DE102009033801A1 - Brennkraftmaschine mit Steuerscheibe - Google Patents

Brennkraftmaschine mit Steuerscheibe Download PDF

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DE102009033801A1
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DE200910033801
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Horst Wanek
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L7/00Rotary or oscillatory slide valve-gear or valve arrangements
    • F01L7/06Rotary or oscillatory slide valve-gear or valve arrangements with disc type valves

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Steuerscheibe. Eine Brennkraftmaschine (1) mit Steuerscheibe (2), wobei die Steuerscheibe (2) in einem Zylinderkopf (6) drehbar gelagert ist und der Zylinderkopf (6) mit zwei in Reihe angeordneten Zylindern (4) mit darin oszillierenden Kolben (3) jeweils einen Brennraum (7) bildet, die Steuerscheibe (2) zur Einlasssteuerung zum jeweiligen Brennraum (7) mittels einen Einlasssteuerkanal (12) und zur Auslasssteuerung aus dem jeweiligen Brennraum (7) mittels einen Auslasssteuerkanal (13) um eine zwischen den beiden Zylindern (4) verlaufende Rotationsachse (16) rotierbar gelagert ist, wobei eine zweite Öffnung (43) des Einlasssteuerkanals (12) und eine erste Öffnung (51) des Auslasssteuerkanals (13) in einem Steuerscheibenboden (44) der Steuerscheibe (2) konzentrisch zu den Zylindern (4) ausgerichtet sind. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit Steuerscheibe ist für Fahrzeuge, insbesondere mit Hybridantrieb, geeignet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Steuerscheibe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen ist die Steuerung des Gaswechsels über Nockenwellen und Ventilen bekannt. Nachteilig ist, dass diese Ventilsteuerungen sehr aufwändig sind, hohe Reibleistungen aufweisen und sich wegen ihrer oszillierend bewegten Teile für hohe Drehzahlen weniger gut eignen.
  • Um auf oszillierende Teile einer Ventilsteuerung verzichten zu können, offenbart die DE 3941786 A1 eine Brennkraftmaschine mit einer Steuerscheibe für im Otto-Verfahren arbeitende Axial-Kreiskolbenmotoren. Die Brennkraftmaschine weist einen Zylinderkopf auf, wobei die Steuerscheibe im Zylinderkopf drehbar gelagert ist. Der Zylinderkopf bildet mit Zylindern mit darin oszillierenden Kolben jeweils einen Brennraum. Die Steuerscheibe weist zur Einlasssteuerung zum jeweiligen Brennraum einen Einlasssteuerkanal und zur Auslasssteuerung aus dem jeweiligen Brennraum einen Auslasssteuerkanal auf. Die Steuerscheibe ist um eine zwischen den Zylindern verlaufende Rotationsachse rotierbar gelagert. Der Auslasssteuerkanal und der Einlasssteuerkanal überstreichen bei Rotation der Steuerscheibe die Zylinder und steuern damit den Gaswechsel. Nachteilig ist dabei, dass der Auslasssteuerkanal und der Einlasssteuerkanal unterschiedlichen Abstand zur Rotationsachse aufweisen, so dass der Auslasssteuerkanal und der Einlasssteuerkanal jeweils beim Überstreichen der Zylinder diese nur zu einem kleinen Teil in einem Randbereich der Zylinder überdecken, wodurch die Steuergüte des Gaswechsels nur ungenügend ist.
  • Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit Steuerscheibe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine zweite Öffnung des Einlasssteuerkanals und eine erste Öffnung des Auslasssteuerkanals in einem Steuerscheibenboden der Steuerscheibe zum verbesserten Gaswechsel konzentrisch zu den Zylindern ausgerichtet sind.
  • Vorteilhafterweise ist mittels der mittig zu den Zylindern angeordneten ersten Öffnungen des Auslasssteuerkanals und zweiten Öffnung des Einlasssteuerkanals die Strömungsverhältnisse zur Entleerung und Befüllung der Brennräume optimiert, so dass der Füllungsgrad verbessert werden kann, wodurch der Wirkungsgrad gesteigert und damit der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden kann.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Brennkraftmaschine mit Steuerscheibe möglich.
  • Zur Verbesserung der konstruktiven Ausführung der Brennkraftmaschine ist im Zylinderkopf jedem Zylinder eine mit der zweiten Öffnung des Einlasssteuerkanals und der erste Öffnung des Auslasssteuerkanals fluchtende Gaswechselöffnung zugeordnet. Vorteilhafterweise werden mit dem fluchtenden Übergang zwischen den Brennräumen und dem Einlass- bzw. Auslasssteuerkanal die Strömungsverhältnisse weiter optimiert, so dass der Füllungsgrad weiter verbessert werden kann, wodurch der Wirkungsgrad gesteigert und damit der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden kann.
  • Zur weiteren Verbesserung der konstruktiven Ausführung der Brennkraftmaschine sind die Gaswechselöffnungen jeweils von einem Brennraumdach eingefasst. Vorteilhafterweise deckt der Zylinderkopf mit seinen Brennraumdächern zumindest teilweise die Brennräume ab und nimmt zumindest teilweise den entstehenden Brennraumdruck während der Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum auf, so dass die mechanische Belastung der Steuerscheibe gesenkt werden kann, wodurch die Steuerscheibe und eine Lagerung der Steuerscheibe einfacher und kostengünstig ausgeführt werden kann oder ein Mitteldruck bei gleich bleibender Belastung der Steuerscheibe zur Wirkungsgradsteigerung angehoben werden kann.
  • Zur weiteren Verbesserung der konstruktiven Ausführung der Brennkraftmaschine ist jedem Brennraum eine Zündvorrichtung zugeordnet und die Zündvorrichtung im Brennraumdach vorgesehen. Vorteilhafterweise kann die Zündvorrichtung ortfest im Zylinderkopf vorgesehen werden, so dass allgemein bekannte Zündvorrichtungen wie Zündkerzen oder Zündstege eingesetzt werden können, wodurch Kosten gesenkt werden können und die Zündvorrichtung einfach gehalten werden kann.
  • Zur weiteren Verbesserung der konstruktiven Ausführung der Brennkraftmaschine sind die Gaswechselöffnungen jeweils von Dichtringen eingefasst, die im Zylinderkopf angeordnet sind und an der Steuerscheibe anliegen. Vorteilhafterweise dichten die Dichtringe den Übergang zwischen Zylinderkopf und Steuerscheibenboden ab, so dass keine Druckverluste auftreten und keine Verbrennungsluft bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch oder Abgas zwischen Zylinderkopf und Steuerscheibe gelangen kann, wodurch Druckverluste minimiert werden und Vermischung von Abgas mit Verbrennungsluft vermeidbar ist.
  • Zur weiteren Verbesserung der konstruktiven Ausführung der Brennkraftmaschine ist in einem Steuerscheibendeckel der Steuerscheibe eine erste Öffnung des Einlasssteuerkanals im Wesentlichen konzentrisch zur zweiten Öffnung des Einlasssteuerkanals angeordnet. Vorteilhafterweise kann der Einlasssteuerkanal zwischen den beiden Öffnungen im Wesentlichen gerade und parallel zu den Zylindern ausgeführt werden, so dass die angesaugte Verbrennungsluft bzw. das angesaugte Kraftstoff-Luft-Gemisch durch einen strömungsoptimierten Einlasssteuerkanal zu den Brennräumen strömen kann, wodurch der Wirkungsgrad weiter gesteigert werden kann.
  • Zur weiteren Verbesserung der konstruktiven Ausführung der Brennkraftmaschine überstreicht die erste Öffnung des Einlasssteuerkanals jeweils einen, jedem Zylinder zugeordneten, im Wesentlichen fluchtende Einlasskanalöffnung eines Einlasskanals im Zylinderkopfdeckel. Vorteilhafterweise ist jeder Zylinder über einen eigenen Einlasskanal mit Verbrennungsluft bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch befüllbar, so dass der Einlass zusammen mit dem Einlasssteuerkanal und seinen Öffnungen und der Einlasskanal mit seiner Einlasskanalöffnung strömungsoptimiert werden kann, wodurch der Wirkungsgrad weiter gesteigert werden kann.
  • Zur weiteren Verbesserung der konstruktiven Ausführung der Brennkraftmaschine ist die erste Öffnung des Einlasssteuerkanals zwischen zwei konzentrisch zur Rotationsachse der Steuerscheibe, im Steuerscheibendeckel angeordneten, Dichtringen vorgesehen, wobei die Dichtringe an einem Zylinderkopfdeckel des Zylinderkopfs anliegen. Vorteilhafterweise dichten die Dichtringe den Übergang zwischen dem Zylinderkopfdeckel und dem Steuerscheibendeckel ab, so dass ein Eintreten von Verbrennungsluft bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch zwischen Zylinderkopf und Steuerscheibe verhindert wird, wodurch Druckverluste minimiert werden.
  • Zur weiteren Verbesserung der konstruktiven Ausführung der Brennkraftmaschine sind zwischen dem Steuerscheibendeckel und dem Zylinderkopfdeckel zwei Zwischenringe vorgesehen, die am Zylinderkopfdeckel angebracht sind und jeweils mit einem der Dichtringe im Steuerscheibendeckel dichtend zusammenwirken. Vorteilhafterweise ist die Dichtwirkung zwischen Zylinderkopfdeckel und Steuerscheibendeckel mittels Zusammenwirken von Zwischenringen und Dichtringen verbessert, so dass keine Verbrennungsluft bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch zwischen die Zylinderkopf und Steuerscheibe gelangen kann, wodurch Druckverluste minimiert werden.
  • Zur weiteren Verbesserung der konstruktiven Ausführung der Brennkraftmaschine ist jedem Einlass ein Einspritzventil zugeordnet und Kraftstoff in den Einlasssteuerkanal abspritzt. Vorteilhafterweise kann das Einspritzventil im Einlass ausgerichtet werden, so dass der abgespritzte Kraftstoff ohne wesentlich im Einlasssteuerkanal anzuhaften, in den Brennraum gelangen kann, wodurch der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden kann und Emissionen gesenkt werden können.
  • Zur weiteren Verbesserung der konstruktiven Ausführung der Brennkraftmaschine ist in einem Zylindermantel der Steuerscheibe eine zweite Öffnung des Auslasssteuerkanals angeordnet. Vorteilhafterweise ist das Abgas aus den Brennräumen seitlich aus dem Zylinderkopf geführt, so dass im Zylinderkopfdeckel keine oder keine besondere Kühlung vorgesehen werden muss, wodurch sich die Konstruktion der Brennkraftmaschine stark vereinfacht.
  • Zur weiteren Verbesserung der konstruktiven Ausführung der Brennkraftmaschine überstreicht die zweite Öffnung des Auslasssteuerkanals jeweils einen, jedem Zylinder zugeordneten, Auslasskanalöffnung eines Auslasskanals im Zylinderkopf. Vorteilhafterweise ist das Abgas über die Auslässe aus der Steuerscheibe und dem Zylinderkopf abgeführt, so dass keine oder keine besondere Kühlung der Steuerscheibe bzw. der Zylinderkopfes vorgesehen werden muss, wodurch sich die Konstruktion der Brennkraftmaschine stark vereinfacht.
  • Zur weiteren Verbesserung der konstruktiven Ausführung der Brennkraftmaschine ist die zweite Öffnung des Auslasssteuerkanals zwischen zwei umlaufenden, im Zylindermantel der Steuerscheibe angeordneten, Dichtringen angeordnet, wobei die Dichtringe im Zylinderkopf anliegen. Vorteilhafterweise kann über die Dichtringe kein Abgas zwischen Steuerscheibe und Zylinderkopf gelangen, so dass eine Aufheizung des Zylinderkopfbodens bzw. -Deckels vermieden werden kann, wodurch Verbrennungsluft bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch nicht erwärmt werden.
  • Zur weiteren Verbesserung der konstruktiven Ausführung der Brennkraftmaschine ist die Steuerscheibe über ein von der Brennkraftmaschine angetriebenes Getriebe betätigt. Vorteilhafterweise kann die Steuerscheibe auf einfache Weise mittels Getriebe angetrieben und synchronisiert werden, so dass auf eine aufwendige Ventilsteuerung verzichtet werden kann, wodurch sich die Konstruktion der Brennkraftmaschine sich stark vereinfacht.
  • Zur weiteren Verbesserung der konstruktiven Ausführung der Brennkraftmaschine ist die Steuerscheibe über ein Elektroantrieb betätigt. Vorteilhafterweise kann ein Elektroantrieb die Steuerscheibe direkt antrieben, so dass auf aufwendiges Getriebe verzichtet werden kann, wodurch sich die Konstruktion der Brennkraftmaschine sich stark vereinfacht.
  • Zur weiteren Verbesserung der konstruktiven Ausführung der Brennkraftmaschine ist das Getriebe oder der Elektromotor oberhalb oder seitlich des Zylinderkopfs angeordnet ist. Vorteilhafterweise kann das Getriebe oder der Elektroantrieb beliebig am Zylinderkopf positioniert werden, so dass die Ausführung der Brennkraftmaschine viele Freiheitsgrade offenlässt, wodurch die Brennkraftmaschine sich konstruktiven Gegebenheiten leicht anpassen lässt.
  • Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Das Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in den nachfolgenden Beschreibungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
  • 2 eine Seitenansicht,
  • 3 eine Draufsicht,
  • 4 eine Schnittdarstellung der Brennkraftmaschine gemäß 2 und
  • 5 Darstellung des Gaswechsels mittels Steuerscheibe an Teilschnitten:
    • a) Ende Verdichtungstakt Zweiter Zylinder, Ende Ausstoßtakt erster Zylinder
    • b) Arbeitstakt zweiter Zylinder, Ansaugtakt erster Zylinder
    • c) Ende Arbeitstakt zweiter Zylinder, Ende Ansaugtakt erster Zylinder
    • d) Ausstoßtakt zweiter Zylinder, Verdichtungstakt erster Zylinder
    • e) Ende Ausstoßtakt zweiter Zylinder, Ende Verdichtungstakt erster Zylinder
    • f) Ansaugtakt zweiter Zylinder, Arbeittakt erster Zylinder.
  • Die 1, 2 und 3 zeigen die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 mit Steuerscheibe 2 in einer perspektivischen Seitenansicht, einer Seitenansicht und einer Draufsicht. In 4 ist die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einem Längsschnitt gezeigt. Die Brennkraftmaschine 1 ist als Reihen-Zweizylinder ausgeführt und wird als 4-Takt-Motor mit Fremdzündung betrieben. Oszillierende Kolben 3 in Zylindern 4 eines Kurbelgehäuses 5 bilden zusammen mit einem Zylinderkopf 6 die jeweiligen Brennräume 7. Der Gaswechsel der Brennkraftmaschine 1 wird mittels Einlass 8 und Auslass 9 gesteuert. Die Verbrennungsluft strömt über den Einlass 7, mit einem jedem Zylinder 4 zugeordneten, Einlasskanal 10 in einem Zylinderkopfdeckel 11 des Zylinderkopfes 6 und einem einzigen Einlasssteuerkanal 12 (5b und 5f) der Steuerscheibe 2 in die Brennräume 7. Das Abgas strömt über den Auslass 9 mit einem einzigen Auslasssteuerkanal 13 (5d) der Steuerscheibe 2 und jedem Zylinder 4 zugeordneten Auslasskanal 14 im Zylinderkopf 6 aus den Brennräumen 7. Der Einlass 8 ist mit einem nicht gezeigten Einlasstrakt verbunden. Der Auslass 9 ist über Abgasrohre 15 mit einem nicht gezeigten Abgastrakt verbunden.
  • Wie 4 zeigt, ist die Steuerscheibe 2 ist im Zylinderkopf 6 rotierbar gelagert. Die Steuerscheibe 2 rotiert um eine zwischen den beiden Zylindern 4, parallel zu den Zylindern 4, verlaufende Rotationsachse 16. Der Einlasssteuerkanal 12 und der Auslasssteuerkanal 13 der Steuerscheibe 2 verbinden nach dem 4-Takt-Prinzip die beiden Brennräume 7 jeweils mit dem Einlasskanal 10 und dem Auslasskanal 14.
  • Die Brennkraftmaschine 1 weist eine Kurbelwelle 17 zwei Kröpfungen 18 ohne Versatz zueinander auf. Bei dem als so genannten Parallel-Twin ausgelegten Kurbeltrieb oszillieren über Pleuel 19 mit den Kröpfungen 18 der Kurbelwelle 17 verbunden Kolben 3 parallel in Zylindern 4 des Kurbelgehäuses 5. Die Kurbelwelle 17 ist in einer Trennstelle 20 zwischen Kurbelgehäuse 5 und einer Ölwanne 21 in geeigneter Weise gelagert. Die Kurbelwelle 17 weist einen Abtrieb 22 zu einem nicht dargestellten Antriebsstrang auf und einen gegenüberliegenden Abtrieb 23 mit einem Antriebsrad 24 auf.
  • Wie die 1 bis 3 zeigen, ist das Antriebsrad 24 ist Teil eines Getriebes 25 zum Antreiben der Steuerscheibe 2. Das Antriebsrad 24 treibt über eine Kette 26 ein weiteres Rad 27 an, welches über eine Welle 28, einem Kegelradgetriebe 29 und einer Antriebswelle 30 die Steuerscheibe 2 antreibt. Zum Spannen der Kette 26 ist ein Spanner 31 vorgesehen. Denkbar ist auch, dass die beiden Räder 24 und 27 über einen Riemen miteinander verbunden sind. Weiterhin ist es denkbar, dass an Stelle des Kettentriebs ein nicht näher dargestellter Elektroantrieb die Welle 28 antreibt oder direkt die Antriebswelle 30.
  • Die scheibenförmige Steuerscheibe 2 ist im Zylinderkopf 6 aufgenommen und in einer Steuerscheibenaufnahme 32 des Zylinderkopfs 6 rotierbar gelagert. Die komplementär zur Steuerscheibe 2 ausgeformte Steuerscheibenaufnahme 32 ist in Form eines nach oben offnen Zylinders mit einer Zylinderkopfwand 33 und einem Zylinderkopfboden 34 gebildet. Der Zylinderkopf 6 ist an das Kurbelgehäuse 5 angeschraubt und begrenzt mit seinem Zylinderkopfboden 34, den Kolben 3 und den Zylindern 4 jeweils einen Brennraum 7. Die Steuerscheibenaufnahme 32 ist mit dem Zylinderkopfdeckel 11 verschlossen. Im Zylinderkopfdeckel 11 ist in geeigneter Weise die Antriebswelle 30 der Steuerscheibe 2 gelagert. Die Welle 28 ist in geeigneter Weise in einer Trennstelle 35 zwischen dem Zylinderkopfdeckel 11 und einer Zylinderkopfhaube 36 gelagert.
  • Der Einlass 8 weist einen gemeinsamen Flansch 37 auf, der mit dem nicht dargestellten Einlasstrakt verbunden ist. Ausgehend vom Flansch 38 ist im Zylinderkopfdeckel 11 jedem Zylinder 6 jeweils ein Einlasskanal 10 zugeordnet. Jeder Einlasskanal 10 endet mit einer Einlasskanalöffnung 38 im Zylinderkopfdeckelboden 39, wobei die Einlasskanalöffnungen 38 im Wesentlichen konzentrisch zu den jeweiligen Zylindern 4 ausgebildet sind. Jedem Einlasskanal 10 ist ein Einspritzventil 40 zugeordnet, wobei die Einspritzventile 40 den Kraftstoff in Richtung der Einlasskanalöffnungen 38 abspritzen. Der einzige Einlasssteuerkanal 12 der Steuerscheibe 2 verbindet entsprechend der Taktfolge zyklisch die Einlasskanäle 10 mit den zugehörigen Zylindern 4. Der Einlasssteuerkanal 12 weist eine erste Öffnung 41 in einem Steuerscheibendeckel 42 und eine zweite Öffnung 43 in einem Steuerscheibenboden 44 auf. Der Einlassteuerkanal 12 ist im Wesentlichen parallel zu den Zylindern 4 ausgebildet, wobei die erste Öffnung 41 des Einlasssteuerkanals 12 bei Überstreichen der Einlasskanalöffnungen 38 der Einlasskanäle 10 im Wesentlichen mit den Einlasskanalöffnungen 38 und der ersten Öffnung 41 des Einlasssteuerkanals 12 mit einer Gaswechselöffnung 45 im Zylinderkopfboden 34 fluchtet (5b und 5f). Jeder Zylinder 4 weist eine einzige Gaswechselöffnung 45 auf. Durch die Gaswechselöffnung 45 wird Verbrennungsluft den Brennräumen 7 zugeführt und Abgas aus den Brennräumen 7 abgeführt. Die Gaswechselöffnungen 45 sind jeweils von einem Brennraumdach 46 eingefasst. Die Verbrennungsluft kann über den Flansch 37, die Einlasskanäle 10, den Einlasssteuerkanal 12 in die jeweiligen Brennräume 7 strömen, wobei bei Verbindung des Brennraums 7 mit dem Einlasskanal 10 die erste Öffnung 41 und die zweite Öffnung 43 konzentrisch zu den Zylindern 4 angeordnet sind, so dass der Einlass 8 zwischen der Einlasskanalöffnung 38 und der Gaswechselöffnung 45 eine insgesamt fluchtende und zu den Zylindern 4 konzentrische Verbindung herstellt.
  • Die erste Öffnung 41 des Einlasssteuerkanals 12 ist zwischen zwei konzentrisch zur Rotationsachse 16 der Steuerscheibe 2 Dichtringen 47 vorgesehen. Die Dichtringe 47 sind im Steuerscheibendeckel 42 angeordnet und liegen am Zylinderkopfdeckelboden 39 an. Zur Verbesserung der Abdichtung sind am Zylinderkopfdeckelboden 39 zwei Zwischenringe 48 angebracht, die jeweils mit einem Dichtring 47 dichtend zusammenwirken. Die Gaswechselöffnungen 45 sind jeweils von Dichtringen 49 eingefasst, die im Zylinderkopfboden 34 angeordnet sind und am Steuerscheibenboden 44 anliegen.
  • Der Auslass 9 wird vom einzigen Auslasssteuerkanal 13 der Steuerscheibe 2 und jeweils einem Zylinder 6 zugeordneten Auslasskanal 14 im Zylinderkopf 6 gebildet. Der Auslasssteuerkanal 13 verbindet die Brennräume 7 entsprechend der Taktfolge zyklisch mit den Auslasskanälen 14 der jeweiligen Zylinder 4. Die Auslasskanäle 14 enden jeweils mit einem Flansch 50, die über die Abgasgasrohre 15 mit einem nicht gezeigten Abgastrakt verbunden sind. Der Abgassteuerkanal 13 der Steuerscheibe 2 weist eine erste Öffnung 51 auf, die im Wesentlichen konzentrisch zu den Zylindern 4 ausgebildet ist und mit der Gaswechselöffnung 45 fluchtet. In einem Steuerscheibenmantel 52 ist eine zweite Öffnung 53 des Auslasssteuerkanals 13 der Steuerscheibe 2 vorgesehen. Die zweite Öffnung 53 überstreicht bei Rotation der Steuerscheibe 2 jeweils eine Auslasskanalöffnung 54 der Auslasskanäle 14 (5d). Die Auslasskanalöffnungen 54 der jeweiligen Zylinder 4 sind sich gegenüberliegend in der Zylinderkopfwand 33 vorgesehen. Die auf die Auslasskanalöffnungen 54 folgenden Auslasskanäle 14 sind an einer Außenseite der Zylinderkopfwand 33 vorgesehen und von einem Kühlmantel 55 umgeben. Es ist auch denkbar, den Auslass 9 jeweils über die Auslasskanalöffnungen 54, einen kurzen, senkrecht zur Rotationsachse 22 stehenden, Auslasskanal 14 und den daran anschließenden Flansch 50 aus dem Zylinderkopf 6 herausführen. Die zweite Öffnung 53 des Auslasssteuerkanals 13 ist zwischen zwei umlaufenden, im Steuerscheibenmantel 52 der Steuerscheibe 2 angeordneten Dichtringen 56 angeordnet. Die Dichtringe 56 liegen an der Zylinderkopfwand 33 an, wobei auch die Auslasskanalöffnungen 54 von den Dichtringen 56 eingeschlossen sind.
  • Jedem Zylinder 4 ist eine Zündvorrichtung die in Form von Zündkerzen 57 zugeordnet. Die Zündkerzen 57 werden von einem nicht dargestellten, geeigneten Zündsystem angesteuert. Die Zündkerzen 57 sind über nicht näher dargestellte Gewindebohrungen in den Zylinderkopf 6 eingeschraubt, wobei nicht näher dargestellte Elektroden der Zündkerzen 57 aus dem Brennraumdach 46 in die Brennräume 7 hineinragen. Es ist auch denkbar, die Zündvorrichtung in Form von Zündstegen auszubilden. Es sind mindestens zwei Zündstege pro Zylinder 4 in das Brennraumdach 46 integriert. Die Zündstege wirken wie Elektroden einer Zündkerze, zwischen denen ein Zündfunke ausgebildet werden kann. Somit kann auf Zündkerzen verzichtet werden, so dass keine Gewindebohrungen in den Zylinderkopf 6 eingebracht werden müssen, wodurch die Stabilität des Zylinderkopfs 6 gesteigert werden kann und die Kosten gesenkt werden können.
  • Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 steuert seinen Gaswechsel mittels seiner rotierenden Steuerscheibe 2. Dabei arbeitet die Brennkraftmaschine 1 nach dem 4-Takt-Verfahren, wonach die Steuerscheibe 2 mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle 17 dreht und zur Einlasssteuerung der Einlasssteuerkanal 12 den Einlass 8 und der Auslasssteuerkanal 13 den Auslass 9 steuert. In den 5a bis f sind die Takte anhand von Teillängsschnitten der Brennkraftmaschine 1 dargestellt.
  • 5a zeigt die Kolben 3 der Zylinder 4 im ihrem oberen Totpunkt. Dabei ist der erste Zylinder (in den Figuren die rechte Zylinder) am Ende seines Ausstoßtaktes und der zweite Zylinder (in den Figuren die linken Zylinder) an Ende seines Verdichtungstaktes angelangt. Am Ende des Verdichtungstaktes ist der so genannte Zünd-OT erreicht und es erfolgt eine Zündung eines verdichteten Kraftstoff-Luft-Gemisches mittels der Zündvorrichtung. Die Gaswechselöffnungen 45 der Zylinder 4 sind mittels des Steuerscheibenbodens 44 der Steuerscheibe 2 verschlossen.
  • 5b zeigt die Kolben 3 auf ihrem Weg in den unteren Totpunkt (UT). Durch gleichzeitige Drehung der Steuerscheibe 2 überstreicht der Einlasssteuerkanal 12 mit seinen Öffnungen 41, 43 die Einlasskanalöffnung 38 und die Gaswechselöffnung 45 des ersten Zylinders, so dass der Einlass 8 für den ersten Zylinder geöffnet ist und der erste Zylinder Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels des durch die Abwärtsbewegung des Kolbens 3 gebildeten Unterdrucks angesaugt. Das Einspritzventil 40 des ersten Zylinders spritzt Kraftstoff in den Einlasssteuerkanal 12 ab, wonach das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Einlasssteuerkanal 12 und im Brennraum 7 gebildet wird, wodurch die Gemischbildung im Ansaugtakt besonders einfach optimiert werden kann. Der zweite Zylinder führt seinen Arbeitstakt aus, in dem mittels der Energiefreisetzung bei der Verbrennung des Kraftstoff- Luft-Gemisches im zweiten Zylinder der Kolben 3 in seinen unteren Totpunkt getrieben wird. Die Gaswechselöffnung 45 des zweiten Zylinders 4 bleibt verschlossen.
  • 5c zeigt die Kolben 3 in ihrem unteren Totpunkt (UT). Die Kurbelwelle 17 hat sich um 180° gedreht, während die Steuerscheibe 2 sich um 90° gedreht hat. Die Steuerscheibe 2 verschließt die Gaswechselöffnungen 45 beider Zylinder 4. Der ersten Zylinder hat seinen Ansaugtakt und der zweite Zylinder seinen Arbeitstakt beendet.
  • 5d zeigt die Kolben 3 auf ihrem Weg in den oberen Totpunkt. Dabei verdichtete der erste Zylinder in seinem Verdichtungstakt das vorher angesaugte Kraftstoff-Luft-Gemisch und der zweite Zylinder stößt in seinem Ausstoßtakt das verbrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch über den geöffneten Auslass 9 aus. Die Gaswechselöffnung 45 des ersten Zylinders 4 bleibt verschlossen.
  • 5e zeigt die Kolben 3 an ihrem oberen Totpunkt. Die Kurbelwelle 17 hat sich insgesamt um 360° gedreht während die Steuerscheibe sich um 180° gedreht hat. Jetzt befindet sich der erste Zylinder am Ende seines Verdichtungstaktes, wobei die Zündvorrichtung 57 das verdichtete Kraftstoff-Luft-Gemisch um den oberen Zünd-OT zündet. Der zweite Zylinder hat seinen Ausstoßtakt beendet. Die Gaswechselöffnungen 45 beider Zylinder 4 sind verschlossen.
  • 5f zeigt die Kolben 3 auf ihrem Weg zum unteren Totpunkt. Der erste Zylinder führt seinen Arbeitstakt aus, während der zweite Zylinder über den geöffneten Einlass 8 Kraftstoff-Luft-Gemisch ansaugt. Die Gaswechselöffnung 45 des ersten Zylinders 4 bleibt verschlossen.
  • In den Figuren ist der Antrieb der Steuerscheibe 2 mittels Getriebe 25 dargestellt. Dabei sind der Gaswechselsteuerung mittels der Steuerscheibe 2 mit seinem Einlasssteuerkanal 12 und Auslasssteuerkanal 13 feste Steuerzeiten zugeordnet. Es ist auch denkbar, das Getriebe 25 zumindest teilweise durch einen elektrischen Antrieb zu ersetzen. Beispielsweise könnte der elektrische Antrieb die Welle 28 antreiben oder die Antriebswelle 30 ersetzen, so dass der elektrische Antrieb die Steuerscheibe 12 unmittelbar antreibt. Des Weiteren ist es denkbar mittels des elektrischen Antriebs, der unabhängig von der Drehung der Kurbelwelle 17 die Steuerscheibe 2 drehen könnte, veränderliche Steuerzeiten vorzusehen. Die Steuerscheibe 2 könnte je nach Drehzahl oder Last einen Vorlauf oder einen Nachlauf aufweisen, d. h. die Steuerscheibe 2 dreht sich für in diskreten Last- und Drehzahlpunkten kontinuierlich mit gleicher Winkelgeschwindigkeit um seine Rotationsachse 16, wobei der Einlass 8 beispielsweise früher öffnet und früher schließt oder später öffnet und später schließt. Denkbar ist auch eine diskontinuierliche, veränderliche Winkelgeschwindigkeit der Steuerscheibe 2, wobei der Einlasssteuerkanal 12 und/oder der Auslasssteuerkanal 13 länger oder kürzer als bei gleichmäßig drehender Steuerscheibe 2 den Einlass 8 und/oder den Auslass 9 in ihren jeweiligen Offenstellungen halten, um dann schneller oder langsamer als bei gleichmäßig drehenden Steuerscheibe 2 in ihre folgenden Stellungen weiterzudrehen. Hierfür erscheinen Schrittmotoren besonders geeignet. Vorteilhafterweise kann die Gemischbildung, unter Optimieren eines Zündkennfeldes, an verschieden Last- und Drehzahlpunkte im Kennfeld angepasst werden, so dass die Gemischbildung optimiert werden kann, wodurch der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine gesteigert werden kann.
  • In den Figuren ist die Steuerscheibe 2 aus Gründen der Vereinfachung als massiver Körper mit einem Einlasssteuerkanal 12 und einem Auslasssteuerkanal 13 dargestellt. Selbstverständlich kann die Steuerscheibe 2 eine entsprechende gewichts- und festigkeitsoptimierte Konstruktion aufweisen, so dass die Steuerscheibe 2 zumindest teilweise Hohl und/oder teilweise offen ausgeführt werden kann.
  • Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Steuerscheibe sind besonders kompakte Bauweisen möglich, die mit einer kostengünstigen Produktion und Entfall teurer Komponenten einhergeht. Des Weiteren sind durch den Wegfall des Ventiltriebs Reibstellen reduziert, so dass mechanische Geräusche und Verschleiß minimiert werden können. Es ist weiterhin denkbar mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Steuerscheibe beispielsweise 4-, 6-, 8- oder 12-Zylinder-Motoren modular aufzubauen. Dabei sind Motoren in Reihen-, V- oder W-Bauweise denkbar.
  • Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit Steuerscheibe eignet sich für den Einsatz in Fahrzeugen. Denkbar ist insbesondere der Einsatz im Zusammenhang mit Hybridantrieben. Durch die kompakte Bauweise und der hervorragenden Abstimmbarkeit auf einen Betriebspunkt oder einen engen Betriebsbereich erscheint die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit Steuerscheibe beispielsweise für den Einsatz in Voll-Hybriden geeignet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 3941786 A1 [0003]

Claims (16)

  1. Brennkraftmaschine mit Steuerscheibe, wobei die Steuerscheibe in einem Zylinderkopf drehbar gelagert ist und der Zylinderkopf mit zwei in Reihe angeordneten Zylindern mit darin oszillierenden Kolben jeweils einen Brennraum bildet, die Steuerscheibe zur Einlasssteuerung zum jeweiligen Brennraum mittels einen Einlasssteuerkanal und zur Auslasssteuerung aus dem jeweiligen Brennraum mittels einen Auslasssteuerkanal um eine zwischen den beiden Zylindern verlaufende Rotationsachse rotierbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Öffnung (43) des Einlasssteuerkanals (12) und eine erste Öffnung (51) des Auslasssteuerkanals (13) in einem Steuerscheibenboden (44) der Steuerscheibe (2) konzentrisch zu den Zylindern (4) ausgerichtet sind.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Zylinderkopf (6) jedes Zylinders (4) eine mit der zweiten Öffnung (43) des Einlasssteuerkanals (12) und der erste Öffnung (51) des Auslasssteuerkanals (13) fluchtende Gaswechselöffnung (45) zugeordnet ist.
  3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaswechselöffnungen (45) jeweils von einem Brennraumdach (46) eingefasst sind.
  4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Brennraum (7) eine Zündvorrichtung (57) zugeordnet ist und die Zündvorrichtung (57) im Brennraumdach (46) vorgesehen ist.
  5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaswechselöffnungen (45) jeweils von Dichtringen (47) eingefasst sind, die im Zylinderkopf (6) angeordnet sind und an der Steuerscheibe (2) anliegen.
  6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Steuerscheibendeckel (42) der Steuerscheibe (2) eine erste Öffnung (41) des Einlasssteuerkanals (12) im wesentlichen konzentrisch zur zweiten Öffnung (43) des Einlasssteuerkanals (12) angeordnet ist.
  7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung (41) des Einlasssteuerkanals (12) jeweils einen, jedem Zylinder (4) zugeordneten, im wesentlichen fluchtende Einlasskanalöffnung (38) eines Einlasskanals (10) im Zylinderkopfdeckel (11) überstreicht.
  8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung (41) des Einlasssteuerkanals (12) zwischen zwei konzentrisch zur Rotationsachse (16) der Steuerscheibe (2), im Steuerscheibendeckel (42) angeordneten Dichtringen (49) vorgesehen ist, wobei die Dichtringe (49) am Zylinderkopfdeckel (11) des Zylinderkopfs (6) anliegen.
  9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Steuerscheibendeckel (42) und dem Zylinderkopfdeckel (11) zwei Zwischenringe (48) vorgesehen sind, die am Zylinderkopfdeckel (11) angebracht sind und jeweils mit einem der Dichtringe (49) im Steuerscheibendeckel (42) dichtend zusammenwirken.
  10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Einlasskanal (10) ein Einspritzventil (40) zugeordnet ist und Kraftstoff in den Einlasssteuerkanal (12) abspritzt.
  11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Steuerscheibenmantel (52) der Steuerscheibe (2) eine zweite Öffnung (53) des Auslasssteuerkanals (13) angeordnet ist.
  12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Öffnung (53) des Auslasssteuerkanals (13) jeweils einem, jedem Zylinder (4) zugeordneten Auslasskanalöffnung (54) eines Auslasskanals (14) im Zylinderkopf (6) überstreicht.
  13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Öffnung (53) des Auslasssteuerkanals (13) zwischen zwei umlaufenden, im Steuerscheibenmantel (52) der Steuerscheibe (2) angeordneten Dichtringen (56) angeordnet ist und die Dichtringe (56) am Zylinderkopf (2) anliegen.
  14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerscheibe (2) über ein von der Brennkraftmaschine (1) angetriebenes Getriebe (25) betätigt ist
  15. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerscheibe (2) über ein elektrischen Antrieb betätigt ist.
  16. Brennkraftmaschine nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (25) oder der elektrische Antrieb oberhalb oder seitlich des Zylinderkopfs (6) angeordnet ist.
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