d. h. hinter dem Hauptdrosselventil gabelt sich der Einlasskanal in zwei Zweigkanäle auf. Der Einlasskanal erstreckt sich im Großen und Ganzen rechtwinklig zur Zylinderachse und rechtwinklig zur Nockenwelle. Der gegabelte Einlasskanal mündet zunächst geradlinig in den Zylinderkopf; erst kurz vor der Einlauföffnung in den Brennraum schwenkt jeder Zweigkanal auf die Richtung des Hubventils ein.

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 Nockenantriebe nicht nur teuer, sondern erfordern auch einige Prozent der Motorleistung zu ihrem Antrieb. Desweiteren ist die große Bauhöhe, die bis zum zweifachen des Kolbenhubs betragen kann, und die Vielzahl der Einzelteile eines Zylinderkopfes mit Hubventilen 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 Brennkraftmaschine 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 bekannter Hubventile jedoch dadurch, daß andere Nachteile in Kaufgenommen werden. Bedingt durch die Anordnung des Antriebsrades ergibt sich ein geringer Steuerquerschnitt (A = 176 mm² bei einer Zylinderbohrung von ϕ 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 Auslaßkanäle angeordnet sind, sie bilden damit einen Bestandteil des Brennraumgehäuses, und sind demgemäß hohen Temperaturen und der Ablagerung von Ruß ausgesetzt. Dies läßt einen erheblichen Verschließ und eine verminderte

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine 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 drehbewegte 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 Unteranaprüche.

Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion überspannt ein leicht gewölbter Drehschieber in Kalottenform das Brennraumgehänse. Dieser Drehschieber. steuert Einlaß- und Auslaßkanal, er wird über eine Außenverzahnung direkt angetrieben und mittels Druckumlaufschmierung gekühlt und geschmiert. Der Zylinderkopf be- steht auf wenigen Teilen, ist einfach und schnell zu montieren, was eine kostengünstige Herstellung ermöglicht. Weitere Vorteile sind die kleinen Abmessungen und das geringe Gewicht, was besonders 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 und geräuschloser Lauf.

Das Ansaugsystem besteht aus kurzen, geraden Einlaßkanälen, Ansaugtrichtern mit Drosselklappen und einem Druckausgleichsbehälter für jede Zylinderreihe, der die Luftzuführung zu den Zylindern anstelle langer verlustbehafteter Ansaugkrümmer übernimmt. 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 Kraftatoffs in den Zylinder.

Die erfindungsgemäßen Gleitflächendichtungen für drehbewegte Absperrmittel sind im Gehäuse des Zylinderkopfes integriert und damit vor Verschmutzung durch Verbrennungsrückständen geschützt. Die Dichtringe haben zwei Aufgaben sie dichten den Brennraum bei hohem Druck (Verdichtung, Verbrennung) gegen das Drehschiebergehäse) in dem Atmosphärendruck herrscht, ab. Dies wird dadurch erreicht 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

proportional zum Brennraumdruck P_b.

2. Um bei Betriebsphasen geringen Brennraumdrucks einen Ölanstritt 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 Dichtflächenpressung 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:

1 einen senkrechten Schnitt durch eine mögliche konstruktive Ausbildung der Erfindung.

2 eine Draufsicht des Gehäuseunterteils.

3 eins Seitenansicht des Zylinderkopfs.

4 einen senkrechten Schnitt sowie eine Draufsicht des Drehschiebers.

5 einen Teilschnitt durch das Gehäuseunterteil mit Dichtring, eine Teilansicht des Gehäuseunterteils.

6 eine Teilansicht des Gehäuseoberteils und eine vergrößerte Teilzeichnung der Ölabstreifleiste.

Betrachtet man zunächst die Zeichnung 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 Führung der Drehschieber 3 werden wegen dem geringen Bauraum Nadellager 5 verwendet. Der Antrieb erfolgt van der Kurbelwelle über ein Kegelradpaar auf eine Königswelle 4 und van dort über ein Zahnrad direkt auf die außenverzehnten Drehschieber 3. Dieses Zahnrad enthält evtl. einen Schwingungsdämpfer und ist breiter als die Drehschieberverzahnung, um eine Änderung der Verdichtung mittels verschinden dicker Zylinderkopfdichtungen zu ermöglichen. Eine Anpassung der Steuerzeiten an die Motordrehzahl kann über einen im zentralen Antriebskegelrad integrierten Fliehkraftregler erfolgen. Der Zylinderkopf ist in zwei Gehäusehälften 1, 2 horizontal geteilt, es ist aber auch denkbar, das Gehäuseunterteil 1 zusammen mit den Zylindern zu gießen.

Die genaus Fixierung der Gehäuseteile 1 und 2 zueinander erfolgt über Sitzflächen mit Zentrierstufe 16 siehe 2 und 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 2, erfolgt über die Bohrungen 7; der Rücklauf erfolgt die Bohrungen 8 und das Hüllrohr der Königswelle.

Wie 3 erkennen läßt, handelt es sich hier um eine luftgekühlte Ausführung der erfindungsgemäßen Konstruktion mit zugehörigem Ansaugsystem 17. In der Mitte befindet sich der Auslaßkanal und die beiden, Stehbolzen für die Auspuffbefestigung.

Bei dem in 4 dargestellten Drehschieber sind die radialen Kanten der Steueröffnungen abgerundet, um bei teilweise geöffnetem Schieber die Umströmung der in den Einlaßkanal ragenden Kante zu erleichtern. Der Einlaßkanal; wer Ausalßkanal und die Steueröffnung der Drehschieber bilden die Ausschnitte eines Kreisringes diese Form wurde gewählt, um bei vorgegebenen Öffnungswinkel α des Drehschiebers 3 eine möglichst große Fläche freizugeben. Die Einlaß- und Auslaßkanäle sind über je 90° Kurbelwellendrehung 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 eingelassene, die Durchtrittsöffnungen zum Brennraum umschließende Dichtringe 6 gleitet. Zur Erzeugung der erforderlichen Dichtflächenpressung dienen Bohrungen 9, welche die Unterseite der Dichtringe 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 5.

Die Ölabstreifleisten 12 an sich bekannten Aufbaus in 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 erhöten Ölverbrauch zu vermeiden, befinden sich die oben beschriebenen Teile 12 in Bezug auf die Drchrichtung 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

Brennkraftmaschine oder Verdichter oder Pumpe mit mindestens einer Reihe von Zylindern, mit einem Ansaugkasten für jede Zylinderreihe, und mit Ansaug- oder Einlasskanälen, die durch Drehschieber gesteuert werden, wobei Verbrennungsluft über den Ansaugkasten und über die Ansaug- oder Einlasskanäle den Zylinderköpfen einer Zylinderreihe zugeführt wird, gekennzeichnet durch ein Ansaugsystem (17), bei dem der Ansaugkasten als gemeinsamer Druckausgleichsbehälter für alle Zylinder (1, 2) einer Zylinderreihe ausgebildet ist und bei dem die Ansaug- oder Einlasskanäle, zwischen dem Druckausgleichsbehälter und den Zylindern (1, 2) mit Ansaugtrichtern versehen sowie kurz und gerade ausgebildet sind.
Brennkraftmaschine oder Verdichter oder Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugtrichter mit Drosselklappen versehen sind.
Brennkraftmaschine oder Verdichter oder Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die steuernden Drehschieber (3) mit abgerundeten radialen Steuerkanten versehen sind, die bei teilweise geöffnetem Drehschieber (3) die Umströmung der in den Ansaug- oder Einlasskanal ragenden Kante erleichtern.
Brennkraftmaschine oder Verdichter oder Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die steuernden Drehschieber (3) um die Achsen der Zylinder rotieren.
Brennkraftmaschine oder Verdichter oder Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die steuernden Drehschieber (3) über eine Außenverzahnung direkt angetrieben werden.
Brennkraftmaschine oder Verdichter oder Pumpe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abdichtung des Brennraumes gegenüber den Kanälen Gleitflächendichtungen oder Dichtringe (6) im jeweiligen Zylinderkopf (1) eingelassen sind, die über Bohrungen (9) mit dem Brennraumdruck beaufschlagt werden.
Brennkraftmaschine oder Verdichter oder Pumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtringe (6) von Tellerfedern (10) gegen die Dichtfläche des Drehschiebers (3) gedrückt werden.
Brennkraftmaschine oder Verdichter oder Pumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehschieber (3) eine obere kalottenförmige Abschlussfläche aufweisen, gegen die Ölabstreifleisten (12) mit Hilfe von Blattfedern (11) gedrückt werden.
Brennkraftmaschine oder Verdichter oder Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf des jeweiligen Zylinders aus zwei Gehäusehälften (1, 2) zusammengesetzt ist, deren Fixierung zueinander über Sitzflächen mit einer Zentrierstufe (16) erfolgt.
Brennkraftmaschine oder Verdichter oder Pumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentral angeordnete Zündkerze die Funktion einer zusätzlichen Verschraubung der Gehäusehälften (1, 2) übernimmt.