DE19943305A1

DE19943305A1 - Zylinderkopf mit Ventilsystem für Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE19943305A1
Application number: DE1999143305
Authority: DE
Inventors: Georg Albersinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2001-03-15

Description

Die Erfindung betrifft den Gaswechselvorgang von Verbrennungsmotoren, vorwie gend in Viertakt-Otto- und -Diesel-Bauart.

Bei der aktuellen Motorentechnik erfolgt die Steuerung des Gaswechsels fast aus schließlich durch im Zylinderkopf angeordnete Tellerventile. Ausgangsbasis ist hier bei je ein Ventil für Frischgaseinlaß und Abgasauslaß pro Zylinder. Um eine möglichst optimale Zylinderfüllung zu erreichen sind heute bis zu fünf Ventile pro Zylinder Stan dard (3 Einlaß, 2 Auslaß). Der Raum für Anzahl und Größe der Ventile ist auf den Kol bendurchmesser begrenzt. Eine hohe Anzahl von Ventilen hat eine erhebliche Komplexität des mechanischen Ventiltriebs mit entsprechend hohen Reibverlusten zur Folge und erschwert zugleich den Einsatz von zukünftiger Technik, wie elektromecha nische Ventilbetätigung oder vollvariable Ventilsteuerung.

Als alternative Technik für die Gaswechselsteuerung sind Lösungen mit scheiben- oder trommelförmigen Drehschiebern bekannt. Diese konnten sich aber nicht durch setzen. Eines der Probleme ist dabei die gleitende Abdichtung des Drehschiebers zum Brennraum hin gegen den hohen Verbrennungsdruck, woraus sich Reibungs- und Ver schleißverluste ergeben. Ein Vorteil von Drehschiebern gegenüber Ventilen ist die hohe Drehzahlfestigkeit aufgrund der nichtoszillierenden Arbeitsweise.

Das Ziel der Erfindung ist ein effektiver Gaswechselvorgang mit dem Ergebnis einer optimalen Zylinderfüllung in Verbindung mit einem geringen technischen Aufwand. Dies wird im Prinzip dadurch erreicht, daß zum Gaswechsel im Zylinderkopf nur eine Öffnung zum Brennraum vorgesehen ist, deren Durchlaßquerschnitt wechselweise so wohl für den Frischgaseinlaß, als auch für den Abgasauslaß genützt wird. Die Öffnung wird in bekannter und bewährter Weise mit einem herkömmlichen Tellerventil ver schlossen. Von der Öffnung abzweigend sind der Einlaß- und der Auslaßkanal ange ordnet. Die Zuordnung der Öffnung zu dem jeweils gewünschten Kanal erfolgt durch ein dem Tellerventil nachgeschaltetes Steuerelement, welches die erforderliche Tren nung von Frisch- und Abgas sicherstellt. Da dieses Steuerelement dabei nicht dem Verbrennungsdruck, sowie der Verbrennungstemperatur ausgesetzt ist und keine Druckdichtigkeit erforderlich ist, können hierzu Komponenten, wie Drehschieber, Klappen oder Membranventile problemlos eingesetzt werden. Dieses Steuerelement ist derart gestaltet und angeordnet, daß es abwechselnd einen freien Durchgang zum Ein- oder Auslaßkanal herstellt und zugleich jeweils den anderen davon verschließt.

Die Vorteile eines Zylinderkopfs mit Gaswechselsteuerung nach diesem neuartigen Prinzip sind:

- Aufgrund der Zusammenführung von Ein- und Auslaßkanal zu einer Zugangsöff nung in den Zylinderraum und der daraus resultierenden wechselweisen gemein samen Nutzung dieses Offnungsquerschnitts für Ein- und Auslaß läßt sich der nutzbare Durchlaßquerschnitt spezifisch wesentlich vergrößern, was zu einer bes seren Zylinderfüllung führt.
- Es ist eine Ventileinheit pro Zylinder ausreichend; dadurch geringe oszillierende Massen, geringer mechanischer Betätigungsaufwand, geringe Reibungsverluste.
- Der Einsatz von elektromechanischer Steuerungstechnik und vollvariabler Ventil steuerung wird durch die geringe Anzahl von Ventilen - und dadurch günstige Platzverhältnisse - wesentlich erleichtert.
- Keine Temperaturprobleme bei allen Ventil- und Steuerkomponenten durch Frischgaskühlung.

Die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen darge stellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht einer ersten Ausführungsform mit Drehschieber; Tellerventil geschlossen, Steu eröffnung des Drehschiebers in Übergangsstellung vom Aus- zum Einlaßkanal;

Fig. 2 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht der ersten Aus führungsform nach Fig. 1 mit geöffnetem Tellerventil und Steuer öffnung des Drehschiebers in Richtung Einlaßkanal;

Fig. 3 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht der ersten Aus führungsform nach Fig. 1 mit geöffnetem Tellerventil und Steuer öffnung des Drehschiebers in Richtung Auslaßkanal;

Fig. 4 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht einer zweiten Ausführungsform mit zweiteiligem Schwenkschieber; Tellerventil geschlossen, Schwenkschiebersegmente derart positioniert, daß ein Durchgang zwischen Ein- und Auslaßkanal entsteht; Antrieb des Tellerventils durch Nockenwelle und der Schwenkschiebersegmente elektromechanisch symbolisch dargestellt;

Fig. 5 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht der zweiten Ausführungsform nach Fig. 4 mit geöffnetem Tellerventil und Schwenkschiebersegmente derart positioniert, daß der Einlaßkanal verschlossen und der Auslaßkanal geöffnet wird;

Fig. 6 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht einer dritten Ausführungsform mit Membranen als Steuerelemente; Tellerventil und einlaßseitige Membranen geöffnet, auslaßseitige Membranen geschlossen;

Fig. 7 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht der dritten Aus führungsform nach Fig. 6; Tellerventil und auslaßseitige Membra nen geöffnet, einlaßseitige Membranen geschlossen;

Fig. 8 eine perspektivische Schnittansicht eines Zylinderkopfes mit den in eine gemeinsame Öffnung mündenden Ein- und Auslaßkanälen;

Fig. 9 eine perspektivische Detailansicht des Drehschiebers der ersten Aus führungsform nach Fig. 1 bis 3.

Die Funktion des Systems im Detail, am Beispiel der Drehschieberversion (Fig. 1 bis 3):

Das Tellerventil 2 verschließt die Eintrittsöffnung 1.3 der Ein- und Auslaßkanalkom bination 1.1, 1.2 zum Brennraum in bekannter und zuverlässiger Weise. Der um den Schaft 2.1 des Tellerventils 2 drehend angeordnete Drehschieber (Steuerelement) 4 wird bei diesem Beispiel in einem Verhältnis von 1 : 1 zur Kurbelwelle des Motors an getrieben. Der Drehschieber 4 ist an seiner Stirnseite zum Ventilteller hin offen 4.1 (siehe Fig. 9) und hat an seiner Mantelfläche eine Steueröffnung 4.2 (siehe Fig. 9), die sich über einen Teil seines Umfangs erstreckt, welche abwechselnd den Ansaugka nal 1.1 oder den Auspuffkanal 1.2 freigibt. Zu Beginn des Ansaugtaktes (Fig. 2) wird z. B. von einer üblichen Nockenwelle 7 das Tellerventil 2 geöffnet, und der Drehschie ber 4 mit seiner Steueröffnung 4.2 am Ansaugkanal 1.1 vorbeigedreht, wobei er gleich zeitig den Auspuffkanal 1.2 verschließt. Am Ende des Taktes schließt das Tellerventil 2. Während des folgenden Verdichtungs- und Arbeitstaktes (Fig. 1) macht der Dreh schieber 4 eine ganze Leerrunde bei geschlossenem Tellerventil 2. Zu Beginn des Aus pufftaktes (Fig. 3) wird das Tellerventil 2 geöffnet und der Drehschieber 4 mit seiner Steueröffnung 4.2 am Auspuffkanal 1.2 vorbeigedreht, wobei dieser jetzt den Ansaug kanal 1.1 verschließt. Während des Übergangs vom Auspufftakt (Fig. 3) in den An saugtakt (Fig. 2) könnte bei entsprechender Gestaltung des Kolbens 3 das Tellerventil 2 geöffnet bleiben, während der Drehschieber 4, je nach Ausführung, mit oder ohne Überschneidung den Auspuffkanal 1.2 verschließt und den Ansaugkanal 1.1 freigibt.

Da der Drehschieber 4 nur eine Steuerfunktion hat, und dabei nicht druckdicht ausge führt sein muß, kann dieser im Zylinderkopf 1 berührungsfrei laufend ausgeführt sein, verursacht dadurch keine Reibungs- und Verschleißverluste und benötigt nur geringe Antriebsmomente. Der Drehschieber 4 kann auch oszillierend betätigt werden.

Bei einer zweiten Ausführungsform dieses Prinzips (Fig. 4 und 5) ist der Dreh schieber 4 durch einen zweiteiligen Schwenkschieber 5 ersetzt. Dieser besteht aus zwei sich überlappenden Schiebersegmenten 5.1, welche gegenläufig oszillierend betätigt werden. Gegenüber dem Drehschieber 4 ist der Schwenkschieber 5 reaktionsschneller, flexibler in den Steuerzeiten und hat eine symmetrische Arbeitsweise.

Bei der dritten Ausführungsform (Fig. 6) erfolgt die Steuerung der Gasströmung mit tels selbsttätiger Membranventile 6. Hierbei ist der mechanische Steuerungsaufwand nochmals erheblich reduziert. Die Effektivität dieser Lösung hängt sehr von der Ge staltung der Membranventile 6 ab.

Die Betätigung des Tellerventils 2 kann bei allen Varianten mit allen bekannten Syste men erfolgen. Darüber hinaus wird der Einsatz von zukünftiger Technik, wie die Elek tronnechanik, durch die geringere Anzahl von Ventilen 2 wesentlich erleichtert. Ebenso für den Antrieb der Dreh- und Schwenkschieber 4, 5 sind alle bekannten Ver fahren einsetzbar. Besonders vorteilhaft erscheint eine elektromagnetische Kombina tion zur Betätigung von Ventil- und Steuerelement 2, 4, 5 in einer Einheit bei voll variabler Regelbarkeit.

Daß sich das im Bereich innerhalb der Steuerelemente 4, 5 während des Umsteuervor gangs verbleibende Frischgas mit Abgas vermischen könnte, ist bei Direkteinspritz motoren kein Problem, da das Frischgas keinen Kraftstoff enthält. Bei Saugrohr- Einspritzsystemen kann der Verlust von Kraftstoff-Luft-Gemisch dadurch verhindert werden, daß während des Verdichtungs- und Arbeitstaktes das Steuerelement 4, 5 so gestellt wird, daß eine Öffnung zwischen Ansaug- und Auspuffkanal 1.1, 1.2 entsteht, wodurch unter Ausnutzung der Gasresonanzschwingung dieser Raum sich mit Abgas füllt.

Bei Hochleistungsmotoren können auch zwei dieser Ventileinheiten pro Zylinder in stalliert werden, wobei sich dazwischen sehr gut zwei Zündkerzen unterbringen lassen.

Claims

1. Zylinderkopf mit Ventilsystem für Verbrennungsmotor, dadurch gekenn zeichnet, daß

- im Zylinderkopf (1) für jeden Zylinder zumindest eine Öffnung (1.3) zum Brennraum hin vorgesehen ist;
- in jede dieser Öffnungen (1.3) sowohl Einlaßkanal (1.1), als auch Aus laßkanal (1.2) münden;
- jede dieser Öffnungen (1.3) durch ein Tellerventil (2) verschlossen und abgedichtet wird;
- durch ein oder mehrere Steuerelemente (4, 5, 6) die Steuerung der Gas strömungen zwischen Einlaßkanal (1.1), Auslaßkanal (1.2) und Öffnung zum Brennraum (1.3) erfolgt.

2. Zylinderkopf mit Ventilsystem für Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Tellerventil (2) mindestens ein Steu erelement (4, 5, 6) nachgeschaltet bzw. zugeordnet ist.

3. Zylinderkopf mit Ventilsystem für Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils einer Gruppe von Tellerventilen (2) mindestens ein Steuerelement (4, 5, 6) nachgeschaltet bzw. zugeordnet ist.

4. Zylinderkopf mit Ventilsystem für Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement als Drehschieber (4) mit zumindest einer Steueröffnung (4.2) ausgeführt ist.

5. Zylinderkopf mit Ventilsystem für Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement als Schwenkschieber (5) ausgeführt ist, welcher aus einem oder mehreren von einander unabhängigen Schwenkschiebersegmenten (5.1) besteht.

6. Zylinderkopf mit Ventilsystem für Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerelemente Mem branventile (6) zum Einsatz kommen.

7. Zylinderkopf mit Ventilsystem für Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber (4) drehbar um den Teller ventilschaft (2.1) ausgeführt ist, wobei er zum Ventilteller hin offen ist (4.1) und eine Steueröffnung (4.2) an seiner Mantelfläche aufweist, wobei die Kanäle (1.1, 1.2) des Zylinderkopfes und die Steueröffnung (4.2) des Dreh schiebers derart gestaltet sind, daß je nach Drehwinkel abwechselnd ein Durchgang zwischen einem der Kanäle (1.1, 1.2) und der Öffnung (1.3) zum Brennraum entsteht.

8. Zylinderkopf mit Ventilsystem für Verbrennungsmotor nach Anspruch 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueröffnung (4.2) des Dreh schiebers (4) und die Kanäle (1.1, 1.2) des Zylinderkopfes so gestaltet sind, daß bei einem bestimmten Drehwinkel ein Durchgang zwischen Einlaßka nal (1.1) und Auslaßkanal (1.2) entsteht.

9. Zylinderkopf mit Ventilsystem für Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 4, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung des Drehschiebers (4) mit Kurbelwellendrehzahl erfolgt.

10. Zylinderkopf mit Ventilsystem für Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkschieber (5) aus zwei sich in den Endstellungen überlappenden Schwenkschiebersegmenten (5.1) besteht, welche drehbar um den Tellerventilschaft (2.1) ausgeführt sind.

11. Zylinderkopf mit Ventilsystem für Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schwenkschiebersegmente (5.1) symmetrisch oszillierend betätigt werden.

12. Zylinderkopf mit Ventilsystem für Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 5, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkschie bersegmente (5.1) eine Position einnehmen können, bei der ein Durchgang vom Einlaßkanal (1.1) zum Auslaßkanal (1.2) entsteht.

13. Zylinderkopf mit Ventilsystem für Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl dem Einlaßkanal (1.1), als auch dem Auslaßkanal (1.2) zumindest ein Membranventil (6) zugeordnet ist, wobei die Membranventile (6) derart gestaltet sind, daß sich die Gasströmung im Einlaßkanal (1.1) zum Brennraum hin und im Auslaßkanal (1.2) vom Brennraum weg bewegt.