DE19933925C2

DE19933925C2 - Drehschieber zur Gaswechselsteuerung bei Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE19933925C2
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: 2003-06-05
Anticipated expiration: 2019-07-21
Also published as: DE19933925A1

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

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 A1 und DE 197 15 888 A1. Schieberkonstruktionen mit einem auf der dem Brennraum zugewandten Seite angeordneten Drehschieber haben meist den Nachteil, daß diese während der Verbrennung eine Relativbewegung zum Zylinder 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. Des Weiteren 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 verkleinern 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 Öffnung des Auslasskanals AÖ zunächst durch einen durch die endliche Öffnungsgeschwindigkeit des Schiebers nur langsam größer werdenden Querschnitt mit Schallgeschwindigkeit strömen, was wegen des großen Wärmeübergangs zur maximalen thermischen Belastung führt, bleibt oft unbeachtet.

Drehschiebermotoren mit schrittweise angetriebenem Schieber sind aus der DE 839 575 C bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehschiebersteuerung für Brennkraftmaschinen mit einem oder mehreren Zylindern so auszubilden, daß eine optimale Nutzung der Brennraumfläche möglich wird und die thermische Belastung des Schiebers bei Öffnung des Auslasskanals AÖ durch einen steilen Öffnungsgradient reduziert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Drehschiebersteuerung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst, bei der der Drehschieber eine schrittweise Bewegung ausführt, die durch ein im Grundgedanken dem Malteserkreuzgetriebe entsprechendes Getriebe erzeugt wird. Durch eine besondere Anordnung von drei 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 zweiten vollständigen Umdrehung zum Eingriff mit der Gabel. 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 2-5 gekennzeichneten schrittweisen Antrieb des Drehschiebers, der zudem den entscheidenden Vorteil bringt, daß während der Hochdruckphase keine Relativbewegung zum Zylinder 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 voneinander 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- und Auslaßkanälen und zwei Zündkerzen wird eine gezielte Strömungsbewegung (Tumble und/oder Drall) ermöglicht, sowie eine kurze Durchbrennzeit erreicht.

Das nachfolgend näher beschriebene Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 1 bis 9 der Zeichnung 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 zu werden, gegen Ende dieses Vorgangs werden die Einlasskanäle geöffnet (= 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 durch ein Zahnriemenrad 18 das Ritzel 16 und damit die dargestellten Treiberräder 7 und 11 angetrieben, deren Stifte 22 mit der Gabel 10 in Eingriff kommen. 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 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 können bis auf die Durchführung des Schieberschafts 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 Kanälen (12, 13), wobei der Drehschieber (8) eine annähernd in Zylinderachse stehende Drehachse besitzt und an der dem Brennraum zugewandten Seite des Zylinderkopfes angeordnet ist und mit einem Schrittantrieb zur schrittweisen Drehung bei einem Taktwechsel versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrittantrieb durch eine Anordnung von drei Treiberrädern (7, 9, 11) ausgebildet ist, die jeweils einen Stift (22) für den Eingriff mit einer Gabel (10) des Drehschiebers (8) besitzen, wobei die Achsen der drei Treiberräder (7, 9, 11) konzentrisch um die Drehachse des Drehschiebers (8), und in relativ zueinander gleichem Winkelabstand bezogen auf die Drehachse des Drehschiebers (8) angeordnet sind.

2. Drehschieberanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stift (22) nur bei jeder zweiten vollständigen oder jeder vielfach zweiten Umdrehung des jeweiligen Treiberrades (7, 9, 11) mit der Gabel (10) in Eingriff kommt und damit eine schrittweise Drehung des Drehschiebers (8) bewirkt.

3. Drehschieberanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ausschließlich während der Schrittbewegung des Drehschiebers (8) eine formschlüssige Verbindung zwischen Schrittantrieb und Drehschieber (8) besteht, und in den Stillstandsphasen ausschließlich eine kraftschlüssige Verbindung (15) zwischen dem Zylinderkopf und dem Drehschieber (8) besteht, um die Winkellage des Drehschiebers (8) zu sichern.

4. Drehschieberanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberräder (7, 9, 11) in ihrer Winkellage relativ zueinander durch einen Phasenversteller an mindestens einem Treiberrad (7, 9, 11) verstellt werden.

5. Drehschieberanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemeinsames Antriebsritzel (16) der Treiberräder (7, 9, 11) von der Kurbelwelle angetrieben wird.