DE10055460A1 - Ladungswechselventil für eine Kolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Ein Ladungswechselventil für eine Kolbenbrennkraftmaschine enthält einen in einem Zylinderkopf (26) um seine Achse drehbar gelagerten Außenrohrkörper (40) mit kreisringförmigem Querschnitt und einem radialen Durchlass (44), welcher derart angeordnet ist, dass er eine in einem Brennraum (24) ausgebildete Öffnung (48) bei seiner Drehung überstreicht, einen in dem Außenrohrkörper koaxial zu diesem drehbar angeordneten Innenkörper (42) mit einem radialen Durchlass (46), der während einer Relativdrehung beider Körper den Durchlass des Außenrohrkörpers überstreicht, und einer Antriebseinrichtung (60, 62) zum Drehantreiben beider Körper, derart, dass in einer Drehstellung beide Durchlässe miteinander und mit der Öffnung des Brennraums fluchten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ladungswechselventil für eine Kolbenbrennkraftmaschine.

Kolbenbrennkraftmaschinen arbeiten mit diskontinuierlicher Verbrennung, so dass ihr Ladungswechsel mittels Ventilen gesteuert werden muss. Üblich sind Tellerventile. Eine Eigenart der Tellerventile liegt darin, dass sie sehr hohe Betätigungskräfte erfordern, wodurch der gesamte Ventiltrieb sehr steif und aufwendig ausgelegt werden muss. Durch die Hin- und Herbewegung der Tellerventile werden des weiteren Massenkräfte und Geräusche verursacht.

Weiter ist bekannt, zur Steuerung des Ladungswechsels Drehschieberventile zu verwenden, die eine massive Drehwalze mit einem diametralen Durchlass aufweisen oder einen als Rohr ausgebildeten Drehschieber mit einem radialen Durchlass, der in das Rohrinnere führt. Eine Eigenart der Drehschieberventile liegt darin, dass sich der zunächst schlitzförmige Öffnungsquerschnitt bei seiner Vergrößerung insgesamt in Drehrichtung des Drehschieber bewegt, wodurch eine unsymmetrische Strömung entsteht. Des weiteren ist die Öffnungs- und die Schließphase, während der Öffnungsquerschnitt zunimmt oder abnimmt, verhältnismäßig lang.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Ladungswechselventil für eine Kolbenbrennkraftmaschine zu schaffen,

Diese Aufgabe wird mit einem Ladungswechselventil gemäß dem Anspruch 1 gelöst.

Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ladungswechselventils gerichtet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.

Es stellen dar:

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine Kolbenbrennkraftmaschine,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch das in der Brennkraftmaschine gem. Fig. 1 enthaltene erfindungsgemäße Ladungswechselventil,

Fig. 3 einen senkrechten Teilschnitt durch das Ventil gem. Fig. 2,

Fig. 4 einen schematischen Axialschnitt durch das Ladungswechsel Ventil zur Erläuterung von dessen Abdichtung und

Fig. 5 einen senkrechten Schnitt durch einen Zylinderkopf einer abgeänderten Brennkraftmaschine.

Gem. Fig. 1 weist eine Doppelkurbelbrennkraftmaschine, wie sie ausführlicher in der Patentanmeldung 199 42 904.9 beschrieben ist, zwei gegensinnig mit gleicher Drehzahl drehende Kurbeln bzw. Kurbelwellen 6, 8 auf, die über je ein Pleuel 10, 12 mit einem Tragteil 14 verbunden sind. Das Tragteil 14 ist in einer Buchse 16 verschiebbar geführt und starr an einem Schaft 18 eines Kolbens 20 befestigt, der in einer Zylinderbuchse 22 verschiebbar geführt ist. Oberhalb des Kolbens 20 ist ein Brennraum 24 ausgebildet, der nach oben von einem Zylinderkopf 26 begrenzt wird. Unterhalb des Kolbens 20 befindet sich eine Trennwand 28, durch die der Schaft 18 dicht hindurchgeführt wird, so dass unterhalb des Kolbens 20 eine Frischluftkammer 30 von der Trennwand 28 begrenzt wird, die über in der Zylinderbuchse 22 im Bereich des unteren Totpunktes des Kolbens 20 ausgebildete radiale Durchlässe 32 in einen die Buchse 22 umgebenden Ringraum 64 münden, der über wenigstens ein vorzugsweise als Rückschlagventil 36 ausgebildetes Ventil mit der äußeren Atmosphäre oder einer zusätzlichen Aufladeeinrichtung verbunden ist.

Die Funktion der Frischluftkammer 30 ist derart, daß sich bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 20 die Frischluftkammer 30 durch die offenen Rückschlagventile 66 hindurch mit Frischluft (oder Frischladung) füllt. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 20 und schließenden Rückschlagventilen 36 wird in diese Frischladung komprimiert und strömt im unteren Totpunktbereich des Kolbens durch die dann freigegebenen Überströmöffnungen der Durchlässe 32 (die Durchlässe 32 sind axial länger als das Hemd des Kolbens 20) in den Brennraum 24.

Im Zylinderkopf 26 arbeitet ein als sogenanntes Doppelrohrdrehschieberventil 38 ausgebildetes Auslassventil. Dieses Doppelrohrdrehschieberventil 38 weist einen in dem Zylinderkopf 26 um seine Achse drehbaren Außenrohrkörper 40 (gekreuzt schraffiert) und einen innerhalb des Außenrohrkörpers 40 drehbaren Innenrohrkörper 42 auf. Der Außenrohrkörper und der Innenrohrkörper weisen in ihren Umfangswänden Durchlässe 44 und 46 (Fig. 2) auf, die in einer vorbestimmten Drehstellung der Rohrkörper mit einer im Zylinderkopf 26 ausgebildeten Auslassöffnung 48 (Stellung gem. Fig. 1) fluchten.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, wirkten die Durchlässe 44 und 46 vorteilhafterweise folgendermaßen zusammen: Bei angenommen, der Öffnungswinkel jedes Durchlasses betrage, bezogen auf den Mittelpunkt O der Rohrkörper β. Wenn die beiden Rohrkörper 40 und 42, wie durch die gegensinnigen Pfeile angedeutet, gegensinnig mit gleicher Drehzahl drehen, stellt Fig. 3 die Situation dar, in der vom Brennraum (unterhalb des Rohrkörper 40 gem. Fig. 3) in das Innere des Innenrohrkörpers 42 keine Strömungspfad freigegeben ist. Wenn die beiden Rohrkörper in Richtung der Pfeile weitergedreht werden, überlappen sich die beiden Durchlässe 44 und 46, die kreisförmig, rechteckig, rautenförmig oder sonstwie ausgebildet sein können, zunehmend und sind nach einer Drehung um β/2 in vollständiger Überlappung. Der durch die Überlappung der beiden Durchlässe 44 und 46 freigegebene Öffnungsquerschnitt beginnt, wie aus Fig. 3 ersichtlich, senkrecht unterhalb O und erweitert sich nach beiden Seiten hin um jeweils den Winkel β/2.

Im Vergleich zu herkömmlichen Drehschieberventilen beträgt der Drehwinkel für die volle Öffnung des Durchlasses bzw. Auslassventils somit nur β/2 und ist halbiert. Entsprechend ist die zur vollständigen Öffnung bzw. Schließung des Durchlasses notwendige Zeitdauer halbiert. Es versteht sich, dass der Öffnungsverlauf und/oder die Öffnungsdauer durch die Formgebung der Durchlässe in zweckentsprechender Weise beeinflusst werden kann. Des weiteren befindet sich die Mitte des Ausgangsquerschnitts jeweils mittig über den Brennraum bzw an einer konstanten Stelle, an der das Ventil angeordnet ist, was vorteilhafte Strömungsgestaltungen ermöglicht.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist der Innenrohrkörper 42 ein Rohrstück, das zur gem. Fig. 2 rechten Seite hin geschlossen ist und in einem Flansch 50 endet. Nach links ist der Rohrkörper 42 offen und schließt bündig an einen Abgaskanal 52 an.

Der Innenrohrkörper 42 ist im wesentlichen dicht in dem Außenrohrkörper 40 drehbar, der als ein einfaches Rohrstück ausgebildet sein kann und im wesentlichen dicht innerhalb des Zylinderkopfes 26 drehbar ist. Wie in Fig. 2 weiter ersichtlich, ist außen an dem Flansch 50 ein Drucklager 54 angeordnet, das sich über eine Feder 56 am Motorgehäuse 58 abstürzt.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, sind die miteinander in Eingriff befindlichen, relativ zueinander drehbaren Flächen des Innenrohrkörpers, Außenrohrkörpers und Zylinderkopfes vorteilhafterweise leicht konisch sich nach links verjüngend ausgebildet, wobei der Konuswinkel α vorteilhafterweise im Bereich weniger Grad liegt. Infolge der von der Feder 56 nach links erzeugten Vorspannkraft sind der Innenrohrkörper und der Außenrohrkörper in sichere und dichtende Anlage aneinander gedrängt und ist der Außenrohrkörper in dem Zylinderkopf dichtend aufgenommen.

Für reibungsarme Drehbarkeit ist es vorteilhaft, die Rohrkörper oder zumindest deren Gleitflächen als Kohlenstoff bzw. Graphit-reiche Schichten auszubilden, indem nur die Oberflächen oder die gesamten Bauteile aus Kohlenstoff reichem Guß, unmittelbar aus Graphit oder aus Nimonic-Legierung hergestellt werden oder ein anderes, auch als Lagermaterial geeigneter Werkstoff verwendet wird. Günstige Eigenschaften können auch dadurch erzielt werden, dass die Oberflächen mit Kohlenstoff beschichtet werden.

Der Drehantrieb der Rohrkörper kann beispielsweise über Zahnriemen erfolgen, die beispielsweise unmittelbar von den gegensinnig laufenden Kurbelwellen angetrieben werden. Dabei umschlingt gem. Fig. 1 beispielsweise der den sich in Uhrzeigerrichtung drehenden Außenrohrkörper 40 antreibende Zahnriemen die linke Kurbelwelle, wohingegen der den Innenrohrkörper 42 antreibende Zahnriemen die rechte Kurbelwelle umschlingt.

Bei Betrieb des Motors als Zweitaktmotor dreht sich jeder Rohrkörper mit gleicher Drehgeschwindigkeit wie die Kurbelwellen.

Zwischen den Kurbelwellen und den Rohrkörpern können in an sich bekannter Weise ausgebildete Phasenverstelleinrichtungen angeordnet sein, damit sich die Phase und gegebenenfalls die Größe der von den Rohrkörpern freigegebenen Auslassöffnung an die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine anpassen lässt. Es versteht sich, dass der Antrieb der Rohrkörper auch unmittelbar über Elektromotoren, beispielsweise Schrittschaltmotoren, möglich ist, so dass die durch das Doppelrohrdrehschieberventil gegebene Öffnung an die jeweiligen Betriebsbedingungen optimal anpassbar ist. Dabei müssen die Rohrkörper nicht ständig drehangetrieben sein sondern können entsprechend der durch die Schrittschaltmotoren gegebenen Möglichkeiten in die eine und die andere Richtung verstellt werden.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel eines Zylinderkopfes, in dem zwei Doppelrohrdrehschieberventile 64 und 66 angeordnet sind, die anstelle herkömmlicher Tellerventile beispielsweise als Auslassventil und Einlassventil bei einer ansonsten herkömmlichen Viertaktbrennkraftmaschine vorgesehen sein können. Das Drehschieberventil 66 ist in der Stellung gem. Fig. 5 gerade geöffnet; das Drehschieberventil 64 ist geschlossen.

In einer abgeänderten, nicht dargestellten Ausführungsform kann der Innenrohrkörper 42 massiv ausgebildete sein und einen durch seinen Querschnitt hindurch führenden Durchlass aufweisen, der in einer Drehstellung mit zwei sich gegenüberliegenden Durchlässen des Außenrohrkörper fluchtet. Gem. Fig. 2 wäre der Abgaskanal 52 dann senkrecht nach oben an der Außenseite des Außenrohrkörpers 40 angeordnet.

Das erfindungsgemäße Doppelrohrdrehschieberventil oder - bei massiver Ausbildung des inneren Drehkörpers - Rohrwalzendrehschieberventil kann überall dort mit besonderem Vorteil eingesetzt werden, wo kurze Übergänge zwischen den Offen- und Schließphasen und eine gleichbleibende Anordnung eines zentralen Strömungskerns von Vorteil sind.

Bezugszeichenliste

6

Kurbelwelle

8

Kurbelwelle

10

Pleuel

12

Pleuel

14

Tragteil

16

Buchse

18

Schaft

20

Kolben

22

Zylinderbuchse

24

Brennraum

26

Zylinderkopf

28

Trennwand

30

Frischluftkammer

32

Durchlass

34

Ringraum

36

Rückschlagventil

38

Doppelrohrdrehschieberventil

40

Außenrohrkörper

42

Innenrohrkörper

44

Durchlass

46

Durchlass

48

Auslassöffnung

50

Flansch

52

Abgaskanal

54

Drucklager

56

Feder

58

Motorgehäuse

60

Zahnriemen

62

Zahnriemen

64

Doppelrohrdrehschieberventil

66

Doppelrohrdrehschieberventil

Claims (7)

1. Ladungswechselventil für eine Kolbenbrennkraftmaschine, enthaltend
einen in einem Zylinderkopf (26) um seine Achse drehbar gelagerten Außenrohrkörper (40) mit kreisringförmigem Querschnitt und einem radialen Durchlass (44), welcher derart angeordnet ist, dass er eine an einem Brennraum (24) ausgebildete Öffnung (48) bei seiner Drehung überstreicht,
einen in dem Außenrohrkörper koaxial zu diesem drehbar angeordneten Innenkörper (42) mit einem radialen Durchlass (46), der während einer Relativdrehung beider Körper den Durchlass des Außenrohrkörpers überstreicht,
und eine Antriebseinrichtung (60, 62) zum Drehantreiben beider Körper derart, dass in einer Drehstellung beide Durchlässe miteinander und mit der Öffnung des Brennraums fluchten.

2. Ladungswechselventil nach Anspruch 1, wobei der Innenkörper als Innenrohrkörper (42) ausgebildet ist, der zumindest nach einer Seite hin offen ist und in einen Ladungswechselkanal (52) mündet.

3. Ladungswechselventil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Antriebseinrichtung den Außenrohrkörper (40) und den Innenkörper (42) gegensinnig mit gleicher Drehzahl antreibt.

4. Ladungswechselventil nach einem in der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Ladungswechselventil an einem Motor mit Doppelkurbeltrieb angeordnet ist und die Körper (40, 42) von jeweils einer der Kurbelwellen (6, 8) angetrieben werden.

5. Ladungswechselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine den Außenrohrkörper (40) aufnehmende Gegenfläche des Zylinderkopfes (26), der Außenrohrkörper und der Innenkörper (42) konisch ausgebildet sind und eine Vorspanneinrichtung (56) derart vorgesehen ist, daß die Außenfläche des Außenrohrkörpers unter axialer Vorspannung in Anlage an der Gegenfläche ist und die Außenfläche des Innenkörpers unter axialer Vorspannung in Anlage an der Innenfläche des Außenrohrkörpers ist.

6. Ladungswechselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei am Außenumfang eines den Innenkörper (42) einseitig abschließenden Flansches (50) ein Antriebsmittel (54) angreift.

7. Ladungswechselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die relativ zueinander beweglichen Oberflächen der Bauteile (26, 40, 42) aus einem Material mit hohem Kohlenstoffgehalt bestehen.