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Die
Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor,
bei dem zumindest über einen
Drehschieber ein Gasstrom im Zylinderkopf gesteuert wird.
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Zylinderköpfe mit
Drehschiebern zur Steuerung der Gasströme, insbesondere des Einlass-
sowie Auslassstroms, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bspw.
aus der
US 5095870 A sowie
der
EP 0423444 B1 sind
Zylinderköpfe
mit Drehschiebern bekannt, deren Drehschieber mit Ausnehmungen versehen
sind, die abhängig
von der Position des zugeordneten Kolbens so gedreht werden, dass
mittels der ausgefrästen Öffnung im
Drehschieber die Verbindung eines Ausströmkanals im Zylinderkopf zum Auslasskanal
des Zylinders bzw. die Verbindung eines Einlasskanals im Zylinderkopf
zum Zylinder hergestellt bzw, verschlossen wird. Diese Ausnehmungen
sind so gestaltet und versetzt zueinander angeordnet, dass Rotationsbereiche
der Drehschieber vorgesehen sind, in denen sowohl der Einlass- als auch der Auslasskanal
verschlossen sind, als auch Rotationsbereiche, in denen sowohl Einlass-
als auch Auslasskanal zum Teil geöffnet sind. Durch diese Überschneidung
wird im Einlasskanal aufgrund des durch den Auslasskanal ausgestoßenen Abgases
ein Sog erzeugt, der die Befüllung
des Zylinders mittels durch den Einlasskanal einströmenden Frischgases
verbessert.
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Aus
dem Dokument
DE 29
38 118 A1 ist eine Regelvorrichtung für Verbrennungsmotoren bekannt, die über in jedem
der zu den einzelnen Arbeitsräumen
der Zylinder führenden
Ansaugrohren vor dem Einlassventil ein den Einlassquerschnitt periodisch öffnendes
und schließendes
Drosselorgan angeordnet ist, dessen Öffungs- und Schliesszeit in
bezug auf die Öffnungs-
und Schließzeit
des Einlassventils veränderbar
ist.
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Das
Dokument
US 45 72 116
A zeigt eine ähnliche
Regelvorrichtung für
Verbrennungsmotoren, die über
ein im Ansaugrohr vor dem Einlassventil angeordnetes Rotationselement
verfügt
mittels dem der Einlassquerschnitt eingestellt werden kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zylinderkopf der genannten
Art zu schaffen, der einerseits eine hohe Maximalleistung des Verbrennungsmotors
aufgrund hoher zulässiger
Drehzahlen und optimierter Befüllung
der Zylinder ermöglicht, und
zum anderen auch im Teillastbereich ein hohes Drehmoment erzeugt
und einen wirtschaftlichen Betrieb gestattet.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Gemäß Anspruch
1 ist stromab der Ausnehmung des Drehschiebers, durch die das auszustoßende Abgas
bzw. das einzuführende
Frischgas strömt,
eine Querschnitteinstellvorrichtung vorgesehen, mittels der es möglich ist,
den wirksamen Querschnitt des Einlass- oder Auslasskanals einzustellen. Selbstverständlich kann
eine derartige Vorrichtung sowohl am Einlass- als auch am Auslasskanal
vorgesehen sein. Die Querschnitteinstellvorrichtung verfügt im Wesentlichen über zwei
Elemente, von denen das erste Element die Aufgabe hat, den wirksamen Querschnitt
des Kanals zu reduzieren und das zweite in den Kanal ragende Element
die Funktion erfüllt,
einen mehr oder weniger kontinuierlichen Übergang vom reduzierten Querschnitt
zum vollen Querschnitt des Kanals zu schaffen. Durch die Querschnittreduzierung
soll auch im Teillastbereich eine hohe Strömungsgeschwindigkeit gewährleistet
werden, um das Füllverhalten
des Zylinders zu verbessern. Hierbei ist es wesentlich, dass auch
bei Verminderung des Kanalquerschnitts Toträume und unnötige Kanten soweit wie möglich vermieden
werden, um die Entstehung schädlicher
Wirbel auszuschließen
oder zumindest zu reduzieren.
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Vorteilhaft
sind das erste und zweite Element so angeordnet und gelagert, dass
in ihrer Ausgangsstellung der Einlass- bzw. Auslassabschnitt bzw. Bereich
des Zylinders sowie der zugeordnete Kanal keinesfalls beeinträchtigt werden.
Zwischen der dem Querschnitt so weit wie möglich reduzierenden Stellung
und der Ausgangsstellung können Zwischenstellungen
vorgesehen sein. Dabei können
diskrete Zwischenstellungen realisiert werden oder ein stufenloser
Betrieb zwischen der Ausgangs- und der Maximalstellung.
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Zweckmäßig sind
das erste und zweite Element miteinander mechanisch verbunden, um
die Bewegung bzw. den Bewegungsablauf so einfach wie möglich zu
gestalten.
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Wenngleich
zur Bewegung der Elemente sowohl eine Verschiebung als auch eine
Rotation grundsätzlich
in Frage kommt, hat sich für
das erste Element eine Verschiebung auf einer Kreisbahn als vorteilhaft
erwiesen, wohingegen das zweite Element im Wesentlichen verschwenkt
wird, dieser Schwenkbewegung jedoch auch eine translatorische Bewegung überlagert
ist. Grundsätzlich
wäre jedoch
auch für
das erste Element eine reine Schwenkbewegung denkbar. Die Lagerung
der Elemente kann auf unterschiedlichste Weise geschehen. Das erste
Elemente sollte jedoch mindestens an zwei Punkten gelagert sein.
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Vorteilhaft
werden beide Elemente zumindest weitgehend in der Ausgangsstellung
in dem Wandungsabschnitt zwischen Einlass- oder Auslassabschnitt
des Zylinders und dem zugeordneten Kanal angeordnet. Zur Reduzierung
des Kanalquerschnitts kann das erste Element relativ kurz gestaltet
sein, wohingegen das zweite Element, eher langgestreckt gestaltet
sein sollte. Das zweite Element kann daher eine plattenförmige Gestalt
aufweisen, ist jedoch in jedem Fall an den Kanal anzupassen und
kann daher auch andere Formen aufweisen. Bspw. kann auch eine Rinnenform
zweckmäßig sein,
in jedem Fall handelt es sich grundsätzlich um ein langgestrecktes Element.
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Um
die Strömung
im Kanal nicht zu beeinträchtigen,
sollte in jeder Stellung ein möglichst
kontinuierlicher Übergang vom
ersten zum zweiten Element gewährleistet
sein. Hierzu hat sich eine Gestaltung bewährt, bei der das zweite Element
an seinem zum ersten Element hin gerichteten Stirnende einen mehr
oder weniger kreisförmigen
Querschnitt aufweist, der in eine entsprechende Ausnehmung des ersten
Elements eingreift.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung ist des weiteren ein drittes Element
vorgesehen, das in den Einlass- oder Auslassabschnitt des Zylinders einbringbar
ist, um so den effektiven Querschnitt dieses Bereichs zum Drehschieber
hin zu vermindern. Die Wirkung dieses Elements wird jedoch in erster
Linie nicht in einer Verminderung des Querschnitts gesehen, sondern
darin, die Steuerzeiten, d.h. den Öffnungs-/Schließzeitpunkt
des Drehschiebers zu beeinflussen. Dies wird anhand des konkreten
Ausführungsbeispiels
noch näher
erläutert
werden. Bspw. kann durch dieses Element der Öffnungszeitpunkt des Querschnitts
verschoben werden und auch die Gesamtöffnungsdauer vermindert werden.
Dies ist insbesondere für
den Teillastbetrieb von Interesse, so dass diese Maßnahme mit
der zuvor beschriebenen Maßnahme
kombiniert eingesetzt werden kann, um den Betrieb des Verbrennungsmotors
im Teillastbereich zu verbessern.
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Grundsätzlich kann
die Gestaltung hinsichtlich des dritten Elements ähnlich wie
hinsichtlich des zweiten Elements erfolgen. D.h., zweckmäßig kann das
dritte Element diskret oder stufenlos in diverse Zwischenstufen
gebracht werden. Zweckmäßig wird mit
dem dritten Element ein Teil des Einlass- oder Auslassbereichs des
Zylinders flächig
verschlossen, wobei auch daran gedacht werden kann, das dritte Element
so zu gestalten, dass der von ihm überdeckte Bereich nicht vollständig verschlossen
wird, sondern eine teilweise Durchströmung erlaubt, indem bspw. im
dritten Element Ausnehmungen vorgesehen sind. Zweckmäßig wird
das dritte Element, wie zum ersten Element bereits erläutert, auf
einer Kreisbahn verschoben, wobei auch andere Möglichkeiten der Bewegung des
Elements von der Ausgangsstellung in die Maximal- sowie Zwischenstellungen
möglich
sind.
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Das
dritte Element kann, wie das erste Element, in einem Wandungsbereich
des Zylinderkopfs in der Ausgangslage angeordnet sein, so dass in
der Ausgangslage die Geometrie des Einlass-/Auslassbereichs des
Zylinders sowie des zugeordneten Kanals nicht beeinträchtigt wird.
Dabei können
das erste und das dritte Element ineinander greifen, was eine platzsparende,
kompakte Lösung
ermöglicht.
Weiterhin wird bei einer derartigen Konstruktion, wie sie anhand
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden
wird, der sich ergebende Totraum bei der maximal ausgefahrenen Stellung
der Elemente gering gehalten. Dieser Totraum kann gemäß einer vorteilhaften
Weiterbildung über
ein geführtes
Element abgedeckt werden, so dass auch in dieser Stellung sowie
in den Zwischenstellungen kein Totraum auftritt, der zur Verwirbelung
des ein- bzw. ausströmenden
Gases führen
kann. Dieses Element ist vorteilhaft als dünnwandige Blende ausgebildet.
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Die
Erfindung wird folgend näher
anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
beschrieben.
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1 zeigt
die Erfindung angewandt im Auslassbereich eines Verbrennungsmotors.
Der Auslassabschnitt des Zylinders ist mit 1 bezeichnet.
Dieser kann mittels eines Drehschiebers 3 geöffnet oder
verschlossen werden. Hierzu verfügt
der Drehschieber über
eine Ausnehmung 4, die sich beim konkreten Ausführungsbeispiel über einen
Winkelbereich von etwa 180° erstreckt
und in ihrer Kontur so beschaffen ist, dass sie in der gezeigten
Stellung, die die Maximalöffnung
darstellt, einen kontinuierlichen Übergang vom Auslassabschnitt 1 des
Zylinders über
die Ausnehmung 4 des Drehschiebers in den Auslasskanal 2 des
Zylinderkopfes ermöglicht.
Der Auslasskanal 2 wird nach oben hin durch die obere Wandung 9 und
nach unten hin durch die untere Wandung 8 des Zylinderkopfes
begrenzt.
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Wie
gut aus der Darstellung zu ersehen, sind das erste Element 5,
das zweite Element 6 und das dritte Element 7 so
in der unteren Wandung 8 des Zylinderkopfs angeordnet,
dass der Auslassabschnitt 1 des Zylinders und der Auslasskanal 2 des
Zylinderkopfs nicht gestört
sind. Die in 1 gezeigte Stellung ist charakteristisch
für den
Volllastbetrieb des Motors, bei dem ein möglichst großer wirksamer Kanalquerschnitt
zur Verfügung
gestellt werden soll.
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2 zeigt
die entsprechende Position des Drehschiebers im Teillastbereich.
Hier soll zum einen der wirksame Kanalquerschnitt des Auslasskanals 2 vermindert
werden, zum anderen soll der Drehschieber später öffnen, d.h. der Auslasskanal
später
freigegeben werden. Zu beachten ist, dass bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
der Drehschieber 3 links herum, also in Gegenuhrzeigersinn,
dreht. Dabei ist klar, dass durch das ausgefahrene dritte Element 7 ein
späteres Öffnen des
Auslassabschnitts 1 erreicht wird, da die Kante, bei der
die Ausnehmung 4 den Auslassabschnitt 1 öffnet, in
Drehrichtung verschoben wird und somit der Auslassabschnitt 1 später geöffnet wird.
Durch das erste Element 5, das – wie in 2 dargestellt – in den
Auslasskanal 2 geschoben wird, wird der wirksame Querschnitt
des Auslasskanals 2 vermindert. Um dennoch einen kontinuierlichen Übergang
zum vollen Kanalquerschnitt zu gewährleisten, ist das zweite Element 6 vorgesehen,
das als langgestrecktes Element zum einen diesen Übergang
gewährleistet
und zum anderen erzielt, dass sich der Kanalquerschnitt kontinuierlich aufweitet,
wodurch das ausgeschobene Abgas sich entspannen kann, was sich ebenfalls
vorteilhaft auf den Gaswechsel auswirkt. Durch die vollen nicht
mit Bezugszeichen versehenen Punkte sind Lagerpunkte des ersten
und dritten Elements 5, 7 angedeutet. Wie gut
aus einer Gegenüberstellung
der 1 und 2 zu ersehen, schieben sich
das erste Element 5 und das dritte Element 7 in
der Ausgangslage in kompakter und vorteilhafter Weise ineinander,
so dass diese im unteren Wandungsabschnitt aufgenommen werden können und
die bevorzugte Geometrie des Auslassabschnitts 1 bzw. Auslasskanals 2 nicht
gestört
wird.
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In
der in 2 gezeigten ausgefahrenen Stellung entsteht beim
gezeigten Ausführungsbeispiel
zwischen dem ersten Element 5 und dem dritten Element 7 ein
Totraum, der in der Praxis jedoch die Strömung nicht nennenswert stört, da bei
der getroffenen schematischen Darstellung die Elemente 5, 6 und 7 zur
besseren Übersichtlichkeit
wesentlich stärker
dargestellt wurden als diese in der praktischen Ausführung tatsächlich sind.
D.h., bei der konkreten Ausführung
sind insbesondere die Elemente 5 und 7 vergleichsweise
dünn mit
geringer Stärke
gestaltet, so dass der genannte Totraum entsprechend gering ausfällt.
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In
einer nicht dargestellten Ausführungsform wird
der Totraum des weiteren über
eine jalousieartige Blende abgedeckt, die der äußeren Kontur des Drehschiebers
folgt und in der Wandung des Auslasskanals 2 gelagert ist.
Diese Blende wird durch das erste und dritte Element 5 und 7 mitgenommen, also
beim Ausschieben auseinander gezogen und beim Zusammenfahren in
entgegengesetzter Weise wieder zusammengeschoben.
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Die 3 und 4 zeigen
in analoger Weise die Anwendung der Erfindung im Einlassbereich eines
Verbrennungsmotors. 3 zeigt dabei die nicht aktivierte
Querschnitteinstellvorrichtung, was bei Volllast erwünscht ist,
um einen maximalen Einlassquerschnitt zu erzielen. 4 zeigt
dagegen die Vorrichtung im Teillastbereich mit entsprechend reduziertem
Kanalquerschnitt und verschobener Steuerzeit. Bei der konkreten
Ausführungsform
wird im Einlassbereich bei Teillast in der Nähe des Einlassabschnitts des
Zylinders ein konstanter Kanalquerschnitt bevorzugt, so dass das
zweite Element 6 im Gegensatz zur im Hinblick auf den Auslassbereich beschriebenen
Querschnittseinstellvorrichtung parallel verschoben wird und keine
Schwenk- oder Kippbewegung realisiert wird. Auf diese Weise wird
eine unerwünschte
Querschnittsreduzierung zum Einlassabschnitt hin vermieden und ein
weitgehend konstanter Kanalquerschnitt gewährleistet, um eine weitgehend
laminare Strömung
zu erzielen. Ein kontinuierlicher Übergang vom reduzierten Querschnitt
zum vollen Querschnitt kann weiter stromoberhalb durch geeignete ähnliche
Elemente oder Blenden erzielt werden.