DE19519031C2 - Drehschiebereinrichtung für einen Kolbenmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehschiebereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Drehschieber ist aus der DE-PS 6 27 374 bekannt, dessen konstruktive Ausführung vornehmlich darauf abzielt die Betriebstemperatur des rotierende Steuerschiebers aus tribologischen Gründen herabzusetzen. Dies wird einerseits durch die Kühlung der einlaßseitigen Schieberwandung mit Hilfe des sie durchströmenden Frischgases erreicht, andererseits durch die Einbringung eines Schutzeinsatzes im Auslaßbereich des Schiebers. Dieser Schutzeinsatz besteht aus einer Rohrführung, die das Abgas aus dem Schieber herausführt und somit einen konvektiven Wärmeübergang zwischen Abgas und Schieber unterbindet. Zusätzlich wird zur Kühlung des Schiebers durch den vorhandenen Raum zwischen Schieberinnenwand und der Außenwand des Schutzeinsatzes atmosphärische Luft gesaugt, die dem Abgas beigemischt wird, welches einen geringeren statischen Druck besitzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Erwärmung des Frischgases durch den Drehschieber zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Zwar ist aus der DE-PS 7 39 112 bekannt, daß das Frischgas nicht durch die Schieberinnenwand, sondern durch einen Rohreinsatz geleitet wird, jedoch zielt diese Druckschrift auf einen intensiven Wärmeaustausch zwischen Frischgas und Abgas ab. Der Wärmeaustausch wird durch die Zusammenfassung der Frisch- und Abgas führenden Rohreinsätze zu einem einzigen Bauteil bewirkt, das somit einen direkten Wärmestrom vom Abgas zum Frischgas ermöglicht.

Die Erfindung zielt jedoch auf eine Unterbindung des direkten Wärmeaustausches zwischen Abgas und Frischgas ab, indem die gasführenden Rohreinsätze (hier treffender "Flanscheinsätze" genannt) separate Bauteile darstellen, die keine gemeinsame Berührungsfläche besitzen.

Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, daß der Drehschieber unmittelbar im Zylinderkopf des Kolbenmotors gelagert ist, dies kann vielmehr auch mittelbar geschehen. Gedacht ist beispielsweise daran, daß der Drehschieber im Flanscheinsatz gelagert ist, der seinerseits im Zylinderkopf gelagert ist. Die Lagerung des Drehschiebers im Zylinderkopf bzw. Flanscheinsatz erfolgt zweckmäßig über Wälzlager. Der Zylinderkopf weist vorteilhaft ein Zylinderkopfoberteil und ein Zylinderkopfunterteil auf in denen der Drehschieber gelagert ist. Das Zylinderkopfunterteil kann mit dem Zylinder ein Bauteil bilden, das insgesamt steifer baut.

Von besonderer Bedeutung ist für die Erfindung damit, daß dem Drehschieber primär die Aufgabe zukommt den Gaskanal zu steuern, somit entsprechend den gewünschten Steuerzeiten zu verschließen und freizugeben. Die Führung des Gases, sei es Frischgas oder Abgas, erfolgt im wesentlichen durch den mit dem Gaskanal versehenen, stationär im Zylinderkopf gelagerten Flanscheinsatz. Im Bereich der brennraumseitigen Öffnung des Flanscheinsatzes ist der den Flanscheinsatz umgebende Drehschieber positioniert, der entsprechend der Ausbildung seiner Gaswechselöffnung beim Rotieren die brennraumseitige Öffnung des Flanscheinsatzes verschließt oder freigibt. Bei der erfindungsgemäßen Drehschiebereinrichtung ist damit der Gaskanal thermisch weitgehend vom Drehschieber entkoppelt, was insbesondere für den Auslaßkanal wichtig ist. Es ist grundsätzlich anzustreben, daß die Wandungsstärke des Drehschiebers möglichst gering ist, womit dieser nur einer geringen thermischen Beanspruchung unterliegt. Der Flanscheinsatz übernimmt die Strömungsführung zu Brennraum bzw. von diesem weg und stellt das eigentliche Bauelement dar, das sich, insbesondere, wenn man den Abgaskanal betrachtet, aufheizen kann. Auf Grund der stationären Anordnung des Flanscheinsatzes kann auf einfache Art und Weise dessen Kühlung erfolgen, indem beispielsweise Kühlkanäle in diesem vorgesehen sind. Als Material für den Drehschieber bietet sich Aluminium oder eine Aluminiumlegierung an, womit die rotierenden Massen klein gehalten werden können und im übrigen eine gute Wärmeabfuhr sichergestellt ist.

Zweckmäßig füllt der Flanscheinsatz das Innere des Drehschiebers berührungslos aus, so daß der Strömungskanal des Gaskanals, unter Berücksichtigung der vorgegebenen Abmessungen des Drehschiebers, optimal groß gewählt werden kann.

Der Flanscheinsatz selbst ist zweckmäßig im wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildet und die brennraumseitige Öffnung des Flanscheinsatzes ist im Bereich dessen Mantelfläche angeordnet.

Eine baulich besonders einfache Gestaltung der Drehschiebereinrichtung ergibt sich, wenn die Rotationsachse des Drehschiebers senkrecht zur Hubrichtung des Kolbens angeordnet ist. Die Gaswechselöffnung des Drehschiebers ist so auszubilden, daß mit ihr die gewünschten Steuerzeiten erzielt werden.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Zylinderkopf eine Dichtung aufnimmt, die den Drehschieber und den Zylinderkopf im Bereich der Gaswechselöffnung des Drehschiebers abdichtet, wobei die Dichtung während der Rotation des Drehschiebers auf der in diesem Bereich kugelförmig ausgebildeten Lauffläche des Drehschiebers rotiert. Eine derartige Dichtung ist besonders geeignet, die im Betrieb des Kolbenmotors entstehenden hohen Drücke zu beherrschen.

Auf Grund der stationären Lagerung des Flanscheinsatzes im Zylinderkopf ist dieser Flanscheinsatz geeignet, eine Vorrichtung zum Ändern der Steuerzeiten aufzunehmen. Hierzu weist der Flanscheinsatz beispielsweise ein zentrales Flanschelement sowie mindestens ein im Flanschelement in dessen Mantelbereich gelagertes, parallel zur Mantelfläche verstellbares Steuerelement zum variablen Abdecken der brennraumseitigen Öffnung des Flanscheinsatzes auf. Es sind insbesondere zwei verstellbare Steuerelemente zum zweiseitigen variablen Abdecken der brennraumseitigen Öffnung des Flanscheinsatzes vorgesehen. Die Steuerelemente ermöglichen es, die Öffnungs- bzw. Schließzeiten in einem weiten Bereich zu steuern. So kann die Auslaßseite unabhängig von der Einlaßseite gesteuert werden. Die Steuerung sollte sowohl für Einlaß als auch für Auslaß so konzipiert sein, daß eine Abblendung der brennraumseitigen Öffnung des Flanscheinsatzes in einem Bereich von 0% bis 100% möglich ist. Bei Verwendung von zwei verstellbaren Steuerelementen pro Seite ist der Verstellbereich der einzelnen Steuerelemente so zu wählen, daß der genannte Bereich abgedeckt wird. Das jeweilige Steuerelement ist zweckmäßig als hohlkegelsegment ausgebildet, das mit einer Verzahnung zum Verdrehen des Segmentes axial um die Achse des Flanscheinsatzes versehen ist. Es ist insbesondere vorgesehen, daß die Mittelnormalen der brennraumseitigen Öffnungen von Einlaß- und Auslaßkanal V-förmig zueinander angeordnet sind. Auf Grund dieser V-Form, insbesondere mit geneigt liegendem Kugelmittelpunkt des Drehschiebers, können optimale Strömungsquerschnitte der Einlaß- und Auslaßtrakte verwirklicht werden, ferner läßt sich besonders unkompliziert eine linsenförmige Gestaltung des Brennraumes verifizieren. Die Zündkerzen können näher am Brennraummittelpunkt angeordnet werden, was insbesondere bei Reihenmotoren von Vorteil ist.

Die erfindungsgemäße Gestaltung der Drehschiebereinrichtung gestattet es, den Durchmesser des Drehschiebers nahezu gleich dem Kolbendurchmesser zu wählen. Dies bedingt, daß die steuernde Fläche des Drehschiebers groß ist; es wird damit die brennraumseitige Öffnung des Flanscheinsatzes besonders schnell freigegeben.

Zusammenfassend betrachtet verfolgt die Erfindung damit folgenden Zweck:

• 1. Anhebung des thermodynamischen Wirkungsgrades durch Erhöhung der Verdichtung, was einen Verzicht auf Ventile bedingt,
• 2. hohe Liefergrade bei hohen Drehzahlen für hohe spezifische Leistungen, was große Strömungsquerschnitte mit guten Strömungskoeffizienten bedingt,
• 3. Verringerung der mechanischen Reibungsverluste (Verzicht auf Ventilfedern),
• 4. Anpassung der Gaswechselquerschnitte an den Last- und Drehzahlzustand des Motors (Verbrauch, Abgas, Laufkultur),
• 5. kostengünstige Herstellung der erforderlichen Bauteile
• 6. geringes Gewicht und kleine bauliche Abmessungen.

Es ergeben sich folgende Vorteile der Erfindung gegenüber Tellerventil-gesteuerten Motoren mit variablen Steuerzeiten:

• 1. höhere Verdichtung,
• 2. Liefergrade besser (Messung am Strömungsprüfstand),
• 3. thermische Entkopplung sowohl des Einlaß- als auch des Auslaßkanals vom Drehschieber und Großteils vom Zylinderkopf,
• 4. geringere mechanische Reibungsverluste,
• 5. höhere Drehzahlgrenze des Drehschiebers,
• 6. geringere Schallabstrahlung,
• 7. kleine Bauhöhe (Höhe gleich Kolbendurchmesser),
• 8. Variation der Steuerquerschnitte durch einfache mechanische Bauteile.

Gegenüber vorhandenen Drehschiebermotoren ergeben sich mit der Erfindung folgende Vorteile:

• 1. kleineres Oberflächen-Volumenverhältnis des Brennraumes,
• 2. größere Strömungsquerschnitte mit wesentlich besseren Durchflußkoeffizienten,
• 3. gute thermische Entkopplung des Einlaßkanals vom Zylinderkopf (geringe Erwärmung des Frischgases),
• 4. gute thermische Entkopplung des Auslaßkanals vom Drehschieber (daher keine direkte Kühlung des Drehschiebers erforderlich,
• 5. Variation der Steuerzeiten.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung der Figuren und den Figuren selbst dargestellt.

In den Figuren ist die Erfindung anhand einer Ausführungsform beispielsweise dargestellt, ohne auf diese beschränkt zu sein.

Es stellt dar:

Fig. 1 einen Kolbenmotor im Bereich des Zylinders und Zylinderkopfes mit der erfindungsgemäßen Drehschiebereinrichtung, in einem Längsmittelschnitt veranschaulicht (Schnittlinie X-X in Fig. 2),

Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie E-E in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt gemäß der Linie A-A in Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt gemäß der Linie B-B in Fig. 1,

Fig. 5 eine Seitenansicht des bei der Drehschiebereinrichtung Verwendung findenden Drehschieberpaares,

Fig. 6 einen Schnitt gemäß der Linie C-C in Fig. 5,

Fig. 7 einen Schnitt gemäß der Linie D-D in Fig. 1,

Fig. 8 eine Draufsicht des bei der Drehschiebereinrichtung Verwendung findenden Hochdruck-Dichtringes und

Fig. 9 eine Seitenansicht des in Fig. 8 gezeigten Dichtringes, teilweise geschnitten dargestellt.

Die Figuren verdeutlichen die erfindungsgemäße Drehschiebersteuerung des Gaswechsels für einen Viertakt-Ottomotor. Dieser weist als wesentliche Bauteile ein Zylinderkopfoberteil 1, ein Zylinderkopfunterteil 2, einen Zylinder 15 sowie einen Kolben 16 auf. Der Zylinder 15 kann mit dem Zylinderkopfunterteil 2 ein Bauteil bilden, wie es im Ausführungsbeispiel verwirklicht ist.

Zwischen dem Kolben 16 und dem Zylinderkopf 33 ist ein linsenförmiger Brennraum 19 gebildet. Den Zylinderkopf 33 durchsetzen zwei V-förmig angeordnete Zündkerzenschächte 2a. Das Zylinderkopfunterteil 2 ist mit Kühlwasserkanälen 2b, der Zylinder 15 mit Kühlwasserkanälen 15a versehen. Zwischen dem Zylinderkopfoberteil 1 und dem Zylinderkopfunterteil 2 ist eine Drehschiebereinheit 20 gelagert, die aus zwei Drehschiebern 21 und 22 besteht. Jeder Drehschieber weist auf seiner dem anderen Drehschieber zugewandten Seite eine kugelförmige Lauffläche 23 auf, an die sich parallel zur Rotationsachse 24 der Drehschiebereinheit 20 angeordnete Lagerabschnitte 25 anschließen. Die Drehschiebereinheit 20 ist als rotationssymmetrischer, dünnwandiger Hohlkörper ausgebildet, wobei eine senkrecht zur Rotationsachse angeordnete Trennwand 28 vorgesehen ist, die Drehschiebereinheit 20 in zwei Räume unterteilt. Im Bereich der kugelförmigen Lauffläche 23 des dem Einlaß des Motors zugeordneten Drehschiebers 21 durchsetzt eine Gaswechselöffnung 26 die kugelförmige Lauffläche 23 und im Bereich des Auslasses eine Gaswechselöffnung 27 die kugelförmige Lauffläche 23 des Drehschiebers 22. Die Gaswechselöffnungen 26 und 27 sind entsprechend dem gewünschten Steuerdiagramm des Motors positioniert und verbinden den Einlaßkanal 4a bzw. den Auslaßkanal 5a mit dem Brennraum 19. Die Drehschiebereinheit ist im Bereich der endseitigen Lagerabschnitte 25 gelagert und berührt die Flanscheinsätze 4 und 5 nicht. Die Drehschiebereinheit 20 wird mit halber Kurbelwellendrehzahl mittels Zahnrädern angetrieben. Hierzu ist ein Antriebszahnrad 7 im Bereich eines Kugellagers 6 fest mit dem Drehschieber 21 verbunden, wobei das Antriebszahnrad 7 mit einem vom Motor angetriebenen Antriebsritzel 17 kämmt.

Ein im Zylinderkopf stationär gelagerter Flanscheinsatz 4 füllt das Innere des Drehschiebers 21 aus. Entsprechend füllt ein im Zylinderkopf stationär gelagerter Flanscheinsatz 5 das Innere des Drehschiebers 22 aus. Der Flanscheinsatz 4 ist mit einem Gaskanal versehen, der den Einlaßkanal 4a bildet, der Flanscheinsatz 5 mit einem Gaskanal, der den Auslaßkanal 5a bildet. Die brennraumseitigen Öffnungen 29 und 30 der Flanscheinsätze 4 und 5 sind mittels der Drehschieber 21 und 22 entsprechend deren Drehstellung verschließ- und freigebbar. Der Auslaßflanscheinsatz 5 ist mit Kühlwasserkanälen 5b versehen.

Die Gasabdichtung wird brennraumseitig durch Dichtringe 12 und 13 bewirkt. Die jeweilige Hochdruckdichtung 12 bzw. 13 rotiert während des Betriebs auf der kugelförmigen Lauffläche 23 des jeweiligen Drehschiebers 21 bzw. 22. Die Hochdruckdichtung des Einlasses, wobei für den Auslaß entsprechendes gilt, ist an Hand der Fig. 8 und 9 näher veranschaulicht. Ein geschlitzter Unterring 12a wirkt mit einem geschlossenen Oberring 12b zusammen, die ein Haltestift 12c durchsetzt. Der geschlossene Oberring 12b ist mit einer kugelförmigen Lauffläche 12d versehen, die mit der kugelförmigen Lauffläche 23 des Drehschiebers 21 zusammenwirkt.

Zwischen dem Ein- und Auslaßbereich im Zylinderkopf, somit im Bereich der Trennwand 28 der Drehschiebereinheit 20, sitzt ein Dichtring 14 als Gassperre. Die Kühlflüssigkeit läuft lediglich durch die untere Zylinderkopfhälfte 2, den Zylinder 15 und den Auslaßflanscheinsatz 5. Die Schmierung der im Zylinderkopf beweglichen Teile erfolgt über im Zylinderkopf angeordnete Ölzuläufe 1a.

Die Variation der Steuerzeiten wird durch zwei Hohlkegelsegmente 8 pro Kanal 4a bzw. 5a erzielt. Diese sind um die Achse 24 drehbar werden durch zwei Kegelsegmentführungsscheiben 9 und 10 in Position gehalten, und sind im jeweiligen Flanscheinsatz 4 bzw. 5 montiert. Die Kegelsegmentführungsscheiben 9 und 10 sind mittels Schrauben 34 an den Stirnflächen der zentralen Flanschteile 4c bzw. 5c befestigt. Durch jeweils eine Welle 11 mit Zahnrad 11a kann ein Hohlkegelsegment 8 axial um die Flanscheinsatzachse, die identisch der Rotationsachse 24 der Drehschiebereinheit 20 ist, über eine mit dem Segment verbundene Innenverzahnung 8a verdreht werden. Durch die Verwendung von zwei gegenüberliegenden Hohlkegelsegmenten 8 pro Kanal 4a bzw. 5a kann der jeweilige Kanal von einer oder beiden Seiten zunehmend verdeckt werden, wodurch sich der Steuerquerschnitt verkleinert und folglich sich das Steuerdiagramm ändert (Verkürzung der Steuerzeiten). Die Verstellung der jeweiligen Welle 11 erfolgt zweckmäßig über einen Stellmotor.

Claims (9)

1. Drehschiebereinrichtung zur Steuerung des Gaswechsels in einem Kolbenmotor, die pro Kolben (16) eine rotierend antreibbare, eine Baueinheit (20) bildende und im Zylinderkopf (33) des Kolbenmotors gelagerte Drehschiebereinheit (20) mit einer zu ihrer Rotationsachse (24) senkrecht angeordneten, mittigen, durchgehenden Trennwand (28) aufweist, welche (28) die Drehschiebereinheit (20) axial in zwei gasströmungsmäßig voneinander getrennte Drehschieberbereiche (21, 22) aufteilt, die als rotationssymmetrische Hohlkörper mit jeweils einer Gaswechselöffnung (26, 27) ausgebildet sind, wobei in die axialen diametralen Enden der Drehschieberbereiche (21, 22) jeweils ein feststehender Flanscheinsatz (4, 5) eingesetzt ist, wobei ein Flanscheinsatz (4) einen Einlaßkanal (4a) und der andere Flanscheinsatz (5) einen Auslaßkanal (5a) aufweist dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanal (4a) und damit auch der zugehörige Flanscheinsatz (4) unmittelbar an die zugehörige Gaswechselöffnung (26) des betreffenden Drehschieberbereichs (21) angrenzen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der Flanscheinsatz (4, 5) das Innere der zugehörigen Drehschiebereinheit (21, 22) berührungslos zu dieser ausfüllt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Flanscheinsatz (4, 5) im wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildet ist und eine brennraumseitige Öffnung (29, 30) des Flanscheinsatzes (4, 5) im Bereich von dessen Mantelfläche (31) angeordnet ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Laufflächen (23) der Drehschieberbereiche (21, 22) im Bereich ihrer brennraumseitigen Dichtungen (12, 13) kugelförmig sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, wobei der Flanscheinsatz (4, 5) ein zentrales Flanschelement (4c, 5c), sowie mindestens ein im Flanschelement (4c, 5c) in dessen Mantelbereich gelagertes, parallel zur Mantelfläche (31) verstellbares Steuerelement (8) zum variablen Abdecken der brennraumseitigen Öffnung (29, 30) des Flanschelementes (4c, 5c) aufweist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, wobei zwei verstellbare Steuerelemente (8) zum zweiseitigen, variablen Abdecken der brennraumseitigen Öffnung (29, 30) des Flanschelementes (4c, 5c) vorgesehen sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Steuerelement (8) als Hohlkegelsegment ausgebildet ist, das mit einer Verzahnung (8a) zum Verdrehen des Hohlkegelsegmentes koaxial zur Flanschachse (24) versehen ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der den Auslaßkanal (5a) aufweisende Flanscheinsatz (5) mit Kühlkanälen (5b) versehen ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 sowie 5 bis 7, wobei die Mittelnormalen (32) der brennraumseitigen Öffnungen (29, 30) von Einlaß- und Auslaßgaskanal (4a, 5a) V-förmig zueinander angeordnet sind.