-
Die wohl geläufigste Art von periodisch betriebenen Ventilen für Kraft- und Arbeitsmaschinen sind die Hubventile, die mittels einer Feder in der geschlossenen Stellung gehalten und mittels Nocken einer Nockenwelle und/oder Kipphebeln unter Vergrößerung der Federspannung aus dem Ventilsitz gedrückt und somit kurzzeitig geöffnet werden. Mit dem Wegfall der Kraftwirkung der Nocken oder Kipphebel erfolgt das Schließen der Ventile, wobei die Feder sich teilweise entspannt. Während der Position „Öffnen” strömt Luft oder ein Kraftstoffluftgemisch in den Arbeitszylinder und/oder verbrannte Gase werden ausgestoßen. Ein wesentlicher Nachteil dieser Hubventile ist die benötigte hohe Federkraft zum zeitgenauen Öffnen und Schließen der Ventile.
-
Weiterhin sind Drehventilanordnungen bekannt.
-
In der
DE 81 11 294 U1 wird ein Verbrennungsmotor mit mindestens einem einen Verbrennungsraum aufweisenden Motorzylinder sowie mindestens einem Drehventil zur Steuerung des Gaswechsels der Motorzylinder beschrieben, bei dem an zwei gegenüberliegenden Seiten des Brennraumes jedes Motorzylinders Öffnungen für den Gaswechsel vorgesehen sind, die jeweils durch ein Drehventil abgedeckt sind, wobei die beiden Drehventile starr miteinander verbunden sind.
-
Die Drehventile sind als Drehschieber ausgebildet und die starre Verbindung zwischen den beiden Drehschiebern als Lagerwelle für die beiden Drehschieber.
-
Aus der
DE 38 21 617 A1 ist es bekannt, als Einlassventile Drehventile zu verwenden, die auch um ihre Achse schwenkende oder rotierende Ventile sein können. Diese Veröffentlichung enthalt auch den Hinweis, dass derartige Drehventile Kuhlraume enthalten können.
-
In der
DE 44 14 849 A1 wird ein Fluidregelsystem fur Kolbenmaschinen, insbesondere periodisch arbeitende Verbrennungsmotoren, bei denen die zur Zufuhrung und Abfuhrung von Fluid in und aus dem Arbeitsraum vorgesehenen Öffnungen des Arbeitsraums periodisch durch ein Ventil oder den Kolben geöffnet und verschlossen werden, beschrieben, bei dem im Zufuhrungskanal vor dem den Arbeitsraum verschließenden Ventil oder der durch den Kolben verschließbaren und zu öffnenden Einlassöffnung des Fluids in den Arbeitsraum oder im Abführungskanal nach dem den Arbeitsraum verschließenden Ventil oder der durch den Kolben verschließbaren und zu offnenden Auslassöffnung ein Drehventil in Form eines Walzen oder Flachventils angeordnet ist, dessen Öffnungs- und/oder Schließzeitpunkt und dessen Öffnungsdauer durch Verstellung von Schiebern verändert werden kann. Die Verstellung des Schiebers erfolgt so, dass durch Veränderung der Offnungsdauer oder des Öffnungs- oder Schließzeitpunktes des Drehventils die Fluidzusammensetzung oder der Druck oder die Temperatur oder die Masse oder die Fluidbewegung im Saug- oder Steuerraum im Arbeitsraum oder im Ausschubraum oder -kanal in einer gewünschten Weise verändert werden.
-
Weiterhin ist aus der
DE 29 52 198 A1 ein Drehventil bekannt, dass von einer Steuerwelle uber eine Kegelzahnradpaarung ansteuerbar ist.
-
Die
US 5 003 942 A beschreibt eine Drehventilanordnung und -steuerung für Kraft- und Arbeitsmaschinen mit mindestens einem Kolben sowie einer Ein- und Auslassöffnung für jeden Arbeitsraum, wobei mindestens der jeweilige Einlass der Arbeitsräume durch ein Drehventil gesteuert ist.
-
Darüberhinaus wird gezeigt, dass ein Drehventil für einen/oder mehrere Arbeitsräume genutzt werden kann und dem Drehventil eine Einströmturbine als Dosiereinrichtung für die Luft- oder Kraftstoffgemischzufuhr vorgeschaltet ist, die zugeführte Luft oder das Kraftstoffluftgemisch in das Drehventil eingeblasen oder angesaugt wird und über die Brennkammerverbindung, die periodisch bei Drehung des Drehventils geöffnet und ansonsten verschlossen ist, in den jeweiligen Arbeitsraum gelangt.
-
Weiter ist aus der
DE 198 30 575 A1 eine Ladungssteuerung für Hubkolbenmaschinen bekannt, bei der in einem Einlasskanal ein von einem Elektromotor betätigtes Drehschieberventil angeordnet ist, das leistungsbedarfsgerecht ansteuerbar ist, derart, dass der Schließzeitpunkt des Drehschieberventils bei abnehmender Leistungsanforderung zunehmend vor dem Schließzeitpunkt des Einlassventils liegt.
-
Nachteilig bei den beschriebenen Anordnungen sind die begrenzten Möglichkeiten für eine Optimierung der Motorsteuerung unter ausschließlicher Nutzung von Drehventilen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, die Steuergenauigkeit zu erhöhen bei reduzierter Schaltzeit für ein Drehventil.
-
Zur Steuerung einer Drehventilanordnung bei Kraft- und Arbeitsmaschinen die in 4-Takt-Verfahren arbeiten und mindestens einen Kolben aufweisen, wobei die Ein- und/oder Ausströmöffnung mindestens eines Arbeitsraumes durch mindestens ein auf einer Drehventilwelle angeordnetes Drehventil geöffnet und geschlossen werden, wobei die Drehventilwelle von der Kurbelwelle über eine Steuerwelle antreibbar ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Verbindung zwischen Drehventilwelle 11 und Steuerwelle 13 aus einem Kegelzahnradgetriebe aus mindestens einem mit diesem periodisch in Eingriff befindlichen Steuerzapfen 14 besteht, wobei ein Wälzkreis des Steuerzapfens 14 beim Abrollen im Kegelzahnrad 15 eine Drehbewegung der Drehventilwelle 11 bewirkt und die Drehventilwelle 11 am Umfang Wölbungen 32 oder Vertiefungen 35 aufweist über die Klemmbacken 31 oder in die Raster 36 einer Feststelleinrichtung 30 greifen und damit die Drehventilwelle 11 taktweise fixieren, während kein Eingriff der Steuerwellenzapfen 14 in das Kegelzahnrad 15 erfolgt.
-
Bevorzugt wird ein Drehventil für einen/oder mehrere Arbeitsräume genutzt und dem Drehventil ist eine Einströmturbine als Dosiereinrichtung für die Luft- oder Kraftstoffluftgemischzufuhr vorgeschaltet, um die zugeführte Luft oder das Kraftstoffluftgemisch in das Drehventil einzublasen oder anzusaugen und über die Brennkammerverbindung, die periodisch bei Drehung des Drehventils geöffnet und ansonsten verschlossen ist, in den jeweiligen Arbeitsraum zu transportieren, wobei die Drehventilwelle des Drehventils von der Steuerwelle angetrieben wird, deren Umdrehung sich zur Kurbelwellenumdrehung des Hubkolbenmotors wie n:1 (n > 1) verhält.
-
Diese Anordnung sichert ein optimales Füllvolumen des oder Arbeitsräume des jeweiligen Motors und vermeidet Strömungsverluste. Darüberhinaus sind kurze Schaltzeiten erreichbar.
-
Bei einem 4-Taktmotor, bei dem durch ein Drehventil nur der Einlass und ein weiteres Drehventil nur der Auslass gesteuert wird, wobei jedes Drehventil über die Steuerwelle gesondert angesteuert wird, bedeutet dies, dass auf der Steuerwelle ein Steuerwellenzapfen angeordnet ist, dessen Wälzkreis beim Abrollen im Kegelzahnrad eine Drehbewegung der Drehventilwelle um 90° bewirken muss. Dabei kann der Steuerwellenzapfen einen Wälzkreis umfassen oder auch durch zwei nebeneinanderliegende Steuerwellenzapfen (2 × 45°) gebildet werden.
-
Vier Steuerwellenumdrehungen bewirken so eine Umdrehung der Drehventilwelle (4 × 90°). Vom Drehventil lassen sich so maximal 4 Zylinder entweder einlassseitig oder auslassseitig bedienen.
-
Sollen nur 2 oder 3 Zylinder bedient werden, sind zwei oder eine Öffnungspositionen des Drehventils „Blindstellen”, d. h. von hier gibt es keine Verbindung zu einer Brennkammer.
-
Die Füllzeit beträgt bei dieser Anordnung einem Winkelmaß der Steuerwelle von 270°.
-
Bei einem 4-Taktmotor, bei dem durch ein Drehventil sowohl der Einlass als auch der Auslass gesteuert werden soll, das Drehventil somit über 2 Durchlässe verfügt, bedeutet dies, dass auf der Steuerwelle ein Steuerwellenzapfen angeordnet ist, dessen Wälzkreis beim Abrollen im Kegelzahnrad eine Drehbewegung der Drehventilwelle um 45° bewirkt. Jede Öffnung (Durchlass) des Drehventils durchläuft so 8 Positionen bei einer Umdrehung der Drehventilwelle (4 × Einlass, 4 × Auslass), jeweils um 45° getaktet. Das entspricht 8 Steuerwellenumdrehungen und 4 Kurbelwellenumdrehungen (4-Taktmotor).
-
Auf diese Weise lassen sich ebenfalls 4 Zylinder bedienen. Sollen weniger bedient werden, sind entsprechende Öffnungspositionen des Drehventils „Blindstellen”. Die Füllzeit beträgt bei der Anordnung einem Winkelmaß der Steuerwelle von 315°.
-
Insbesondere bei einem derartigen Einsatz eines Drehventils für Ein- und Auslassfunktionen bietet es sich an, wenn separate Gehäuseteile des Drehventils einmal zusammengefasst vor den Einströmpositionen und einmal zusammengefasst nach den Ausströmpositionen vorhanden sind, in die entweder ein Einströmkanal von der Einströmturbine von der Einstromturbine kommend mündet oder aus denen ein Ausstromkanal abgeht.
-
Um diese taktweise Bewegung zu ermoglichen weist die Drehventilwelle am Umfang Wölbungen oder Vertiefungen auf, über die Klemmbacken oder in die Raster einer Feststelleinrichtung greifen und damit die Drehventilwelle taktweise fixieren, während kein Eingriff der Steuerwellenzapfen in das Kegelzahnrad erfolgt.
-
Eine solche Feststelleinrichtung kann aus zwei miteinander zusammenwirkenden Klemmbacken bestehen, die auf den Umfang der Drehventilwelle vorzugsweise unter der Kraft einer oder drei Federn wirken.
-
Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
-
1: Drehventilanordnung mit Einlass- oder Auslassfunktionen
-
2: Einströmturbine,
-
3: Steuerwelle für Ein- und Auslassventil,
-
4: Steuerwelle mit Zapfen,
-
5: Feststelleinrichtung mit Klemmbacken einmal federbelastet und
-
6: Feststelleinrichtung 3-fach federbelastet,
-
7: gekoppelte Drehventile und
-
8: Drehventil mit Einlass- und Auslassfunktionen.
-
1 zeigt die Drehventilanordnung in der Draufsicht und Seitenansicht, teilweise geschnitten, für einen 4-Taktmotor mit Einlassfunktion (Z1–Z4) vorzugsweise für eine 4-Zylindermaschine.
-
Das Drehventil 8 ist auf der Drehventilwelle 11 im Drehventilgehäuse 9 gelagert. Es verfügt über eine Drehventilöffnung 12, die 1/8 der Drehventilscheibe einnimmt und über die Luft oder ein Kraftstoffluftgemisch von der Einströmturbine 1 kommend und dabei den Strömungskanal 4 durchströmend in die Brennkammerverbindung 10.3 des Zylinders Z3 gelangt, wenn die Drehventilöffnung 12 sich in der Position „offen” befindet. Durch das Drehventilgehäuse 9 wird gleichzeitig ein Kühlmittel vom Kühlmitteleinlass 16 zum Kühlmittelauslass 17 transportiert.
-
Die Drehventilwelle 11 wird von der Steuerwelle 13 angetrieben, wobei sich das Drehzahlverhältnis Steuerwelle/Kurbelwelle wie 2:1 verhält. Zum Antrieb der Drehventilwelle 11 wird ein Kegelzahnrad 15 auf der Drehventilwelle genutzt, dass sich zeitweilig im Eingriff mit einem Steuerzapfen 14 der Steuerwelle 13 befindet.
-
Der Steuerzapfen 14 bewirkt bei jeder Umdrehung der Steuerwelle 13 ein Verdrehen der Drehventilwelle 11 um 90°. So lassen sich 4 Zylinder einlassseitig im 4-Taktverfahren steuern und die Füllzeit entspricht einer Drehung der Steuerwelle von 270°. Sollen weniger als 4 Zylinder bedient werden, wird die entsprechende Position Z2–Z4 durch eine „Blindstelle” ersetzt, d. h. von hier führt keine Verbindung zu einer Brennkammer. Eine analoge Anordnung ist für den Auslass vorzusehen.
-
In Zeiten des Nichteingriffes des Steuerzapfens 14 kommt eine selbsttätige Feststelleinrichtung 30 für die Drehventilwelle 11 zum Einsatz.
-
In 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Einströmturbine 1 dargestellt. Die Einströmturbine 1 weist eine im wesentlichen hohlzylindrische Form auf, die beidseitig Öffnungen, den Einstromkanal 2 und den Hilfskanal 3 besitzt, wobei in der Mantelfläche mindestens eine Öffnung zu einem Strömungskanal 4 zum Drehventil 8 angeordnet ist. Der Einstromkanal 2 und/oder Hilfskanal 3 sind bezuglich der durch diese ein- oder austretenden Luft oder eines Kraftstoffluftgemisches verstellbar ausgebildet.
-
Dazu sind in oder unmittelbar vor dem Einstromkanal 2 und/oder Hilfskanal 3 in die hohlzylindrische Form der Einstromturbine 1 jeweils Gebläse 5, 6 angeordnet, wobei mindestens das Gebläse 6 steuerbar ist.
-
Der Druckaufbau in der hohlzylindrischen Form der Einstromturbine 1 kann dabei folgenden Zustand erreichen: unterhalb des atmosphärischen Luftdruckes (atm), gleich atm, etwas über atm, deutlich über atm.
-
3 zeigt die Verwendung einer Steuerwelle 13, die von der Kurbelwelle 29 mit dem Übersetzungsverhältnis 1:2 angetrieben wird, für ein Drehventil 8 zum Einlass und ein Drehventil 7 für den Auslass bei einer 4-Zylinder-4-Takt-Maschine.
-
4 zeigt die Übertragung der Bewegung der Steuerwelle 13, die in einem Übersetzungsverhältnis zur Kurbelwelle wie 2:1 steht, d. h. eine Kurbelwellenumdrehung entspricht zwei Steuerwellenumdrehungen, über die Kombination Steuerwellenzapfen 14 und Kegelzahnrad 15 auf die Drehventilswelle 11. Die Drehzahl der Steuerwelle 13 wird auf die Drehventilwelle 11 taktweise übertragen und in Abhängigkeit vom Wälzkreis des Steuerwellenzapfens 14. Dies kann durch einen Steuerwellenzapfen 14 mit jeweils einer Übertragung von 1/4 der Umdrehung oder durch zwei nebeneinanderliegende Steuerzapfen 14 mit jeweils 1/8 der Umdrehung erfolgen. In der Summe muss bei jeder Steuerwellendrehung die Umdrehung der Drehventilwelle 11 um 90° erfolgen bei einer Ausfuhrung, wo nur Aus- oder nur Einlassvorgänge gesteuert werden. 4 Steuerwellenumdrehungen entsprechen dann 2 Kurbelwellenumdrehungen und einer Drehventilwellenumdrehung, so dass 4 Ein- oder 4 Auslassvorgänge steuerbar sind. Das entspricht der Anordnung gemäß 1. Wird von den dargestellten zusammensetzbaren Steuerwellenzapfen 14.1, 14.2 einer weggelassen, verdoppelt sich die Schaltfrequenz des Drehventils und es wird nutzbar für einen in 10 dargestellten Einsatzfall von 8 Schaltpositionen wahrend einer Umdrehung der Drehventilwelle 11.
-
Für die Zeit zwischen dem Eingriff der Steuerzapfen 14 in das Kegelzahnrad 15 bedarf es einer Feststelleinrichtung 30 für die Drehventilwelle 11. Eine solche Feststelleinrichtung 30 wird in den 5 und 6 gezeigt.
-
Eine derartige Feststelleinrichtung 30 kann aus zwei miteinander zusammenwirkenden Klemmbacken 31 bestehen, die auf den Umfang der Drehventilwelle 11 vorzugsweise unter der Kraft einer oder drei Federn 33 wirken. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Klemmbacken 31 gegenuberliegend auf den Umfang der Drehventilwelle 11 wirken.
-
Wie gezeigt wird, weist die Drehventilwelle 11 dazu der Taktposition entsprechende Außenwölbungen 32 oder Innenwölbungen 35 auf, auf die oder in die die Innenseiten der Klemmbacken 31 oder an den Klemmbacken 31 angeordnete Raster 36 beim Feststellen greifen.
-
7 zeigt zwei miteinander mit einem Drehzahlverhaltnis von 1:1 gekoppelte Drehventile 7, 8, eins für den Einlass und eins für den Auslass eines Zylinders mit dem Kolben 39, der eine Wirbelkammer 40 aufweist. Die Drehventilöffnungen sind um 90° zueinander versetzt. Auch hier wird mit einem Übersetzungsverhältnis Kurbelwelle/Steuerwelle von 1:2 gearbeitet. Der Vorteil besteht darin, dass die Drehventile 7, 8 hier den Brennraum direkt abschließen. So konnen Hohlräume z. B. resultierend aus den Überströmkanälen 19, die bei Selbstzündern technisch nicht gewollt, weil nachteilig, sind, vermieden werden.
-
8 zeigt eine Variante, bei der ein Drehventil 8 die Ein- und Auslassfunktionen eines 4-Zylinder-4-Takt-Motors steuert, indem es 8 Positionen für ein geoffnetes Drehventil 8 aufweist, von denen zeitgleich jeweils eine Drehventilöffnung 12.1 und eine gegenüberliegende Drehventiloffnung 12.2 mit Verbindung zu zwei unterschiedlichen Zylindern geoffnet sind. Die Öffnungen 12.1 und die Öffnungen 12.2 münden vor bzw. nach dem Drehventil 8 entsprechend ihrer Funktion jeweils in separate Gehäuseteile 9.1, 9.2 des Drehventilgehäuses 9, in die entweder ein Einstromkanal 4 mündet oder aus denen ein Ausstromkanal 20 abgeht.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Einströmturbine
- 2
- Einströmkanal in Einströmturbine
- 3
- Hilfskanal
- 4
- Strömungskanal von der Einströmturbine zum Drehventil
- 5
- Gebläse im Einströmkanal
- 6
- Gebläse im Hilfskanal
- 7
- Drehventil (Auslass)
- 8
- Drehventil (Einlass)
- 9
- Drehventilgehäuse
- 10
- Brennkammerverbindung
- 11
- Drehventilwelle
- 12
- Drehventilöffnung
- 13
- Steuerwelle
- 14
- Steuerwellenzapfen
- 15
- Kegelzahnrad
- 16
- Kühlmitteleinlass
- 17
- Kühlmittelauslass
- 18
- Ein- und Auslassventilverknupfung
- 19
- Überströmkanäle zu den Brennkammern
- 20
- Auslasskanal
- 21
- n. b.
- 22
- n. b.
- 23
- n. b.
- 24
- n. b.
- 25
- n. b.
- 26
- n. b.
- 27
- n. b.
- 28
- n. b.
- 29
- Kurbelwelle
- 30
- Feststelleinrichtung
- 31
- Klemmbacke
- 32
- Drehventilwellenwolbung außen
- 33
- Feder
- 34
- Drehachse
- 35
- Drehventilwellenwölbung innen
- 36
- Raster
- 37
- Ein- und Auslassventilanordnung
- 38
- Zahnrad
- 39
- Kolben
- 40
- Wirbelkammer
- 41
- getrennter Ein- und Auslasskanal
- 42
- zwei getrennte Ein- und Auslasskanäle für Schrittschaltmotorsteuerung
- 43
- Ansteuerung der Drehventilwelle
