DE102009012372B4

DE102009012372B4 - Phasenschieber zur Steuerung der Gasübertritts-Zeitpunkte beim Ladungswechsel bei einem Rotationskolben-Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102009012372B4
Application number: DE102009012372A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2013-03-14
Anticipated expiration: 2029-03-10
Also published as: DE102009012372A1

Abstract

Zur Variation der Ladungswechsel-Steuerzeiten bei einem Rotationskolbenmotor nach Pat.-Nr. 101 10 261 mit einer Lamellendichtung mit Ladungswechsel-Steuerschieber nach Pat.-Nr. 10 2007 029 200 werden zusätzliche Phasenschieber zwischen Steuerschieber und Außengehäuse-Teilen erforderlich. Diese Phasenschieber sind ebenfalls mit Durchtrittsöffnungen versehen, die geometrisch so ausgelegt sind, dass je nach axialer Lage des Phasenschiebers, die Gasübertrittzeiten vom Verdichtungsraum in den Brennraum und von diesem in den Expansionsraum verändert werden können. Die axiale Position des Phasenschiebers wird mittels einem externen Verstellmechanismus, abhängig von den Betriebsbedingungen des Motors, eingestellt. Es ist mindestens ein Phasenschieber jeweils auf der Verdichtungs- und/oder auf der Expansionsseite vorgesehen. Bei Verwendung von mindestens jeweils einem einlass- und auslass-seitigen Phasenschieber können diese unabhängig voneinander in beliebigen Lagen innerhalb des Verstellweges positioniert werden. Die Veränderung der Gasübertrittzeiten mittels der Phasenschieber während des Betriebs des Motors ermöglicht Optimierungen bei dessen Drehmomentverlauf, dem Abgasverhalten und dem spezifischen Verbrauch jeweils in Abhängigkeit von der Drehzahl.

Description

Stand der Technik
Bei modernen 4takt- Verbrennungsmotoren werden durch die relative Winkeländerung der Lage der Nockenwelle/-n zur Kurbelwelle während des Betriebs des Motors der Drehmomentverlauf (und damit die Motorleistung), das Abgasverhalten (interne Abgasrückführung im Brennraum) und der spezifische Verbrauch abhängig von der Motordrehzahl positiv beeinflusst. Zur technischen Umsetzung dieser Winkeländerungen finden Nockenwellenversteller Anwendung, die im Motorbetrieb die Steuerzeiten und damit die Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile auf der Einlass- und/oder Auslass-Seite relativ zueinander und zur Kurbelwelle verschieben. So wird z. B. zum Erreichen der max. Leistung des Motors bei höheren Drehzahlen die Lage des Einlassschlusses zu späteren Steuerzeiten hin verschoben, um höhere Liefergrade im Zylinder zu erzielen.
Beim in Patent-Nr. DE 101 10 261 A1 beschriebenen Rotationskolben-Verbrennungsmotor mit „Lamellendichtung mit Ladungswechsel-Steuerschieber” basierend auf der Anmeldung Pat.-Nr. DE 10 2007 029 200 B3 ist der jeweilige Beginn des Gaseinlasses vom Verdichtungs- in den Brennraum, bzw. des Gasauslasses aus dem Brennraum in den Expansionsraum über die geometrisch festgelegte Lage der Überströmöffnungen im Steuerschieber definiert. Hierbei erfolgt der Gasübertritt dann, wenn die linke oder rechte Überströmöffnung mit dem jeweiligen Ein- oder Ausströmkanal in/aus dem Brennraum zur Überdeckung kommt. Auch bei den Anmeldungen DE 103 10 185 A1 und US 3 942 484 A resultieren die Gas-Übertrittszeitpunkte aus den geometrisch festgelegten Lagen der Lamellendichtungen und den zugehörigen Anordnungen der Brennräume, so dass keine variablen Gasübertrittszeitpunkte ermöglicht werden.
Aufgabenbeschreibung
Die der hier eingereichten Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine drehzahl- und lastabhängige Veränderung der Gasübertrittzeiten vom Verdichtungsraum in den Brennraum und von diesem in den Expansionsraum während des Motorbetriebs mittels eines Steuerungssystems zu ermöglichen. Dabei müssen auch für weitere Anforderungen, wie minimale Reibungsverluste, ausreichende Dichtheit der Arbeitsräume und die in einfacher und kostengünstiger Weise mögliche Fertigbarkeit der erforderlichen Komponenten, Lösungen gefunden werden.
Für einen Rotationskolben-Verbrennungsmotor nach Pat.-Nr. 101 10 261, der mit einer „Lamellendichtung mit Ladungswechsel-Steuerschieber” nach Pat.-Nr. 10 2007 029 200 ausgestattet ist, ist deshalb mindestens auf einer Seite, d. h. links oder rechts von der Trennwand (4) zwischen dem Steuerschieber (41) und dem linken oder rechten Außengehäuse (1.4 oder 1.5), ein zusätzlicher, beweglicher Phasenschieber (45.1 oder 45.2) vorzusehen, wobei dieser mindestens eine Phasenschieber mit wenigstens einer Durchtrittsöffnung (47.1 oder 47.2) versehen ist.
Abhängig von der axialen Position dieses mindestens einen Phasenschiebers (45.1 od. 45.2) wird der Gasübertritt vom Verdichtungsraum (6) in den Brennraum (14), oder vom Brennraum (14) in den Expansionsraum (7) früher oder später ermöglicht (5 u. 7).
Dieser mindestens eine Phasenschieber (45.1 oder 45.2) kann als eindimensional bewegter Plattenschieber, wie 6 zeigt, als Dreh- oder Walzenschieber ausgeführt werden, ohne dass die vorliegende Erfindung allein auf diese Möglichkeiten beschränkt sein soll. Dabei ist die Geometrie der Durchtrittsöffnung (47.1 oder 47.2) im Phasenschieber abhängig von der Wahl der Phasenschieberausführung, der jeweiligen geometrischen Form der Überströmöffnung (3.1.1 oder 3.1.2) im Steuerschieber (41) und der Querschnittsform der Ein- oder Austrittsöffnungen des Ein- oder Ausströmkanals (15 oder 16) in, oder aus dem Brennraum (14) am Übertritt zum Phasenschieber (45.1 oder 45.2).
Bei dem als Beispiel in 1 dargestellten mindestens einen als Plattenschieber ausgeführten verdichtungsseitigen Phasenschieber (45.1) ist dessen ovale Durchtrittsöffnung (47.1 in 6) so ausgelegt, dass in der rechten Endlage des Phasenschiebers, und bei Dichtlamellenposition ebenfalls in der rechten Endstellung, keine Verbindung zwischen dem Überströmkanal (3.1.1) und dem Einströmkanal (15) gegeben ist. Erst nach kurzem Weiterdrehen der Rotationskolben (2.1 u. 2.2) und der damit verbundenen Verschiebung der Dichtlamelle nach links, wird eine Verbindung „a-a” zwischen dem Verdichtungsraum (6) und dem Einströmkanal (15) in den Brennraum (14) hergestellt (2 u. 6). Der volle Durchströmquerschnitt wird dann erreicht, wenn die Durchtrittsöffnung (47.1) im Phasenschieber (45.1) und die Überströmöffnung (3.1.1) im Steuerschieber (41) komplett zur Überdeckung kommen (3). Durch Verschieben des Phasenchiebers (45.1) nach links wird die Verbindung zwischen Verdichtungsraum (6) und Brennraum (14) entsprechend später freigegeben (4).
Vergleichbare Bedingungen gelten auch bei einem auf der Expansionsseite angebrachten Phasenschieber (45.2), mit dem das Überströmen des Verbrennungsgases vom Brennraum (14) in den Expansionsraum (7) zeitlich früher oder später gesteuert werden kann (5 u. 7).
Die Einstellung der unterschiedlichen axialen Positionen des mindestens einen Phasenschiebers (45.1 oder 45.2) im Betrieb ist pneumatisch, elektromagnetisch, hydraulisch oder mechanisch darstellbar, wobei sich auch hier die Erfindung nicht allein auf diese Möglichkeiten beschränkt.
Eine weitere Optimierung der spezifischen Betriebsdaten des Motors ist durch die Verwendung von zwei Phasenschiebern, d. h. mit je einem verdichtungs- und expansionsseitigem Phasenschieber (45.1; 45.2) gegeben, die jeweils auf der linken und rechten Seite von der Trennwand (4) vorzusehen sind (5). Die axiale Positionierung eines jeden dieser Phasenschieber, die voneinander unabhängige Einstellpositionen zulassen, ist auch unabhängig von der Bewegung des Steuerschiebers (41) selbst.
Obige, sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nun aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten, nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen (3 bis 7) näher erläutert.
5 zeigt den aus der Anmeldung P.-Nr. 10 2007 029 200 bekannten Aufbau der Lammellendichtung (40) mit Steuerschieber (41). Beispielhaft ist hier eine Anordnung mit zwei als Plattenschieber ausgeführten Phasenschiebern (45.1 und 45.2) dargestellt. Hierbei sind die beiden Phasenschieber parallel zum Steuerschieber (41), oberhalb von diesem, angeordnet und im linken u. rechten Außengehäuse (1.4; 1.5), jeweils links und rechts von der Trennwand (4), in Nut-ähnlichen Aussparungen, axial beweglich eingelassen. Jeder dieser beiden Phasenschieber (45.1 und 45.2) ist mit mindestens einer Durchtrittsöffnung (47.1, 47.2) versehen (6). Die Durchtrittsöffnungen (47.1 u. 47.2) sind dabei so dimensioniert, dass bei der linken oder rechten axialen Endstellung des jeweiligen Phasenschiebers (45.1 oder 45.2), die Überschneidung mit der auf der entsprechenden Seite befindlichen Überströmöffnung (3.1.1 oder 3.1.2) im Steuerschieber (41) früher oder später erfolgt. Damit kann der Gasübertritt in die brennraum-seitigen Ein- und Ausströmkanäle (15; 16) zeitlich gesteuert werden.
Als Beispiel zeigt 3 den verdichtungs-seitigen Phasenschieber (45.1) in der max. möglichen rechten Position und damit in der „Spät”-Stellung. D. h., dass das Frischgas zum spätest möglichen Zeitpunkt noch in den Verdichtungsraum (6) eintreten kann. Beim Verschieben des Phasenschiebers (45.1) nach links (4) wird das Überströmen des Gases bereits früher beendet, was gleichbedeutend mit einer „Früh”-Stellung ist. Zwischen den beiden extremen Positionen sind beliebige Zwischenstellungen möglich.
Die gleiche Funktion wird auch mit dem expansionsseitigen Phasenschieber (45.2) erreicht, der den Gasübertritt vom Brennraum (14) in den Expansionsraum (7) steuert (5 u. 7). Hier bedeutet die linke Endstellung des Phasenschiebers (45.2), dass das Überströmen des verdichteten Gases früher beginnt, wogegen ein axiales Verschieben des Phasenschiebers nach rechts das Ausströmen des Verbrennungsgases aus den Brennraum (14) erst später ermöglicht und auch früher wieder beendet.
Mit den oben beschriebenen Phasenschiebern (45.1 u. 45.2) lässt sich neben der last- und drehzahlabhängigen Verbrennungsoptimierung auch die interne Restgasmenge im Brennraum regulieren, indem der Gasübertritt durch den Ausströmkanal (16) zum Expansionsraum (7) entsprechend früher oder später beendet wird.
Die Möglichkeit, die Vorrichtung auch als Verdichter zu verwenden, ist ebenfalls gegeben. Hierbei wird bei der oben beschriebenen Anordnung die Durchtrittbohrung (47.3) im Phasenschieber (45.2) auf der rechten Seite, d. h. auf der Expansionsseite, in Laufrichtung der Rotorscheiben (2.1; 2.2) vor der mit dem Steuerschieber (41) verbundenen Dichtlamelle (40) angeordnet (8).
Weiterhin ist eine Schmierung zur Reduzierung von Reibungsverlusten zwischen dem Steuerschieber (41), den Phasenschiebern (45.1; 45.2) und dem li. u. re. Aussengehäuse (1.4 u. 1.5), bzw. der Trennwand (4) vorgesehen. Diese wird über mindestens eine in der Trennwand angebrachte Ölversorgungsnut, über die das Öl bei Überdeckung mit den in den Schiebern befindlichen Schmiernuten in diese einströmen kann, gewährleistet. Dabei sind die Schmiernuten im Steuerschieber und in den Phasenschiebern so angeordnet, dass in keiner möglichen Betriebslage eine direkte Verbindung der Ölnuten mit den Überström- und Durchtrittsöffnungen (3.1.1; 3.1.2; 47.1 u. 47.2) und dem Ein-/Ausströmkanal (15; 16) am Brennraum (14) gegeben ist.
Wegen der hohen Temperaturbelastungen im befeuerten Betrieb des Motors und aus Gewichts- und Verschleißgründen ist die Verwendung von keramischen Werkstoffen vorteilhaft.

Claims

Ladungswechsel-Steuersystem für einen Rotationskolben-Verbrennungsmotor mit einer Lamellendichtung mit Ladungswechselsteuerschieber, bei dem verdichtungs- oder expansionsseitig, d. h. links oder rechts von einer Trennwand (4) zwischen einem Steuerschieber (41) und den jeweiligen Aussengehäuseteilen (1.4 oder 1.5) mindestens ein beweglicher Phasenschieber (45.1 oder 45.2) angeordnet ist, wobei dieser mindestens eine Phasenschieber (45.1 oder 45.2) mittels einer eigenen Verstelleinrichtung in beliebige Positionen innerhalb des geometrisch möglichen Verstellweges positioniert werden kann, wobei die Verstellposition dieses mindestens einen Phasenschiebers unabhängig von der augenblicklichen Position des Steuerschiebers einstellbar ist, wobei der mindestens eine Phasenschieber (45.1 oder 45.2) mit wenigstens einer Durchtrittsöffnung (47.1 oder 47.2) versehen ist, die den Gasübertritt ermöglicht, wobei die Geometrie dieser wenigstens einen Durchtrittsöffnung (47.1 oder 47.2) bei dem mindestens einen Phasenschieber (45.1 oder 45.2) so ausgelegt ist, dass diese abhängig von der Position des Phasenschiebers (45.1 oder 45.2) früher oder später mit der Überströmöffnung im Steuerschieber (3.1.1 oder 3.1.2) und dem Ein- oder Ausströmkanal (15 oder 16) zum oder vom Brennraum (14) zur Überdeckung kommt und den Gasübertritt freigibt.
Ladungswechsel-Steuersystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sowohl einlass- als auch auslassseitig mindestens jeweils ein Phasenschieber (45.1 und 45.2) vorgesehen ist, wobei jeder dieser mindestens jeweils eine Phasenschieber (45.1, 45.2) unabhängig vom anderen bewegt werden kann und damit die Verdichtungs- und/oder die Expansionssteuerzeiten unabhängig voneinander einstellbar sind.
Ladungswechsel-Steuersystem nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass sich mittels der Phasenschieber (45.1, 45.2) die Motorkenngrößen Last, Drehzahl und Restgasgehalt im Brennraum durch Steuerung der Gasübertrittzeiten aus dem Verdichtungsraum (6) in den Brennraum (14) und von diesem in den Expansionsraum (7), optimieren lassen.
Ladungswechsel-Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnungen (47.1 u. 47.2) in den Phasenschiebern (45.1; 45.2) von der Lage her derart angeordnet sind, dass die Vorrichtung auch als Verdichter genutzt werden kann.
Ladungswechsel-Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 2 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Phasenschieber aus hochwärmebeständigen, verschleißfesten Materialien mit einem geringen spez. Gewicht, vornehmlich keramischen Werkstoffen, hergestellt wird.