DE19933925A1

DE19933925A1 - Drehschieber zur Gaswechselsteuerung bei Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE19933925A1
Application number: DE1999133925
Authority: DE
Inventors: Matthias Lahr
Original assignee: Matthias Lahr
Current assignee: LAHR, MATTHIAS, 70736 FELLBACH, DE
Priority date: 1999-07-20
Filing date: 1999-07-20
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2019-07-21
Also published as: DE19933925C2

Abstract

Bei der Drehschieberanordnung zur Gaswechselsteuerung bei Brennkraftmaschinen ist ein Drehschieber (8) auf der dem Brennraum zugewandten Seite des Zylinderkopfes so eingebaut, daß dieser durch Öffnen und Schließen von Kanälen den Gaswechsel steuert. Der Drehschieber wird über seinen Schaft schrittweise so angetrieben, daß nur bei Taktwechsel eine Verstellung erfolgt. Damit sind die Steuerzeiten unabhängig von der Form der Öffnungen in Schieber und Kanälen. Die Schrittbewegung wird durch ein entsprechend ausgebildetes und von der Kurbelwelle angetriebenes Schrittgetriebe (7, 9, 10, 11, 16) erzeugt, das eine unabhängige Beeinflussung der Schritte AÖ, AS/EÖ, ES zuläßt.

Description

Die klassische Bauart für Gaswechselsteuerungen bei Brennkraftmaschinen ist durch die Anordnung von Hubventilen gekennzeichnet, die zumeist mehrere Ein- und Auslaßkanäle zum Brennraum hin öffnen und schließen. Die Ventile sind dafür vorgesehen, den eigentlichen Zylinderraum nach Beendigung des Ansaugtaktes zur Komprimierung und Verbrennung abzudichten und im Ausschiebetakt den Austritt des Abgases zu ermöglichen. Der Antrieb der Ventile erfolgt mit Nockenwellen, die unmittelbar oder über Hebelmechanismen eine translatorische Bewegung am Ventil erzeugen. Üblicherweise wird die Rückstellbewegung der einzelnen Ventile durch Federkraft bewirkt, die von der Nockenwelle zunächst bei der Öffnungsbewegung überwunden werden muß. Zur Verbesserung der Zylinderfüllung und Steuerung der Strömungsbewegung können mehrere Ein- und Auslaßventile pro Zylinder vorgesehen sein. Nachteilig wirkt sich bei diesen Ventilsteuerungen aus, daß bei der Öffnungsbewegung der Ventile diese in den Brennraum hineinragen, weshalb die Nockenwelle formschlüssig mit der Kurbelwelle verbunden sein muß, um eine Kollision zwischen Kolben und Ventilen auszuschließen. Um die bei modernen Motoren erforderlichen Veränderungen der Steuerzeiten im Bereich Gaswechsel-OT vornehmen zu können und hohe Verdichtungsverhältnisse zu ermöglichen, müssen Ventiltaschen im Kolben vorgesehen werden, die die Klopfgrenze bei Otto-Motoren bestimmen, da dort die Flammenausbreitung behindert ist und durch die Komprimierung durch das Endgas eine klopfende Verbrennung hervorgerufen wird. Bei Konstruktionen ohne Ventiltaschen trägt das heiße Auslaßventil zur klopfenden Verbrennung bei, da dort die radikalbildenden Vorreaktionen beschleunigt ablaufen. Desweiteren sind die strömungsbehindernde Form der Ventile und eine unvollkommenen Ausnutzung der Brennraumfläche auch bei Mehrventillösungen durch die notwendige Verwendung von runden Ventilen unbefriedigend. Außerdem wird eine parallele Anordnung der paarweise zusammengehörenden Ventilen und dieser zueinander mit einem bestimmten Ventilwinkel aus Kostengründen und konstruktiven Gesichtspunkten auch bei Hochleistungsmotoren ausgeführt. Dies führt zu einer Abweichung vom Optimalfall des rotationssymmetrischen Brennraums mit kürzest möglicher Durchbrennzeit. Der Antrieb der Ventile ist durch die Federrückstellung drehzahlbegrenzt und ist bei hohen Drehzahlen hohen dynamischen Kräften ausgesetzt und einer mehr oder weniger großen Verlustleistung behaftet. Durch die kontinuierliche Bewegung des Ventils wird nur in einem Zeitpunkt der volle Querschnitt freigegeben. Zur Abgasrückführung im Teillastbereich muß eine separate externe Rohrleitung und eine entsprechendes Ventil vorgesehen werden. Die Flexibilität bei der Gestaltung der Steuerzeiten durch Nockenwellenversteller und getrennte Nockenwellen für die Ein- und Auslaßventilbetätigung ist durch den konstanten durch den Nocken vorgegebenen Öffnungswinkel stark eingeschränkt, was die Umsetzung eines drosselfreien und elektronisch geregelten Motors erschwert. Verstellbare Schlepp- und Kipphebelkonstruktionen sind sehr aufwendig und haben aufgrund der geringen Steifigkeit und der großen bewegten Massen Probleme bei der Drehzahlfestigkeit.

Es ist bekannt, Drehschieber für die Steuerung des Gaswechsels bei Brennkraftmaschinen einzusetzen. Bekannt sind Drehschiebermotoren mit kontinuierlich angetriebenem Schieber, beispielsweise aus DE 195 35 920 und DE 197 15 888. Schieberkonstruktionen mit einem auf der dem Brennraum zugewandten Seite angeordneten Drehschieber haben meist den Nachteil, daß diese während der Verbrennung eine Relativbewegung aufgrund des Antriebes dieser Schieber ausführen und sehr oft mit Verschleißerscheinungen, Dichtigkeitsproblemen und einer hohen Reibleistung behaftet sind. Aufgrund des Antriebs dieser Schieber ist es auch nur eingeschränkt möglich, die Steuerzeiten zu variieren und die Brennraumfläche optimal in Dicht- und Kanalfläche aufzuteilen. Thermodynamisch von Nachteil ist bei diesen Konstruktionen, daß die Brennräume zerklüftet sind, was hohe Wandwärmeverluste und eine lange Durchbrennzeit zur Folge hat. Desweiteren sind hohe HC und CO Emissionen zu erwarten. Aufgrund der Erzeugung der Steuerzeiten aus den geometrischen Verhältnissen an Schieber und Gegenlauffläche ergeben sich häufig kleine Kanalquerschnitte mit hohen Strömungswiderständen. Auch bei Verwendung von Dichtelementen an den Dichtkanten treten durch die kontinuierliche Bewegung während der Hochdruckphase erhebliche Materialbelastungen auf, die zu den bekannten Problemen führen. Bei diskontinuierlich bewegten Schiebern besteht das Problem des hochdynamischen Antriebs, weshalb die Kanalanzahl erhöht wird, um den Schrittwinkel zu verkleinen und damit die Beschleunigungen zu reduzieren. Damit ergeben sich Nachteile, wie eine komplizierte Kanalführung im Zylinderkopf, hohe Strömungsverluste und ein verstärktes Abdichtproblem. Die Tatsache, daß die heißen Abgase bei AÖ zunächst durch einen durch die endliche Öffnungsgeschwindigkeit des Schiebers nur langsam größerwerdenden Querschnitt mit Schallgeschwindigkeit strömen, was wegen des großen Wärmeübergangs zur maximalen thermischen Belastung führt, bleibt oft unbeachtet.

Der im Patentanspruch 1 bis 7 angegebenen Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Drehschiebersteuerung für Brennkraftmaschinen mit einem oder mehreren Zylindern so auszubilden, daß keine Relativbewegung zwischen Schieber und Zylinderkopf während der Hochdruckphase stattfindet, eine variable Gestaltung der Steuerzeiten und eine optimale Nutzung der Brennraumfläche möglich wird, und die thermische Belastung des Schiebers bei AÖ durch einen steilen Öffnungsgradient reduziert wird. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Drehschiebersteuerung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst, bei der der Drehschieber über eine schrittweise Bewegung ausführt, die durch ein im Grundgedanke dem Malteserkreuzgetriebe entsprechenden Getriebes erzeugt wird. Durch eine besondere Anordnung von drei sog. Treiberrädern, die jeweils mit einem Stift versehen sind, der in zwei um 180° versetzt angeordnete Öffnungen der am Drehschieberschaft angebrachten Gabel eingreift, wird eine Abfolge von Einzelschrittbewegungen erreicht mit einer Periode von 720° Kurbelwinkel wobei die Treiberräder synchron zur Kurbelwelle, also mit einer Übersetzung von 1 : 1, angetrieben werden. Jedes Treiberrad kommt nur bei jeder 2. vollständigen Umdrehung zum Eingriff. Für jede Taktfunktion (Es, AÖ, AS/EÖ) wird ein eigenes Treiberrad verwendet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind eine freie Ausgestaltung der zur Verfügung stehenden Brennraumfläche mit Kanälen und Zündkerzen, und damit einer Festlegung des für die Dichtwirkung wichtigen Flächenverhältnisses von druckbelasteter Fläche zu Dichtfläche. Dies wurde erreicht mit einem nach den Ansprüchen 2-7 gekennzeichneten schrittweisen Antrieb des Drehschiebers, der zudem den entscheidenden Vorteil bringt, daß während der Hochdruckphase keine Relativbewegung und damit kein Verschleiß entsteht. Dadurch ergibt sich, daß der vollständig freigegebene Kanalquerschnitt (bei EÖ oder ES/AÖ) für den Zeitraum des Austritts des einen Treiberrades bis zum Eintritt des Nächsten zum Gaswechsel zur Verfügung steht. Bei Verwendung eines Phasenverstellers für jedes Treiberrad können die Startpunkte für die Schritte AÖ, AS/EÖ und ES unabhängig verstellt werden. Es werden außerdem hohe Schrittgeschwindigkeiten bei moderaten Beschleunigungen erreicht. Der rotationssymmetrische und kompakte Brennraum erlaubt eine wirkunsgradgünstige kurze Durchbrennzeit und geringe HC und CO- Emission. Die Klopfneigung ist gering wegen der relativ glatten Brennraumform und dem Fehlen von Bauteilen mit sehr hohen Temperaturen. Die hier ausgeführte Variante mit einem konstanten Schrittwinkel von 60° stellt die einfachste Lösung dar im Bezug auf das Getriebe. Dabei reduziert sich auch das Beschleunigungsmoment gegenüber einem Schrittwinkel von 120°, was der Laufruhe und der Drehzahlfestigkeit zugute kommt. Die Drehzahlgrenze wird nur durch die Bauteilfestigkeit bestimmt. Zur weiteren Optimierung des Ladungswechsels kann der Schrittwinkel ungleich aufgeteilt werden, z. B. Auslaß/Einlaß/Arbeit 40°/70°/70°. Durch die Ausführung mit jeweils zwei Ein-, Auslaßkanälen und Zündkerzen wird eine gezielte Strömungsbewegung (Tumble und/oder Drall) ermöglicht, sowie eine kurze Durchbrennzeit erreicht. Bei jeweils doppelter Anzahl von Kanälen, wie sie sich bei einem Schrittwinkel von 60° bzw. 40°/70°/70° ergibt, gestaltet sich die Abgasrückführung einfach, da Ein- und Auslaßkanäle nebeneinander angeordnet sind und damit externe Kanäle entfallen.

Das nachfolgend näher beschriebene Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen dargestellt.

In den Fig. 1-6 sind charakteristische Punkte des Bewegungsablaufs des Schiebers ersichtlich. Die Treiberräder 7, 9, 11 werden mit Kurbelwellendrehzahl in gleichsinniger Drehrichtung bewegt. Der Schieber wird nur beim Eingriff eines der drei Treiberräder in entgegengesetztem Drehsinn bewegt. Die mit dem Schieber fest verbundene Gabel 10 ist in Fig. 1 in geschlossener Stellung positioniert (Arbeitstakt). Als erstes kommt nun das Treiberrad AÖ 11 zum Eingriff. Der Schieber öffnet dabei die Auslasskanäle und bleibt zum Zeitpunkt von Fig. 2 stehen. Währenddessen läuft Treiberrad ES 7 ohne in Eingriff zu kommen um. Für den Abschnitt zwischen Fig. 2 und 3 bleiben die Auslasskanäle in voller Größe geöffnet, um dann durch die in Fig. 3 einsetzende Drehbewegung des Schiebers geschlossen, und die Einlasskanäle geöffnet zu werden (= Ventilüberschneidung), hervorgerufen durch das Treiberrad AS/EÖ 9. Nach Beendigung dieses Schrittes steht der volle Einlaßquerschnitt für die Zeit zwischen Fig. 4 und Fig. 5 zur Verfügung. Treiberrad ES 7 startet in Fig. 5 die Schließbewegung des Schiebers, die in Fig. 6 beendet wird. Dabei führt das Treiberrad AÖ 11 seine Leerdrehung aus. Zwischen Fig. 6 und Fig. 1 findet der Arbeitstakt statt, während dem Treiberrad AS/EÖ 9 seine Leerdrehung ausführt.

In Fig. 7 ist die Ansicht von der Brennraumseite dargestellt. Hierin sind die Einlaßkanäle 12 und die Auslaßkanäle 13 angedeutet, deren Öffnungen in der dargestellten Stellung des Schiebers 8 verschlossen sind. Zu sehen sind die Zündkerzen 14, die in dem Zylinderkopf so eingebaut sind, daß sie nicht über die Dichtfläche hinausragen. Die Aufteilung der Brennraumfläche in Kanal- und Dichtfläche kann dieser Figur entnommen werden.

In Fig. 8 ist sind alle bewegten Teile dargestellt. Das von der Kurbelwelle angetriebene Ritzel 16 bewegt die Treiberräder 7, 9, 11 im Übersetzungsverhältnis 1 : 1 zur Kurbelwelle, die die bereits erwähnten Schrittbewegungen der Gabel 10 und damit des Schiebers 8 erzeugen (siehe Fig. 1-6).

Fig. 9 ist eine Schnittdarstellung des Konstruktionsbeispiels. Dem Kraftfluß folgend wird durch einen um 90° umgelenkten Zahnriemen und Zahriemenrad 18 das Ritzel 16 und damit die dargestellten Treiberräder 7 und 11 angetrieben, deren Stift 22 mit der Gabel 10 in Eingriff kommt. Die Gabel ist auf dem Schaft des Schiebers 8 befestigt, die diesen antreibt. In der gezeichneten Schieberstellung sind die Einlaßkanäle 12 geöffnet. Eine unter der Gabel angeordnete Wellfeder 15 bringt die zum ständigem Kontakt des Schiebers mit dem Zylinderkopf notwendige Axialkraft auf. Die Drehachse von Ritzel 16 und Schieber 8 sind gleich, weshalb die Lagerung beider Bauteile ineinander erfolgt. Die Ritzellagerung übernimmt ein Wälzlager 19, das in einem Flansch befestigt ist, der seinerseits auf den drei Treiberradachsen mit jeweils einer Schraube befestigt ist. Die Lagerungen der Treiberräder sind identisch und exemplarisch an Rad 7 zu sehen, das auf seiner Achse 21 mit einem Gleitlager gelagert ist. Der Schieberschaft ist ebenfalls mit einem Gleitlager 17 im Zylinderkopf geführt. Die Lauffläche des Schiebers wird vorzugsweise mit einem keramischen Werkstoff beschichtet und die Gegenlauffläche aus einem ebensolchen Material als Einlage für den Zylinderkopf hergestellt. Die Kühlmittelkanäle 23 können bis auf die Durchführung des Schieberschaft und die Aufnahme der Treiberradachsen frei gestaltet werden.

Bezugszeichenliste

7

Treiberrad Es

8

Drehschieber

9

Treiberrad AS/EÖ

10

Gabel

11

Treiberrad AÖ

12

Einlaßkanäle

13

Auslaßkanäle

14

Zündkerze

15

Wellfeder

16

Antriebsritzel

17

Gleitlager

18

Zahnriemenrad

19

Wälzlager

20

Lagerflansch

21

Treiberradachse

22

Treiberstift

23

Kühlmittelkanäle
EÖ Einlaß öffnet
Es Einlaß schließt
AÖ Auslaß öffnet
AS Auslaß schließt

Claims

1. Drehschieberanordnung zur Gaswechselsteuerung bei Brennkraftmaschinen durch Öffnen und Schließen von Öffnungen mit einer annähernd in Zylinderachse stehender Drehachse, wobei der Drehschieber (8) an der dem Brennraum zugewandten Seite des Zylinderkopfes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schrittantrieb zur schrittweisen Drehung des Drehschiebers (8) bei einem Taktwechsel vorgesehen ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrittantrieb durch eine Anordnung von Treiberrädern (7, 9, 11) ausgebildet ist, die bei jeder 2. vollständigen oder jeder vielfach 2. Drehung den Drehschieber bewegen.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Treiberrad einen Stift oder dergleichen aufweist, der in eine Ausnehmung des Drehschiebers eingreifen kann.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrittantrieb durch einen hydraulischen Antrieb ausgebildet ist.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektromotor zum Betreiben des Schrittantriebs vorgesehen ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrittantrieb durch den Abtrieb eines Elektromotors ausgebildet ist.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasenversteller an den Treiberrädern vorgesehen ist.