DE19957147A1 - Gaswechseleinrichtung mit invertiertem Ventil und Zusatzeinrichtungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Gaswechseleinrichtungen einer Brennkraftmaschine. DOLLAR A Bei bekannten Brennkraftmaschinen erfolgt eine Zu- und Abfuhr der für die Verbrennung notwendigen flüssigen und/oder gasförmigen Medien über Gaswechselöffnungen von im Zylinderkopf angeordneten Gaswechselkanälen. Jede Gaswechselöffnung kann hierzu von einem Verschlußkörper, insbesondere einem (Teller)Ventil, geschlossen und geöffnet werden, wobei in einer Schließstellung der Verschlußkörper (unter Abdichtung) zur Anlage an einen im Bereich des Gaswechselkanalendes angeordneten, dem Zylinderkopf zugeordneten Ventilsitz kommt. Weiterhin erfordert die Anordnung von Zusatzeinrichtungen wie beispielsweise einer Kühlung, einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung oder einer Zündeinrichtung einen geeigneten Bauraum. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Gaswechseleinrichtung verfügt über einen im Bereich der Gaswechselöffnung fest mit der Brennkraftmaschine verbundenen Ventilsockel, der mit dem Zylinderkopf einen mittels eines bewegbaren Verschlußkörpers verschließbaren Öffnungsspalt bildet, wobei der Verschlußkörper den Ventilsockel mindestens teilweise umgibt. Die Zusatzeinrichtung ist im Bereich des Ventilsockel oder von diesem zugeordneten Bauteilen angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gaswechseleinrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei bekannten Brennkraftmaschinen wird ein Brennraum durch eine im Kurbelgehäuse gebildete zylinderförmige Laufbuchse, einen in dieser in Längsrichtung unter radialer Abdichtung verschieblichen kreisförmigen Kolben und einen die dem Kolben gegenüberliegende Seite abdichtenden Zylinderkopf begrenzt. Zum Ladungswechsel erfolgt eine Zu- und Abfuhr der für die Verbrennung notwendigen flüssigen und/oder gasförmigen Medien über Gaswechselöffnungen von im Zylinderkopf angeordneten Gaswechselkanälen. Jede Gaswechselöffnung kann hierzu von einem Verschlußkörper, insbesondere einem (Teller-)Ventil, geschlossen und geöffnet werden, wobei in einer Schließstellung der Verschlußkörper (unter Abdichtung) zur Anlage an einen im Bereich des Gaswechselkanalendes angeordneten, dem Zylinderkopf zugeordneten Ventilsitz kommt.

Ein Nachteil der bekannten Gaswechselvorrichtungen ist beispielsweise, daß die Öffnungsbewegung des Verschlußkörpers in Richtung des Brennraumes erfolgt. Hierdurch bedingt ist die Aktivierungskraft zum Öffnen der Gaswechselöffnungen abhängig von dem dieser Kraft entgegengerichteten (hohen) Innendruck des Brennraumes sowie der wirksamen Fläche des Verschlußkörpers.

Erschwerend für die Steuerung oder Regelung des Stellvorganges ist, daß die Aktivierungskraft zum einen nicht exakt bekannt und zum anderen veränderlich ist. Bei herkömmlichen Gaswechseleinrichtungen ist der Querschnitt der Gaswechselöffnung weiterhin ungefähr proportional zum Ventildurchmesser und zum Ventilhub. Angestrebt wird ein schneller Ladungswechsel mit Steuerzeiten, die weitgehend unabhängig von der Drehzahl sind. Dies bedingt einen großen Ventilquerschnitt und kurze Zeiten für den Öffnungs- und Schließvorgang. Eine Vergrößerung des Ventildurchmessers führt jedoch direkt zu einer Erhöhung der beim Öffnungsvorgang zu berücksichtigenden Gegenkraft. Der wirksame Gaswechselquer­ schnitt kann bei gegebenen Ventilabmessungen durch die Anordnung mehrerer Ventile erreicht werden. Solche Anordnungen sind mit einem Mehraufwand verbunden und benötigen einen entsprechend größeren Einbauraum.

Weiterhin erfordert die Anordnung von Zusatzeinrichtungen wie beispielsweise einer Kühlung, einer Kraftstoffeinspritzein­ richtung, einer Einspritzeinrichtung für Zusatzstoffe, einer Meßeinrichtung oder einer Zündeinrichtung einen geeigneten Bauraum oder einen geeigneten Anbauort.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine weitere Möglichkeit für die Ausgestaltung der Gaswechseleinrichtung einer Brennkraft­ maschine vorzuschlagen, die eine kompakte und/oder effektive Anordnung von Zusatzeinrichtungen ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Gaswechseleinrichtung verfügt über einen fest mit der Brennkraftmaschine, insbesondere dem Zylinderkopf, verbundenen Ventilsockel. Im Bereich des Ventilsockels oder der diesem zugeordneten Bauteile wie Stege und Träger ist mindestens eine Zusatzeinrichtung angeordnet. Diese ist durch die Aufnahme oder Anordnung an den fest mit dem Zylinderkopf verbundenen Bauteilen besonders robust. Weiterhin ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise und eine günstige Anordnung der Zusatzeinrichtungen bezogen auf den Brennraum: Insbesondere bei mittiger Anordnung des Ventilsockels können die Zusatzeinrichtungen in ungefähr zentraler Position mit dem Brennraum in Wirkverbindung treten und beispielsweise symmetrisch ausgebildet sein.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Gaswechseleinrichtung im Längsschnitt mit einem mit einem Zylinderkopf verbundenen Ventilsockel,

Fig. 2 eine weitere Gaswechseleinrichtung mit im Inneren eines Zylinderkopfes befestigtem Ventilsockel,

Fig. 3 eine weitere Gaswechseleinrichtung,

Fig. 4 einen mit dem Zylinderkopf verbundenen Ventilsockel bei Blickrichtung in Bewegungsrichtung eines Kolbens,

Fig. 5 eine Gaswechseleinrichtung gemäß Fig. 1 in einer Öffnungsstellung,

Fig. 6 eine Gaswechseleinrichtung gemäß Fig. 1 in einer Schließstellung,

Fig. 7 eine Gaswechseleinrichtung bei Blickrichtung in Zylinderlängsrichtung,

Fig. 8 eine weitere Gaswechseleinrichtung bei Blickrichtung in Zylinderlängsrichtung,

Fig. 9 eine Gaswechseleinrichtung mit drehbarem Verschlußkörper,

Fig. 10 ein drehbarer Verschlußkörper und ein zugeordneter Ventilsockel in abgewickelter Darstellung,

Fig. 11 eine Gaswechseleinrichtung mit drehbarem und/oder translatorisch bewegtem Verschlußkörper,

Fig. 12 eine Gaswechseleinrichtung mit einem als Drehschieber ausgebildeten Verschlußkörper,

Fig. 13 eine Gaswechseleinrichtung mit mehreren verschieblichen Verschlußkörpern,

Fig. 14 eine Gaswechseleinrichtung mit in den Ventilsockel integriertem Drehschieber und

Fig. 15 eine Gaswechseleinrichtung mit zwei koaxialen Gaswechselkanälen im Längsschnitt,

Fig. 16 eine Gaswechseleinrichtung mit zwei koaxialen Gaswechselkanälen im Verbindungsbereich derselben mit einem Zylinderkopf im Längsschnitt,

Fig. 17 eine Gaswechseleinrichtung in Längsschnitt,

Fig. 18 eine weitere Gaswechseleinrichtung in Längsschnitt,

Fig. 19 eine weitere Gaswechseleinrichtung in Längsschnitt,

Fig. 20 eine weitere Gaswechseleinrichtung in Längsschnitt,

Fig. 21 eine weitere Gaswechseleinrichtung in Längsschnitt,

Fig. 22 eine weitere Gaswechseleinrichtung in Längsschnitt,

Fig. 23 einen Ventilsockel bei Blickrichtung in Richtung des Brennraumes,

Fig. 24 eine Gaswechseleinrichtung mit strömungsverändertem Ventilsockel,

Fig. 25 eine weitere Gaswechseleinrichtung mit strömungsverändertem Ventilsockel,

Fig. 26 eine weitere Gaswechseleinrichtung mit strömungsverändertem Ventilsockel,

Fig. 27 eine Gaswechseleinrichtung mit Befestigungs-, Führungs- und/oder Antriebseinheit,

Fig. 28 eine Gaswechseleinrichtung mit Antriebseinheit,

Fig. 29 eine weitere Gaswechseleinrichtung mit Antriebseinheit,

Fig. 30 eine weitere Gaswechseleinrichtung mit Antriebseinheit,

Fig. 31 eine Gaswechseleinrichtung mit Zusatzeinrichtungen,

Fig. 32 eine weitere Gaswechseleinrichtung mit Zusatzeinrichtungen,

Fig. 33 eine weitere Gaswechseleinrichtung mit Zusatzeinrichtungen,

Fig. 34 eine Gaswechseleinrichtung mit durch zwei konzentrisch angeordneten Verschlußkörpern verschließbarer Gaswechselöffnung,

Fig. 35 zwei Gaswechselkanäle oder Gaswechselöffnungen im Querschnitt und

Fig. 36 eine weitere Gaswechseleinrichtung im Längsschnitt.

Im Folgenden werden vergleichbare Bauteile für unterschiedliche Ausgestaltungsformen der Erfindung zum Teil mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die in den Figuren dargestellten Gaswechselkanäle 20 finden Einsatz zur Zu- und Abfuhr von Verbrennungsmedien zu einem nicht vollständig dargestellten Brennraum 21 und sind in einem Gehäuseteil der Brennkraftmaschine, insbesondere in dem Kurbel­ gehäuse oder - wie im Folgenden dargestellt - im den Brennraum in Kolbenhubrichtung nach oben begrenzenden Zylinderkopf 22, angeordnet. Bei der Brennkraftmaschine handelt es sich um eine Ein- oder Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, beispielsweise in Zwei- oder Viertaktbauweise. Zur Vereinfachung ist im Folgenden nur einer oder zwei von beispielsweise mehreren Gaswechselkanälen eines Zylinders dargestellt. Weitere Gaswechselkanäle können entsprechend einem Vorschlag der Erfindung oder in herkömmlicher Bauweise ausgebildet sein.

Mit Längsrichtung und Längsachse wird im Folgenden die Bewegungsrichtung eine Kolbens und/oder die Längsachse eines Gaswechselkanals bezeichnet. Bei der Beschreibung der Geometrien in dargestellten Längsschnitten kann es sich beispielsweise um um die Längsachse rotationssymmetrische Bauteile handeln.

Zusätzlich zum Öffnen und Schließen der Gaswechselöffnungen kann die beschriebene Gaswechseleinrichtung auch als Abgasrückführventil oder als Bremsventil (Motorbremsbetrieb) für Bremskraftmaschinen eingesetzt werden.

Ein Gaswechselkanal 20 verfügt im Mündungsbereich, also im dem Brennraum 21 zugewandten Endbereich, über eine Gaswechselöffnung 23, die einen beliebigen Querschnitt, insbesondere über einen kreisförmigen, elliptischen, polygonalen oder mehreckigen Querschnitt, aufweist (Fig. 1).

Zum taktweisen Öffnen und Schließen des Gaswechselkanals 20 verfügt die Gaswechseleinrichtung weiterhin über einen gegenüber dem Gaswechselkanal bewegbaren, insbesondere drehbaren und/oder translatorisch verschieblichen Verschlußkörper 30. Verschlußkörper 30 und eine Wandung 28 des Gaswechselkanals 20 sind in den beteiligten Teilbereichen koaxial, bei insbesondere ähnlichen Querschnitten, zueinander angeordnet.

Zwischen der Wandung 28 und dem Verschlußkörper 30 ist mindestens ein Dicht- und/oder Führungselement 31 angeordnet. Das in an sich bekannter Weise ausgebildete Dichtelement dient der Vermeidung eines Durchtrittes von Verbrennungsmedien zwischen der Wandung 28 und dem Verschlußkörper 30. Die Dichtelemente können am Verschlußkörper 30 oder an der Wandung 28 angeordnet werden. Die Abdichtung kann beispielsweise mittels Dichtringen vergleichbar mit Kolbenringen erfolgen. Die Dichtringe können insbesondere spiralförmig ausgeführt werden. Bei dem Führungselement handelt es sich beispielsweise um eine in bekannter Weise ausgebildete Gleit- oder Wälzlagerung.

Im Bereich der Gaswechselöffnung 23 ist ein Ventilsockel 24 angeordnet, insbesondere mit zum Querschnitt des Verschlußkörpers 30 und/oder dem Gaswechselkanal 20 ähnlichem Querschnitt. Gaswechselöffnung 23 und Ventilsockel 24 sind konzentrisch oder geringfügig zueinander verschoben angeordnet, so daß sich ein um den Ventilsockel 24 umlaufender Öffnungsspalt 25 mit ungefähr konstanter Breite, beispielsweise ein (kreis-)ringförmiger Öffnungsspalt 25, ausbildet. Der Öffnungsspalt 25 wird zwischen dem Verschlußkörper 30 und dem Ventilsockel 24 gebildet. Alternativ oder zusätzlich kann ein Öffnungsspalt 25 zwischen dem Zylinderkopf 22 und dem Ventilsockel 24 gebildet sein. Weiterhin kann der Öffnungsspalt 25, insbesondere durch Unterbrechungen desselben im Verbindungsbereich mit dem Zylinderkopf 22, unterbrochen sein und den Ventilsockel 24 nur in Teilbereichen umgeben. Der Öffnungsspalt 25 als Verbindung des Brennraumes 21 mit dem Gaswechselkanal 20 kann mit beliebiger Geometrie ausgebildet sein, beispielsweise als Verbindungskanal oder in Längsrichtung geradlinige oder gekrümmte Ausnehmung oder Bohrung.

Eine dem Brennraum zugewandte Unterseite des Ventilsockels 24 ist in einer Ebene zur entsprechenden Unterseite 26 des Zylinderkopfes 22 angeordnet, insbesondere entsprechend Fig. 17 bis 20. Alternativ können diese in unterschiedlichen, insbesondere parallelen, Ebenen angeordnet sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Ventilsockel 24 mit in Richtung des Brennraumes zunehmendem Querschnitt ausgebildet. Beispielsweise ist der Ventilsockel 24 kegelstumpfförmig ausgebildet. Für die Außenkontur der Mantelfläche des Ventilsockels sind abweichend von der geradlinigen Ausbildung oder der kegelstumpfförmigen Ausführungsform beliebige Polygonzüge möglich. Die dem Brennraum zugewandte Unterseite des Ventilsockels 24 kann mit einer beliebigen Geometrie ausgeführt sein, die beispielsweise hinsichtlich der Beeinflussung des Verbrennungsverlaufes optimiert ist.

Eine feste Verbindung des Ventilsockels 24 mit dem Zylinderkopf 22 erfolgt über Verbindungselemente, beispielsweise Streben 27, die über Befestigungsmittel und/oder stoffschlüssig einerseits mit dem Ventilsockel 24 und andererseits mit dem Zylinderkopf 22, insbesondere im Bereich der Unterseite 26 oder im Bereich der den Gaswechselkanal 20 bildenden Wandung 28, verbunden sind. Im Bereich der Streben 27 ist der Öffnungsspalt 25 unterbrochen. Die Streben 27 können im Inneren des Zylinderkopfes 22, insbesondere des Gaswechselkanals 20, angeordnet sein und/oder mindestens teilweise in den Brennraum 21 hineinragen. Gemäß der schematischen Darstellung Fig. 4 verfügen die Streben 27 über eine geringe Erstreckung in Umfangsrichtung, so daß verhältnismäßig große Gaswechselquerschnitte verbleiben. Die Zahl der Streben, deren Geometrie sowie deren Position und Lage ist beliebig. Beispielsweise kann der Querschnitt der Streben derart gebildet sein, daß die mit diesem gebildeten Gaswechselquerschnitte optimiert werden, beispielsweise hinsichtlich der Strömungen der Verbrennungsmedien. Gemäß der in Fig. 4 dargestellten Ausführungform handelt es sich um vier Streben, die bei radialer Orientierung jeweils unter einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform erfolgt die Befestigung des Ventilsockels 24 über einen mit diesem, beispielsweise stoffschlüssig oder mittels eines Befestigungsmittels, verbundenen Träger 29, der (größtenteils) im Inneren des Gaswechselkanals 20 angeordnet ist. Der Querschnitt des Trägers 29 ist insbesondere korrespondierend zum Querschnitt des Gaswechselkanals 20 ausgebildet, beispielsweise kreisförmig. Gemäß einem Ausführungsbeispiel (Fig. 2) ist der Träger 29 in dem dem Ventilsockel 24 gegenüberliegenden Endbereich mit der Wandung 28 des Gaswechselkanals 20 verbunden, insbesondere im Bereich einer oder hinter einer Krümmung des Gaswechselkanals 20.

Alternativ oder zusätzlich kann der Träger im dem Brennraum 21 gegenüberliegenden Endbereich über gabelförmige oder radiale Streben mit der Wandung 28 in einem beliebigen Bereich des Gaswechselkanals mit diesem verbunden sein. Auch im (oberen) Verbindungsbereich des Trägers 29 mit dem Gaswechselkanal 20 verfügt dieser über mindestens eine Öffnung zur Zu- oder Abfuhr der Verbrennungsmedien zum oder von dem Öffnungsspalt 25.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung verfügt der Ventilsockel 24 sowohl über Streben 27 als auch über einen Träger 29 (Fig. 3), die gemäß der vorhergehenden Beschreibung ausgebildet sind.

Weiterhin kann der Ventilsockel 24 über Teilbereiche seines Umfangs unmittelbar mit dem Zylinderkopf 22 verbunden sein oder einstückig mit diesem ausgebildet sein. In den übrigen Teilbereichen des Umfanges bildet der Ventilsockel 24 mit dem Verschlußkörper 30 oder dem Zylinderkopf 22 den Ventilsockel teilweise umgebende Öffnungsspalte 25 aus, die in einer Schließstellung mittels des Verschlußkörpers 30 schließbar sind.

Innerhalb der Streben 27, eines Trägers 29 oder den Verbindungsbereichen zwischen Ventilsockel und Zylinderkopf können Kühlkanäle zur Kühlung der genannten Bauteile oder des Ventilsockels sowie einer Zufuhr von Kühlmedien zu dem Ventilsockel angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Geometrie der genannten Bauteile in an sich bekannter Weise hinsichtlich des Wärmehaushaltes optimiert sein, beispielsweise mittels Kühlrippen, die neben der Kühlung auch eine Leitfunktion der Verbrennungsmedien übernehmen können.

Der linearen Verschiebung des Verschlußkörpers 30 kann, beispielsweise zur Vermeidung einer lokalen Abnutzung der beteiligten Bauteile, eine Drehbewegung des Verschlußkörpers 30 um dessen Längsachse überlagert sein. Alternativ kann diese Drehbewegung in ausgewählten Positionen des Verschlußkörpers 30 erfolgen, beispielsweise in der Öffnungs- und/oder Schließstellung.

In einer Schließstellung kommt der Verschlußkörper 30 unter Abdichtung zur Anlage an den Ventilsockel 24 (z. B. Fig. 6). Zu diesem Zweck ist die zum Ventilsockel 24 weisende Kontur des Verschlußkörpers 30 im Kontaktbereich korrespondierend zur Gegenfläche des Ventilsockels 24 ausgebildet. Die Abdichtung kann wahlweise in Bewegungsrichtung des Verschlußkörpers und/oder quer zu dieser erfolgen. Zur Abdichtung können der Verschlußkörper 30 oder der Ventilsockel 24 über geeignete, den mechanischen und thermischen Anforderungen genügende Dichtelemente verfügen oder im Bereich von (paßgenauen) Kontaktflächen der beteiligten Bauteile unter Ausbildung einer die Abdichtung gewährleistenden Normalkraft aneinander zur Anlage kommen. Insbesondere umschließt der Verschlußkörper 30 im geschlossenen Zustand den Ventilsockel 24 in radialer Richtung teilweise oder vollständig. Bei Ausbildung des Ventilsockels 24 mit in Richtung des Brennraumes 21 zunehmendem Querschnitt ergibt sich eine Selbstzentrierung des Verschluß­ körpers 30 bei der Schließbewegung.

Zur Freigabe der Gaswechselöffnung 23 bzw. des Öffnungsspaltes 25 wird der Verschlußkörper 30 vom Brennraum weg aus dem Bereich des Öffnungsspaltes 25 bzw. der Gaswechselöffnung 23 bewegt bis in eine obere Endlage, in der der wirksame Gaswechselquerschnitt maximal ist (Öffnungsstellung, z. B. Fig. 5).

Der Verschlußkörper 30, der beispielsweise hohlzylinderförmig ausgebildet ist, ist in Längsrichtung eines Teilbereiches des Gaswechselkanals 20 verschieblich angeordnet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung (Fig. 7) verfügt der Querschnitt des Ventilsockels 24 über zwei gegenüberliegende geradlinig ausgebildete Außenkonturbereiche 32, 33 und über zwei kreisabschnittförmige Konturbereiche 34, 35. An den zwei Konturbereichen 32, 33 ist der Ventilsockel 24 dicht, insbesondere fest mit dem Zylinderkopf 22 verbunden, s. Fig. 7, 8. Aufgrund der festen Verbindung des Ventilsockels 24 mit dem Zylinderkopf 22 wird die Gaswechselöffnung 23 bzw. der Öffnungsspalt 25 nur im Bereich der Konturbereiche 34, 35 zwischen Ventilsockel 24 und dem Zylinderkopf 22 oder zwischen Ventilsockel 24 und dem Verschlußkörper 30 gebildet. Der Verschlußkörper 30 umschließt den Ventilsockel 24 in der Schließstellung nur teilweise, und zwar im Bereich der Bogenabschnitte (Fig. 7, 8). In dem Bereich, in dem der Ventilsockel 24 mit dem Zylinderkopf 22 fest verbunden ist, besitzt der bewegte Verschlußkörper 30 einen rechteckförmigen Außenmantel 36 (vgl. Fig. 7), der auf der dem Brennraum 21 gegenüberliegenden Seite auf dem Ventilsockel 24 aufliegt. Eine Abdichtung in diesem Bereich erfolgt beispielsweise entsprechend den bisher beschriebenen Möglichkeiten. Von dem Verschlußkörper 30 kragen in Umfangsrichtung gekrümmte, in Längsrichtung ungefähr parallel orientierte Schließkanten 57 aus, die in einer Schließstellung in den Öffnungsspalt 25 eintreten. Im Bereich der geradlinigen Außenkonturbereiche 32, 33, insbesondere im Übergangsbereich zu den kreisabschnittförmigen Konturbereichen 34, 35, erfolgt beispielsweise eine (zusätzliche) Abdichtung, Zentrierung oder Abstützung durch eine Nut in den geraden Seitenkanten des Ventilsockels 24, in die der Verschlußkörper 30 beim Schließvorgang eintritt. Der Verschlußkörper 30 kann auch mit mindestens einer Schließkante 58 gebildet werden (vgl. Fig. 8). Mehrere Schließkanten 58 können getrennt ausgeführt oder oberhalb des Ventilsockels 24 durch geeignete Verbindungselemente verbunden sein. Die Ventilkante 58 ist im Übergangsbereich zwischen geradliniger Kontur und bogenförmiger Kontur des Ventilsockels 24 entlang geradliniger Seitenkanten 59 abgedichtet und geführt (vgl. Fig. 8).

Weiterhin kann der Ventilsockel 24 und korrespondierend hierzu der oder ein Teilbereich des Gaswechselkanals 20 sowie der Verschlußkörper 30 mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sein. Zwei gegenüberliegende Seiten des Ventilsockels 24 sind gemäß dieser Ausbildungsform fest mit der Wand des Zylinderkopfes 22 verbunden. Beim Schließvorgang werden die beiden im Bereich der anderen Seiten gebildeten (geradlinigen) Öffnungsspalte 25 von dem Verschlußkörper 30 geschlossen.

Insbesondere gemäß dem in den Fig. 9 und 10 dargestellten Ausführungsbeispiel verfügt der Ventilsockel 38 über einen kreisförmigen Querschnitt. Der Ventilsockel 38 ist in nicht dargestellter Weise wie zuvor beschrieben mit dem Zylinderkopf 22 verbunden. Der Verschlußkörper 39 besteht aus einem zylindrischen Hohlkörper, der gegenüber dem Zylinderkopf 22 drehbar um eine Längsachse des Gaswechselkanals gelagert ist. (Die Mantelflächen von) Verschlußkörper 39 und Ventilsockel 38 verfügen über in Öffnungsstellung fluchtende Ausnehmungen, insbesondere Bohrungen 40, 41, die in Öffnungsstellung einen Verbindungskanal zwischen Brennraum 21 und Gaswechselkanal 20 bilden. Insbesondere ist der Verlauf der Bohrungen/Ausnehmungen 40 des Ventilsockels 38 kurvenförmig oder mit ungefähr halbkreisförmiger Längserstreckung ausgebildet, beispielsweise mit Orientierung in dem dem Gaswechselkanal 20 zugewandten Endbereich in dessen Längsrichtung und mit radialer Orientierung im Auslaßbereich in den Brennraum 21.

Bei einer Verdrehung des Verschlußkörpers 39 gegenüber dem Zylinderkopf 22 (und dem Ventilsockel 38) zum Schließen der Gaswechseleinrichtung werden die Bohrung 40 des Ventilsockels 38 gegenüber den Bohrungen 41 des Verschlußkörpers 39 derart verschoben, daß der Querschnitt der Verbindungskanäle verringert wird. In einer Schließstellung sind die Bohrungen 40 durch den Verschlußkörper 39 geschlossen.

Der Verschlußkörper 39 ist in Umfangsrichtung gegenüber dem Ventilsockel 38 abgedichtet. Die Abdichtung kann durch entsprechende Passungswahl und/oder geeignete Dichtelemente, insbesondere Dichtringe, erfolgen.

Eine gute Führung des Verschlußkörpers 39 kann durch weitere Maßnahmen erfolgen, beispielsweise durch Anordnung mechanischer Anschläge in Ringform, die eine mögliche Ausweichbewegung des Verschlußkörpers 39 in Längsrichtung vermeiden. Solche Anschläge können sowohl am oberen Ende als auch im mittleren Bereich des Verschlußkörpers 39 vorgesehen werden. Weiterhin können derartige Absätze die Dichtwirkung unterstützen. Darüber hinaus können anstelle einfacher Anschläge Führungselemente für die Drehbewegung und die Aufhängung des Verschlußkörpers 39 vorhanden sein.

Fig. 27 zeigt einige Befestigungsvarianten eines drehbaren Verschlußkörpers 39. Die Wandung verfügt über einen Anschlag 100, der eine Begrenzung einer Verschiebung des Verschlußkörpers 39 in Längsrichtung des Gaswechselkanals 22 bildet. Der Anschlag 100 gewährleistet vorzugsweise eine (axiale) Vorspannkraft des Verschlußkörpers 39 mit dem Ventilsockel 38.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Anschlag 100 im Längsschnitt L-förmig ausgebildet, wobei ein Schenkel des L- förmigen Längsschnittes zur axialen Führung und ein Schenkel zur radialen Führung des Verschlußkörpers 39 dient.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform verfügt der Verschlußkörper 39 über mindestens einen radial nach außen ragenden Steg 101. Der Steg 101 verfügt vorzugsweise über einen kreisringförmigen Querschnitt und umschließt den Verschlußkörper 39 vollständig. Der Steg 101 kann zur Bildung einer axialer Abstützung zur Anlage an eine Führung 102 des Zylinderkopfes 22 kommen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Steg 101 im Längsschnitt T-förmig ausgebildet und weist einen kreisringscheibenförmigen Teilkörper sowie einen hohlzylindrischen Teilkörper auf. Der Steg 101 dient zur axialen und/oder radialen Abstützung oder Führung des Verschlußkörpers 39. Weiterhin kann der Steg Dichtfunktionen übernehmen. Der Steg 101 ist alternativ oder zusätzlich als Element eines Antriebes nutzbar.

Eine weitere Variante für einen drehbaren Verschlußkörper 42 ergibt sich aus Fig. 11, in der dieser eine ungleichförmige Kontur 43 im Kontaktbereich mit dem Ventilsockel 44 aufweist. Im Kontaktbereich ist die Kontur 45 des Ventilsockels 44 korrespondierend zur Kontur 43 ausgebildet, so daß in einer Schließstellung diese unter Abdichtung aneinander zur Anlage kommen. Bei einer kombinierten Dreh- und Hubbewegung des Verschlußkörpers 42 wird zwischen den Konturen 43, 45 ein Verbindungskanal, Öffnungsspalt 25, gebildet. Beispielsweise sind die Konturen 43, 45 wellenförmig, insbesondere sinusförmig, ausgebildet.

Alternativ verfügt ein zylinderförmiger, in Form eines Drehschiebers ausgebildete Verschlußkörper 48 über Ausnehmungen oder Bohrungen 49, die in regelmäßigen Abständen über die Länge des Verschlußkörpers 48 angeordnet sind. Gemäß Fig. 12 ist mindestens ein zwischen oder mit dem Zylinderkopf 22 und/oder einem Ventilsockel 50, die ansonsten dicht miteinander verbunden sind, ausgebildeter Kanal 51 koaxial derart zu der Bohrung 49 angeordnet, daß diese einen Verbindungskanal zwischen Gaswechselkanal 20 und Brennraum 21 bilden. Der Verbindungskanal kann mittels des um eine (insbesondere senkrecht zur Längsachse orientierte) Drehachse 52 rotierenden Verschlußkörpers 48 bei einer Drehbewegung um ungefähr 90° geschlossen werden.

Gemäß einer in Fig. 13 dargestellten Ausführungsform ist mindestens ein Verschlußkörper 37 in Form eines Ventilschiebers ausgebildet, der (insbesondere unter einem spitzen Winkel) gegenüber der Längsachse des Gaswechselkanals 20 geneigt ist und relativbeweglich zum Zylinderkopf 22 und dem Ventilsockel 24 angeordnet ist. Der Ventilsockel 24 hat beispielsweise rechteckförmigen Querschnitt mit entsprechend der vorangehenden Beschreibung rechteckförmigem Öffnungsspalt 25. Die Verschlußkörper 37 sind unmittelbar im Zylinderkopf 22 geführt, insbesondere in Ausnehmungen 135 aus dem Zylinderkopf 22, und aus dem Zylinderkopf 22 im Bereich der Wandung, insbesondere in der Nähe der Gaswechselöffnung 23, ausfahrbar. Zum Abdichten des Verschlußkörpers 37 können z. B. geeignete Dichtkanten auf der Ober- und Unterseite und/oder den seitlichen Flächen eingesetzt werden. Der Verschlußkörper 37 kann bei Schnittrichtung in Verschieberichtung mit unterschiedlichen Schnittflächen ausgebildet werden. Möglich sind rechteckige und ovale Schnittflächen sowie rechteckige Schnittflächen mit angesetzten Kreisabschnitten. Durch die geometrische Form der Schließkante des Verschlußkörpers 37 und der korrespondierenden Kontaktfläche des Ventilsockels 22 wird das Abdichten beim Schließen gewährleistet. Darüber hinaus können durch den in Schließstellung ein Widerlager bildenden Ventilsockel 22 während der Verbrennung auf den Verschlußkörper 37 wirkende Gaskräfte aufgenommen werden.

Für den als Drehhülse ausgebildeten Verschlußkörper 39 kann mit einer veränderten Befestigung des Ventilsockels 38 eine weitere Variante angegeben werden. Bei dieser Lösung entsprechend Fig. 14 ist der Ventilsockel 38 entlang des gesamten Umfanges dicht, insbesondere fest, mit dem Zylinderkopf 22 verbunden. Der Verschlußkörper 39 tritt in eine korrespondierend ausgebildete, in Längsrichtung des Gaswechselkanals 20 orientierte, insbesondere in Umfangsrichtung umlaufende Nut des Ventilsockels 38 ein und öffnet bzw. schließt die mit dem Ventilsockel 38 gebildeten Verbindungskanäle durch eine Drehbewegung.

Beispielsweise sind der als Drehschieber ausgebildete Verschlußkörper 46 und ein Ventilsockel 47 im Querschnitt im wesentlichen rotationssymetrisch aufgebaut, s. Fig. 14. Der Verschlußkörper 46 verfügt über einen Hohlzylinder geringer Wandstärke mit Unterbrechungen oder Ausnehmungen in regelmäßigem Abstand und ist unmittelbar in den Ventilsockel integriert. Gemäß Fig. 14 ist die Mantelfläche des Verschlußkörpers in Längsrichtung geradlinig ausgebildet. Alternativ kann diese auch kurvenförmig ausgebildet sein.

In einer Schließstellung bilden die Unterbrechungen Verbindungskanäle mit entsprechenden Ausnehmungen aus dem Ventilsockel 47, die mittels einer Relativdrehung des Verschlußkörpers 46 gegenüber dem Ventilsockel 47 durch Bereiche der Mantelfläche des Verschlußkörpers 46 verschließbar sind. Im Bereich der Nut muß der Verschlußkörper 46 mindestens einseitig abgedichtet werden.

Die Ausnehmungen, insbesondere Bohrungen, können auch in Längsrichtung des Ventilsockels orientiert sein und/oder kreissegmentförmigen Querschnitt aufweisen. Gemäß dieser Ausführungsform verfügt der Verschlußkörper 46 über eine in den Zeichnungen horizontal orientierte Drehscheibe, die ebenfalls mit Bohrungen, Ausnehmungen und/oder Schlitzen in Form von Kreissegmenten versehen ist und verfügt beispielsweise über U- förmigen oder T-förmigen, rotationssymmetrischen Querschnitt. Durch die Ausnehmungen der Drehscheibe und des Ventilsockels gebildete Verbindungskanäle sind durch eine Verdrehung der Drehscheibe um die Längsachse verschließbar.

Eine weitere Ausführungsform verfügt über (vollständig von dem Ventilsockel umgebene) Schieber, die beim translatorischen Verschieben, insbesondere in Bewegungsrichtung 55 senkrecht zur Zeichenebene oder bei Bewegung 56 in Längsrichtung des Gaswechselkanals bei gegenüber Fig. 14 geänderter Aufnahme des Schiebers oder beim Verdrehen Strömungskanäle im Ventilsockel freigeben oder verschließen. Gemäß dieser Ausführungsform sind die Verschlußkörper 46 plattenförmig ausgebildet.

Eine Vermeidung von mechanischen Beeinträchtigungen insbesondere der Kontaktflächen zwischen Verschlußkörper und Ventilsockel und/oder eine Verminderung der Schallemission kann durch eine elastische Kopplung des Ventilsockels mit dem Zylinderkopf erfolgen, beispielsweise durch Anordnung elastischer Zwischenelemente im Kraftfluß zwischen Ventilsockel und Zylinderkopf.

Gemäß Fig. 34 können einem hohlzylinderförmigen Gaswechselkanal 116 zwei kreisringförmige Gaswechselöffnungen 117, 118 zugeordnet sein, die einen Ventilsockel 119 mit kreisringförmigem Querschnitt radial innenliegend und außenliegend umgeben. Die Gaswechselöffnungen 117, 118 sind mit jeweils einem Verschlußkörper 120, 121 in der zuvor beschriebenen Weise verschließbar. Die Verschlußkörper 120, 121 können getrennt oder miteinander verbunden ausgeführt sein und gemeinsam oder separat angesteuert werden. Bei der getrennten Ausführung können die Gaswechselöffnungen 117, 118 gleichzeitig oder einzeln verschlossen bzw. geöffnet werden. Die Bauteile können zu einer, beispielsweise ungefähr parallel zur Zylinderlängsachse verlaufenden Symmetrieachse 122 symmetrisch ausgebildet sein.

Im Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 36 umschließt ein Verschlußkörper 30 einen Ventilsockel 24 u-förmig. Der Ventilsockel 24 weist einen im Längsschnitt geradlinig ausgebildeten Seitenbereich auf. Im Seitenbereich ist der Verschlußkörper über Dicht- und Führungselemente 31 gegenüber dem Ventilsockel 24 gelagert. Der Ventilsockel stützt sich beispielsweise über Streben 27 gegenüber dem Zylinderkopf 22 ab.

Abweichend können anstelle einer Gaswechselöffnung 23 zwei, drei, vier oder mehr Gaswechselöffnungen, die in Umfangsrichtung um einen Verschlußkörper oder Ventilsockel 24 angeordnet sind, mittels eines Verschlußkörpers 30 betätigt werden. Weiterhin kann durch eine Verbindung des Zylinderkopfes 22 mit dem Ventilsockel 24 ein Teil der Gaswechselöffnung(en) dauerhaft geschlossen werden, so daß nur ein Teil der Gaswechselöffnung(en) aktivierbar ist und ein Teil des Verschlußkörpers 30 keine Verbindung zum Brennraum aufweist.

Vorzugsweise erfolgt eine Bewegung des Verschlußkörpers 30 (37; 39; 42; 46; 48) aus einer Schließstellung der Gaswechselöffnung 23 zur Öffnung der Gaswechselöffnung 23 (ungefähr) vom Brennraum 21 weg oder (ungefähr) quer zum vom Innendruck des Brennraums 21 auf den Verschlußkörper 30 (37; 39; 42; 46; 48) ausgeübten Kraft.

Eine besondere Ausgestaltungsform ist in den Fig. 15 und 16 dargestellt. Ein erster Gaswechselkanal 60 ist im Bereich des dem Brennraum 62 zugewandten Endes vom zweiten Gaswechselkanal 61 umgeben. Die Gaswechselkanäle 60, 61, verfügen im in der Zeichnung dargestellten Bereich über einen beliebigen Querschnitt, beispielsweise der erste Gaswechselkanal 60 über einen kreisförmigen Querschnitt und der zweite Gaswechselkanal 61 über einen kreisringförmigen Querschnitt. Die Gaswechselkanäle 60, 61 sind insbesondere ungefähr koaxial zueinander angeordnet und münden beispielsweise mittig in den Brennraum 62 ein.

Die den Gaswechselkanal 61 nach außen begrenzende Wandung 64 wird (mindestens teilweise) von einem Zylinderkopf 63 gebildet. Gegenüber der Wandung 64 ist ein Verschlußkörper 65 beweglich, insbesondere in Längsrichtung des Gaswechselkanals 61 verschieblich, gelagert. Zwischen dem Verschlußkörper 65 und dem Gaswechselkanal 61 sind Dicht- und/oder Führungselemente 66 angeordnet, die einerseits die funktionsgerechte Führung des Verschlußkörpers und andererseits eine Abdichtung gegen einen Durchtritt der Verbrennungsmedien übernehmen.

Die den Gaswechselkanal 61 nach innen begrenzende Wandung 67 wird von der Außenfläche eines rohrförmigen Kanalkörpers 68 beliebigen, beispielsweise kreisringförmigen Querschnitts gebildet. Der Kanalkörper 68 ist koaxial zu dem Gaswechselkanal 60 und/oder Gaswechselkanal 61 angeordnet. Im dem Brennraum 62 zugewandten Endbereich des Kanalkörpers 68 verfügt dieser über einen Ventilsockel 69 mit beispielsweise kreisringförmigem Querschnitt, der einstückig mit dem Kanalkörper 68 ausgebildet ist oder mit diesem verbunden ist. Gemäß dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Ventilsockel 69 in Form einer Verdickung des Kanalkörpers 68 ausgebildet.

Eine eine äußere Begrenzung des Gaswechselkanals 60 bildende Wandung 70 wird von der Innenfläche des Kanalkörpers 68 gebildet. Gegenüber der Wandung 70 ist über eine Dicht- und/oder Führungseinheit 71 ein Verschlußkörper 72 beweglich gelagert.

Im Bereich des dem Brennraum 62 zugewandten Endbereiches des Kanalkörpers 68 ist radial innenliegend ein Ventilsockel 73 angeordnet, an den in einer Schließstellung der Verschlußkörper 72 von der dem Brennraum 62 abgewandten Seite unter Abdichtung zur Anlage kommt.

Der innenliegende Gaswechselkanal 60 steht in Verbindung mit einer Ausnehmung oder Bohrung des Zylinderkopfes 63, insbesondere der Wandung 64 des außenliegenden Gaswechselkanals 61, über die ein Gaswechsel mit dem Gaswechselkanal 60 erfolgen kann.

Die Verschlußkörper 65, 72 kommen in Schließstellung der Gaswechselkanäle 61, 60 jeweils im radial außenliegenden Bereich unter Abdichtung zur Anlage an die Ventilsockel 69, 73. Die Kontaktflächen sind in an sich bekannter Weise zur Gewährleistung einer dichten Schließfunktion ausgebildet.

Eine Verbindung der Ventilsockel 69, 73 mit dem Zylinderkopf erfolgt beispielsweise über Streben 74. Gemäß Fig. 15 sind diese ungefähr senkrecht zur Längsrichtung der Gaswechselkanäle 60, 61 orientiert und im Inneren der Gaswechselkanäle 60, 61 oder im Bereich der Auslaßöffnungen positioniert oder ragen (geringfügig) in den Brennraum 62. Alternativ oder zusätzlich können sich die Ventilsockel 69, 73 über Träger, die auf der dem Brennraum 62 abgewandten Seite mit dem Ventilsockel verbunden sind, auf der den Ventilsockeln 69, 73 gegenüberliegenden Seite an den Wandungen 64, 70 der Gaswechselkanäle 61, 60 abstützen. Der Ventilsockel 69 stützt sich über Streben 74 unmittelbar am Zylinderkopf ab. An dem Ventilsockel 69 stützt sich über weitere Streben 74 der Ventilsockel 73 ab.

Der Gaswechselkanal 60 ist beispielsweise mit dem Kanalkörper 68 und einem Kanal 76 im Zylinderkopf gebildet (Fig. 16). In einem dem Brennrauni gegenüberliegenden Endbereich des Kanalkörpers 68 ist dieser mit der Wandung 64 derart verbunden, beispielsweise verschraubt, daß die Verbrennungsmedien zwischen dem Innenraum des Kanalkörper 68 und dem Kanal 76 austauschbar sind. Die Verbrennungsmedien können den Kanalkörper 68 im in Fig. 16 dargestellten Teilbereich (radial) umströmen.

Der unmittelbare Ein- bzw. Austritt der Verbrennungsmedien in den bzw. aus dem Brennraum erfolgt im Bereich von Gaswechsel­ öffnungen 77, 78. Die radial außenliegende Gaswechselöffnung 77 wird mit der Außenkontur des Ventilsockels 69 und der Wandung 64 und/oder dem Verschlußkörper 65 gebildet. Die radial innen­ liegende Gaswechselöffnung 78 wird mit der Außenkontur des Ventilsockels 73 und der Wandung 70 und/oder dem Verschluß­ körper 72 gebildet.

Die Wandung 64, der Verschlußkörper 65, der Außenquerschnitt des Ventilsockels 69, dessen Innenquerschnitt, der Verschlußkörper 72 und der Außenquerschnitt des Ventilsockels 73 verfügen im Bereich der Gaswechselöffnungen über beliebige Konturen. Vorzugsweise sind die Konturen kreisförmig ausgebildet und konzentrisch zueinander angeordnet. Die Unterseite des Zylinderkopfes sowie die die Gaswechselöffnungen 77, 78 bildenden Konturen der Ventilsockel 69, 73 können in einer Ebene liegen oder in mehreren Ebenen, die vorzugsweise parallel zueinander orientiert sind. Die Gaswechselöffnungen 77, 78 verfügen über beliebigen Querschnitt, insbesondere über einen kreis(ring)förmigen, elliptischen, polygonalen oder mehreckigen Querschnitt.

Die Positionierung der in Fig. 15 dargestellten Gaswechselein­ richtung im Zylinderkopf ist beliebig. Beispielsweise ist die Längsachse 79 fluchtend zur Laufrichtung des Kolbens angeordnet, so daß eine symmetrische Austrittsströmung möglich ist.

Alternativ zur in Fig. 15 dargestellten Ausführungsform kann der innenliegende Gaswechselkanal 60 mittels eines herkömmlichen (Teller-)Ventils geschlossen werden, wodurch die Dicht-Führungseinheit 71, der Verschlußkörper 72 und der Ventilsockel 73 wegfallen können.

Da die außenliegende Gaswechselöffnung 77 auch bei geringen radialen Spaltbreiten über einen großen Querschnitt verfügt, ist diese vorzugsweise als Einlaßöffnung zu verwenden.

Vorteilhaft bei dieser Ausgestaltungsform ist es weiterhin, daß eine gute Verteilung der Verbrennungsmedien während des Einlaßvorganges erfolgen kann.

Weiterhin sind sämtliche im Zusammenhang mit in den Figuren dargestellten Ausführungsformen eines verschieblichen oder eines verdrehbaren Verschlußkörpers oder eines Drehschiebers auf die ineinanderliegenden Gaswechselkanäle 60, 61 übertragbar.

Für zwei koaxial zueinander angeordneten Gaswechselventile können die Gaswechselkanäle ebenfalls koaxial zueinander, beispielsweise mit konzentrisch zueinander angeordneten, insbesondere kreisringförmigen Querschnitten, angeordnet sein. Alternativ können die Querschnitte von Gaswechselöffnungen 123, 124 und/oder die Gaswechselkanäle von Segmenten 125, 126 eines Kreisringes gebildet sein, vgl. Fig. 35. Die Segmente 125, 126 sind beispielsweise radial gegenüberliegend zueinander angeordnet. Die zugeordneten Verschlußkörper können als kompletter Hohlzylinder ausgebildet sein oder mit Teilbereichen eines solchen mit einem Querschnitt, der ungefähr dem der Gaswechselöffnungen 123, 124 entspricht, gebildet sein. Gestrichelt sind in Fig. 35 die insbesondere hohlzylinderförmigen Verschlußkörper 127, 128 dargestellt.

In den Fig. 17 bis 26 sind insbesondere unterschiedliche Geometrien der Gaswechselöffnungen dargestellt. In den Fig. 17 bis 19 ist die Unterseite eines Ventilsockels 90 ungefähr in einer Ebene mit der zu einem Brennraum 91 weisenden Stirnfläche 96 eines Zylinderkopfes 92 angeordnet. Eine im in Fig. 17 dargestellten Längsschnitt vertikal orientierte Wandung 95 des Zylinderkopfes 92, insbesondere des Gaswechselkanals, und die in der Fig. 17 ungefähr horizontal orientierte Stirnfläche 96 sind über eine, beispielsweise unter 45° oder 60° zur Stirnfläche 96 orientierte (kegelstumpfförmige) Phase 97 miteinander verbunden.

Der Ventilsockel 90 verfügt über einen im Längsschnitt im wesentlichen rechteckförmig ausgebildeten Grundkörper und einen (kreisringförmigen) Vorsprung 94 oder Absatz, der in radialer Richtung vom rechteckigen Grundkörper des Ventilsockels 90 in die Gaswechselöffnung ragt. Der Verschlußkörper 93 kommt auf der dem Brennraum abgewandten Seite (abdichtend) zur Anlage an den Vorsprung 94 und bildet oberhalb dieser Anlagefläche mit den Umfangsflächen des Ventilsockels einen Spalt, liegt an diesen an und/oder umschließt diesen. Der Vorsprung 94 begrenzt vorzugsweise die Bewegung des Verschlußkörpers 93 in Schließrichtung. In der Schließstellung wirkt der Brennrauminnendruck ausschließlich in radialer Richtung auf die Mantelfläche des Verschlußkörpers 93, also quer zu dessen Bewegungsrichtung.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 18 sind die Wandung 95 und die Stirnfläche 96 über eine Kurve oder einen Polygonzug miteinander verbunden. Vorzugsweise mündet der Polygonzug wie in Fig. 18 dargestellt tangential in die Stirnfläche 96 ein und bildet im anderen Endbereich mit der Wandung 95 einen spitzen Winkel. Abweichend von der Darstellung nach Fig. 8 kann der Polygonzug im Übergang zur Wandung tangential oder mit beliebigem Winkel verlaufen.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 19 bildet der Verschlußkörper 93 im dem Ventilsockel zugewandten Endbereich einen Längsschnitt in Form eines, insbesondere gleichschenkligen oder -seitigen, Dreiecks, wobei die Grundseite mit der Mantelfläche des Verschlußkörpers 93 gebildet ist. Der Ventilsockel 90 verfügt über einen Grundkörper mit trapezförmigem Querschnitt mit in Richtung des Brennraumes zunehmendem Querschnitt, dem in radialer Richtung ein Vorsprung 94 vorgelagert ist. Ein Teilbereich des Ventilsockel 90 und eine radial innenliegende Fläche des Verschlußkörpers 93 und oder die Phase 97 sind kegelstumpfförmig ausgebildet mit fluchtenden Längsachsen, so daß in Öffnungsstellung von diesen kreisringförmige Öffnungsquerschnitte gebildet sind. In einer Öffnungsstellung kann die kegelstumpfförmige Innenfläche eine Verlängerung der Phase 97 bilden. Die dem Ventilsockel 90 zugewandte Seitenfläche des dreieckförmigen Teilquerschnittes des Verschlußkörpers 93 ist ungefähr parallel zur Umfangsfläche des Ventilsockels 90. Zum Schließen liegt der Verschlußkörper 93 im Bereich einer Stirnfläche an einem Vorsprung des Ventilsockels 90 an. Die Seitenfläche des Verschlußkörpers 93 liegt an der Umfangsfläche des Ventilsockels 90 an. Die Abdichtung zwischen Verschlußkörper und Ventilsockel erfolgt vorzugsweise in einem kleinen Bereich 89, der vergleichbar zu einem herkömmlichen Ventil, z. B. als umlaufende Kante bzw. umlaufender Ring ausgeführt ist. Der Vorsprung des Ventilsockels 90 dient zur besseren Abdeckung des Verschlußkörpers gegenüber dem Brennraum. Die unmittelbar in den Brennraum 91 mündende Gaswechselöffnung wird zwischen dem Zylinderkopf und dem Ventilsockel 90 oder zwischen Verschlußkörper und dem Ventilsockel gebildet.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 20 ist der Ventilsockel gegenüber der mit der Stirnfläche 96 gebildeten Ebene in Richtung des Brennraumes versetzt angeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die unmittelbar in den Brennraum 91 mündende Gaswechselöffnung zwischen dem Ventilsockel 90 und dem Verschlußkörper 93 oder zwischen dem Verschlußkörper und dem Ventilsockel gebildet.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 21 ist der Ventilsockel 90 im Längsschnitt trapezförmig ausgebildet. Der Verschlußkörper 93 weist im dem Brennraum 91 zugewandten Endbereich eine Verdickung mit einer dieser zugeordneten radial innenliegenden Anlagefläche auf. Die Mantelfläche des Ventilsockels 90 ist parallel zu der die Anlagefläche bildende Innenfläche des Verschlußkörpers 93 orientiert.

Ein Verschlußkörper gemäß Fig. 22 ist im dem Brennraum zugewandten Endbereich durch eine (trichterförmige) Verjüngung gekennzeichnet. Im Bereich der unter ca. 45° gegenüber der Bewegungsrichtung des Kolbens geneigten Stirnflächen kommt der Verschlußkörper 93 zur Anlage an die Mantelfläche des trapezförmigen Ventilsockels 90.

Die Ausführungsformen gemäß Fig. 17 bis 20 dienen beispielsweise zur besseren Gestaltung des im geschlossenen Zustandes verbleibenden Ringspaltes auf der Brennraumseite zwischen Verschlußkörper 30 und Wandung 95 bzw. Phase 97.

Fig. 23 zeigt eine Draufsicht auf den Ventilsockel 90. Dieser verfügt beispielsweise über eine kegelförmige Oberfläche, auf der insbesondere (spiralförmige) Leitflächen 98 angebracht sind. Mittels der Formgebung der zum Gaswechselkanal weisenden Flächen des Ventilsockels 90 und/oder des Verschlußkörpers 93 kann die Strömungsrichtung und -art der Verbrennungsmedien beeinflußt werden. Beispielsweise kann (mittels der Leitflächen) ein Drall der Verbrennungsmedien erzeugt werden.

Weiterhin kann bei einer Ausbildung gemäß Fig. 17 die Oberkante des Ventilsockels 90 einen z. B. sinusförmigen Verlauf und die Unterseite des Verschlußkörpers 93 geradlinig ausgebildet sein, so daß sich bei einem Teilhub des Verschlußkörpers über den Umfang mehrere Öffnungen zwischen Verschlußkörper und Ventilsockel bilden. Als Folge daraus ergibt sich ein ungleichmäßiges Profil der Strömungsgeschwindigkeit.

Die Verwirbelung (Durchmischung) der in den Brennraum eingeführten Verbrennungsmedien kann durch die Formgebung der Oberfläche des Ventilsockels und des Verschlußkörpers günstig beeinflußt werden. Beispielsweise kann ein Drall erzeugt werden, der die Vermischung der Verbrennungsmedien erzeugt oder unterstützt.

Entsprechend Fig. 24, 26 kann der Ventilsockel 90 unsymmetrisch ausgebildet sein, so daß eine unsymmetrische Ein- oder Ausleitung der Verbrennungsmedien erfolgt. Der Ventilsockel ist vorzugsweise nicht rotationssymmetrisch zur Längsachse 99 des Gaswechselkanals ausgebildet. Der Verschlußkörper 93 liegt in der Schließstellung an einer Kreisringfläche derart an, daß auch eine ggf. der Hubbewegung überlagerte Drehbewegung des Verschlußkörpers 93 möglich ist. Der Ventilsockel 90 weist einen dreieckigen oder kurvenförmigen Verlauf auf mit einem in den Gaswechselkanal ragenden Maximum, welches gemäß Fig. 24, 26 seitlich versetzt zur Längsachse des Gaswechselkanals und gemäß Fig. 25 fluchtend mit dieser angeordnet ist. Die Wege der Verbrennungsmedien vom Maximum zur Gaswechselöffnung sind in Umfangsrichtung unterschiedlich lang.

Gemäß Fig. 25 kann die zwischen Ventilsockel 90 und dem Verschlußkörper 93 in einer Öffnungsstellung gebildete Gaswechselöffnung nicht rotationssymmetrisch zur Längsachse des Gaswechselkanals ausgebildet sein. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, daß die Phase 97 über den Umfang derselben keine konstante Breite und/oder Neigung gegenüber der Stirnfläche 96 aufweist. Insbesondere ist die Phase 97 unsymmetrisch zur Längsachse 99 ausgebildet.

Fig. 26 zeigt einer Kombination des unsymmetrischen Ventilsockels 90 mit einer nicht rotationssymmetrischen Phase 97.

Bei den Ausführungen nach Fig. 25 bis 27 ergibt sich ein unsymmetrischer Öffnungsquerschnitt (über dem Umfang), durch den insbesondere die Strömungsführung der Verbrennungsmedien beeinflußt werden kann.

Als Antriebsmechanismen zur Betätigung der Gaswechselein­ richtung können sämtliche dem Fachmann für Brennkraftmaschinen bekannte Antriebsmechanismen verwendet werden, beispielsweise der Antrieb mittels einer mit dem Verschlußkörper in Wirkverbindung stehenden Nockenwelle. Eine weitere Antriebsmöglichkeit ist die mittels einer elektromagnetischen Ventilsteuerung, bei welcher Betätigungskräfte und/oder Haltekräfte mindestens teilweise mittels eines oder mehrerer geregelter oder gesteuerter Elektromagnete aufbringbar sind. Weiterhin ist beispielsweise der Einsatz eines rotatorischen elektrischen Motors, eines elektrischen Schrittmotors, eines elektrischen Linearmotors oder eines elektrohydraulischen Aktors möglich.

Gemäß einer in Fig. 28 dargestellten Ausführungsform ist ein Verschlußkörper 30 über mechanische Verbindungselemente 103, 104 mit einem Stellantrieb 105 verbunden. Bei dem Stellantrieb handelt es sich um eine beliebigen Vorrichtung zur Aufbringung von Kräften/Momenten und/oder Verschiebungen/Verdrehungen, beispielsweise einen Motor, vorzugsweise mit Getriebe, eine elektromagnetische Einrichtung oder eine Nockenwelle. Der Stellantrieb 105 ist beispielsweise auf der dem Brennraum abgewandten Seite der Gaswechselöffnung 23, 25 und vorzugsweise auf der dem Brennraum abgewandten Seite des Verschlußkörpers 30 angeordnet. Ein Verbindungselement 104 ist beweglich durch eine Wandung 28 des Gaswechselkanals 20 hindurchgeführt und steht mit dem, vorzugsweise im Zylinderkopf angeordneten und abgestützten, Stellantrieb 105 in Wirkverbindung.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform (Fig. 29) verfügt der Gaswechselkanal 20 über eine radiale Ausnehmung 106, die vorzugsweise in Umfangsrichtung den Gaswechselkanal vollständig oder teilweise umgibt. Die Ausnehmung 106 ist vom Zylinderkopf 22 gebildet, beispielsweise einstückig oder zweistückig mit einem Oberteil und einem Unterteil. Der Verschlußkörper 30 ist gegenüber dem Gaswechselkanal 20 sowohl gegenüber dem stromauf der Ausnehmung 106 angeordneten Teilbereich als auch gegenüber dem stromab der Ausnehmung 106 angeordneten Teilbereich abgedichtet und/oder geführt. Die Führung der Gaswechselströme erfolgt im Inneren des Verschlußkörpers 30. Im Bereich der Ausnehmung 106 wirken vom Stellantrieb 105 unmittelbar oder über Verbindungselemente mittelbar ausgeübte Kräfte auf den Verschlußkörper 30.

Die Zahl der zum Einsatz kommenden Stellantriebe ist beliebig. Ein oder mehrere Antriebe können über eine (gemeinsame) Steuerung koordiniert werden. Gemäß Fig. 30 sind zwei Stellantriebe 105 seitlich von dem Verschlußkörper 30 angeordnet, beispielsweise ein Stellantrieb 105 zum Öffnen und ein Stellantrieb 105 zum Schließen. Gemäß dieser Ausführungsform können mechanische Verbindungselemente entfallen oder weniger aufwendig gestaltet werden. Einer der Stellantriebe kann durch ein mechanisches, passives Führungselement ersetzt werden, welches somit im Inneren der Ausnehmung 106 eine zusätzliche oder alternative Abstützung übernimmt. Über elektrische Leitungen 107 steht der oder die Stellantriebe 105 in Wirkverbindung mit einer Regelungs- oder Steuerungseinheit 108, die insbesondere die Energiezufuhr von einer in den Zeichnungen nicht dargestellten Energiequelle zu dem oder jedem Stellantrieb 105 steuert oder regelt. Als Eingangssignal können der Steuereinheit beliebige steuer- und/oder Meßsignale, beispielsweise Bewegungsgrößen des Verschlußkörpers 30, Druckgrößen des Gaswechselkanals 20 oder Brennraums 21, Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine wie ein Kurbelwellenwinkel, oder Steuersignale des Fahrzeugführers zugeführt werden.

Der Stellantrieb 105 ist vorzugsweise unmittelbar im Bereich der Mantelfläche des Verschlußkörpers 30 oder an mit diesem verbundenen Stegen angeordnet. Im Bereich der Ausnehmung können Anschläge zur Begrenzung der Bewegung des Verschlußkörpers angeordnet sein.

Bei der Verwendung eines Linearmotors als Stellantrieb kann der Verschlußkörper oder mit diesem verbundene Bauteile als passive, bewegte Komponente des Linearmotors ausgebildet sein. Die ruhende Motorkomponente, insbesondere mit bestromten Wicklungen, ist mit der Wandung des Zylinderkopfes verbunden und vorzugsweise in der Ausnehmung 106 angeordnet.

An der Gaswechseleinrichtung sind vorzugsweise Zusatzein­ richtungen angeordnet und/oder Zusatzeinrichtungen sind in Bauteile der Gaswechseleinrichtung integriert. Bei den Zusatzeinrichtungen handelt es sich beispielsweise um mindestens eine Kühleinrichtung, eine Prozeßsensorik, eine Zündvorrichtung, eine Einspritzung von Zusatzstoffen und/oder eine Brennstoffeinspritzeinrichtung.

Vorzugsweise sind Zusatzeinrichtungen in dem, in Verbindung mit dem oder im Bereich des (ruhenden) Ventilsockel angeordnet. Eine Zufuhr elektrischer Signale oder Leistung oder der notwendigen Medien wie Kühlmittels oder Verbrennungsmedien erfolgt über die Verbindungsmittel des Ventilsockels mit dem Zylinderkopf, beispielsweise über den Ventilträger 29 und/oder die Stege 27.

Gemäß Fig. 31 sind in dem Ventilträger 29 vorzugsweise in Längsrichtung desselben verlaufende Leitungen angeordnet. Bei den Leitungen handelt es sich um eine Zündleitung 109, mittels derer elektrische Signale oder Leistung einem im Ventilsockel 24 angeordneten Zündorgan 110, welches vorzugsweise mit dem Brennraum 21 in Wirkverbindung steht, zuführbar sind. Weiterhin verläuft im Ventilträger 29 mindestens eine Kraftstoffleitung 111, mittels derer einem Kraftstoffauslaßorgan 112 Kraftstoff zuführbar ist. Beim Kraftstoffauslaßorgan 112 handelt es sich beispielsweise um in den Brennraum 21 mündende Öffnungen 113 oder Düsen, ein Ventil oder ein Kraftstoffeinspritzsystem. Mehrere Kraftstoffauslaßorgane 112 können beispielsweise am Umfang des Ventilsockels 24 angeordnet sein und über eine radiale oder beliebige Austrittsrichtung verfügen.

Zur Betätigung des Kraftstoffauslaßorgans 112 notwendige elektrische Signale oder Leistung sind mittels weiterer im Ventilträger angeordneter Leitungen vom Zylinderkopf 22 an das Kraftstoffauslaßorgan 112 übertragbar.

Gemäß einer weiteren in Fig. 32 dargestellten Ausführungsform verfügt die Gaswechseleinrichtung über mehrere Leitungen 111, 114, insbesondere für Kraftstoffe und/oder sonstige Zusatzstoffe. Die Leitung 114 mündet oberhalb des Ventilsockels 24 in Richtung desselben. Mittels der mindestens einen Leitung 114 ist der Kraftstoff auf die Oberfläche des Ventilsockels 24 aufspritzbar. Neben dem Kraftstoff können mittels entsprechender Leitungen Zusatzstoffe für die Verbrennung in den Brennraum 21 und/oder den Gaswechselkanal 20 eingebracht werden.

Bei der Zündeinrichtung handelt es sich beispielsweise um eine Zündkerze oder eine Laserzündung, vgl. Fig. 33. Das Zündorgan ist vorzugsweise mindestens teilweise in den Ventilsockel 24 integriert und sendet einen Zündimpuls in Richtung des Brennraumes 21 aus.

In analoger Weise kann eine Prozeßsensorik in den Ventilsockel 24 integriert sein, beispielsweise eine Ionenstrommessung zur Erfassung des Verbrennungsablaufes oder eine Meßeinrichtung zur Bestimmung des Brennraumdruckes.

Weiterhin kann durch in dem Träger 29, dem Ventilsockel 24, den Streben 27, dem Zylinderkopf 22 und/oder dem Verschlußkörper 30 angeordnete Kühlkanäle eine Kühlung der Gaswechseleinrichtung erfolgen. Vorzugsweise bilden Kühlkanäle im Träger 29, im Ventilsockel 24 und den Streben 27 den Teil eines Kühlkreislaufes.

Die Übergabe der mit den Zusatzeinrichtungen eingebrachten Zusatzstoffe oder Kraftstoffe sowie der elektrischen Signale oder Leistung erfolgt durch geeignete Übergabestellen am Zylinderkopf 22, die in Wirkverbindung mit den Leitungen und Kanälen in der Gaswechseleinrichtung stehen.

Vorzugsweise sind in einer als Mechatronikmodul ausgebildeten Gaswechseleinrichtung Ein- und Auslaßventil, Lufteinlaß, Kraftstoffeinspritzung, das Zündsystem, die Prozeßsensorik und eine Kühlung angeordnet.

Beispielsweise sind die Brennraumseite der beschriebenen Bauteile oder die mit dem Gaswechselkanal in thermischer Verbindung stehenden Bauteile aus keramischen Werkstoffen gebildet oder verfügen über eine keramische Beschichtung.

Bei einer Kühlung des Trägers 29 und entsprechender Oberflächengestaltung desselben, beispielsweise mittels Kühlrippen, kann in den angesprochenen Bereichen eine Kühlung der mittels der Gaswechseleinrichtung zugeführten Medien erfolgen.

Durch entsprechende Gestaltung der beteiligten Bauteile, insbesondere des Verschlußkörpers, der Kanalwandungen und/oder des Ventilsockels kann die Ausströmrichtung der Gaswechselmedien beeinflußt und beliebig vorgegeben werden, beispielsweise in Richtung der Mantelfläche eines Kegels, dessen Längsachse ungefähr in Richtung des Gaswechselkanals orientiert ist und dessen Spitze in Richtung des Gaswechselkanals oder des Brennraumes weist. Im Fall von zwei koaxialen Gaswechseleinrichtungen kann jeweils eine Ausströmrichtung in Richtung der Mantelfläche eines Kegels orientiert sein, wobei die zwei Kegel gleichsinnig oder gegensinnig orientiert sein können und mit gleichen oder unterschiedlichen Öffnungswinkeln ausgebildet sein können.

Bei der Gestaltung der Strömungsquerschnitte, der Gaswechselquerschnitte, der den Verbrennungsmedien zugewandten Oberflächen und der dem Brennraum zugewandten Flächen sind für Gaswechseleinrichtung bekannte Gestaltungskriterien anzuwenden.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen handelt es sich nur um beispielhafte Ausgestaltungen. Eine Kombination der beschriebenen Merkmale für unterschiedliche Ausführungsformen ist ebenfalls möglich. Weitere, insbesondere nicht beschriebene Merkmale der zur Erfindung gehörenden Vorrichtungsteile sind den in den Zeichnungen dargestellten Geometrien der Vorrichtungsteile zu entnehmen.

Claims (11)

1. Gaswechseleinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit

• a) mindestens einem Brennraum,
• b) mindestens einem in den Brennraum mündenden Gaswechselkanal,
• c) mindestens einem Gaswechselkanal mit einer Gaswechselöffnung zum Ladungswechsel der Verbrennungsmedien, sowie
• d) mindestens einem relativbeweglich zum Gaswechselkanal gelagerten Verschlußkörper, der in einer Öffnungsstellung die Gaswechselöffnung freigibt und in einer Schließstellung die Gaswechselöffnung schließt,

dadurch gekennzeichnet,

• a) daß ein Ventilsockel (24, 38, 44, 47, 50, 69, 73, 90) fest mit der Brennkraftmaschine verbunden ist,
• b) daß der Ventilsockel (24, 38, 44, 47, 50, 69, 73, 90) mit dem Verschlußkörper (30, 37, 39, 42, 46, 48, 65, 72, 93), dem Zylinderkopf (22, 63, 92) und/oder dem Gehäuse der Btennkraftmaschine einen Öffnungsspalt (25) oder einen Verbindungskanal bildet,
• c) daß der Öffnungsspalt (25) oder der Verbindungskanal mittels des Verschlußkörpers (30, 37, 39, 42, 46, 48, 65, 72, 93) verschließbar ist und
• d) daß im Bereich des Ventilsockels (24, 38, 44, 47, 50, 69, 73, 90), eines diesem zugeordneten Trägers (29) und/oder mindestens einer dem Ventilsockel (24, 38, 44, 47, 50, 69, 73, 90) zugeordneten Strebe (27, 74) mindestens eine Zusatzeinrichtung mit mindestens einer der Zusatz­ einrichtung zugeordneten Leitung und/oder ein Kanal angeordnet ist.

2. Gaswechseleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzeinrichtung in den Ventilsockel (24, 38, 44, 47, 50, 69, 73, 90), einen diesem zugeordneten Träger (29) und/oder mindestens eine dem Ventilsockel (24, 38, 44, 47, 50, 69, 73, 90) zugeordnete Strebe (27) integriert ist.

3. Gaswechseleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zusatzeinrichtung als Kraftstoffeinspritzsystem ausgebildet ist mit mindestens einer Kraftstoffleitung (111) und mindestens einem Kraftstoffauslaßorgan (112).

4. Gaswechseleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kraftstoffauslaßorgan (112) in den Gaswechselkanal (20) mündet.

5. Gaswechseleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kraftstoffauslaßorgan (112) in den Brennraum (21) mündet.

6. Gaswechseleinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kraftstoffauslaßorgan (112) in den Brennraum (21) mündet und mindestens ein Kraftstoffauslaßorgan (112) in den Gaswechselkanals (20) mündet.

7. Gaswechseleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zusatzeinrichtung als Zündsystem mit einer Zündleitung und einem mit dem Brennraum in Wirkverbindung stehenden Zündorgan ausgebildet ist.

8. Gaswechseleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Zusatzeinrichtung als Kühleinrichtung ausgebildet ist.

9. Gaswechseleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Zusatzeinrichtung als Einspritzsystem für Zusatzstoffe zur Einspritzung in den Gaswechselkanal und/oder den Brennraum ausgebildet ist.

10. Gaswechseleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Zusatzeinrichtung als Meßeinrichtung mit Wirkverbindung zu dem Gaswechselkanal und/oder dem Brennraum ausgebildet ist.

11. Gaswechseleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Zusatzeinrichtung als Meßeinrichtung konzentrisch zur Längsachse des Ventilsockels, des Trägers und/oder des Zylinders angeordnet ist.