DE3016823C2 - Drehschieberanordnung für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehschieberanordnung für eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf, der ein in der Zylinderachse angeordnetes Element für die Brennstoffzufuhr oder Zündung sowie im wesentlichen parallel zur Zylinderachse verlaufende Luftkanäle aufweist, und mit einem auf der Brennraumseite des Zylinderkopfes angeordneten, um die Zylinderachse drehbaren Drehschieber, der den Luftkanälen entsprechende Durchlässe besitzt und gegen die Brennkammer mittels einer von einem Kühlmittel durchströmten Abdeckplatte abgeschirmt ist, welche mit die Luftkanälc deckungsgleich verlängernden Durchbrüchen versehen ist und das Element für die Brennstoffzufuhr oder Zündung ringförmig umgibt sowie im Bereich ihres Außenumfangs auf der Zylinderwand der Kolben-/Zylindereinheit abgestützt ist

Bei einer bekannten Drehschieberanordnung der vorstehend genannten Art (DE-PS 8 79 084) ist der Drehschieber in den Zylinderkopf eingelegt, so daß brennraumseitig eine fest mit dem Zylinder verbundene Abdeckplatte entsteht Bei einem Oberdruck im Zylinder wird der beschlossene Drehschieber, der bei seiner Drehung sich in einem Spalt des Zylinderkopfes mit Spiel bewegt, gegen die obere Bregrenzung des Spaltes gepreßt so daß zwischen der Abdeckplatte und seiner Unterseils ein relativ breiter Spalt entsteht. Sollen die dadurch hervorgerufenen Undichtheiten in Grenzen gehalten werden, so muß das Spiel zwischen Drehschieber und Abdeckplatte und/oder Zylinder möglichst gering gehalten werden. Dies führt zu erhöhtem Verschleiß, vor allem wenn es zu Verschmutzungen des Spaltes zwischen Drehschieber und Abdeckplatte durch Verbrennungsrückstände kommt. Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Drehschieberanordnung der eingangs genannter* Art den Verschleiß zu minimalisieren und/oder die Dichtwirkung zu verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß der Drehschieber intermittierend hin- und herbewegbar ist, daß die Abdeckplatte und der Drehschieber axial bewegbar sind, und daß die ringförmige Abdeckplatte im Bereich ihres Innenumfangs auf einem Ringflansch einer das Element für die Brennstoffzufuhr cd er Zündung umgebenden und den Zylinderkopf durchgreifenden Büchse abgestützt ist.

Durch die Druckumkehr zwischen dem Brennraum und dem Luft- bzw. Gemischvorrat wird die Abdeckplatte selbsttätig axial bewegt. Bei Überdruck im Brenn-oder Zylinderraum, d. h. während der Kompression und zu Beginn des Arbeitshubes preßt die Abdeckplatte durch ihre axiale Bewegung den dabei ebenfalls axial bewegten Drehschieber gegen den Boden des Zylinderkopfes, wobei die Abdeckplatte selbst zusätzlich dichtend gegen den Drehschieber gedrückt wird.

Bei Druckumkehr, d. h. wenn der Druck im Brenn= raum unter dem Luftdruck liegt, verschiebt sich die Abdeckplatte nach unten und hebt vom Drehschieber ab. Der Drehschieber wird ebenfalls vom Boden des Zylinderkopfes getrennt, wobei seine axiale Bewegung so begrenzt ist, daß er nur den halben »Axialhub« der Platte ausführt. In diesem Zustand, in dem die intermittierenden hin- und hergehenden Drehbewegungen des Drehschiebers zum Öffnen und Schließen der

Luftkanäle erfolgen, schwimmt der Drehschieber frei schwebend zwischen Zylinderkopf und Abdeckplatte. Der Drehschieber ist auf diese Weise keinerlei Verschleiß unterworfen.

Die innere Abstützung der beweglichen Abdeckplatte gestattet dabei, diese dünn und relativ leicht auszuführen, so daß ihre bei jeder Druckumkehr zu beschleunigende und wieder abzubremsende Masse gering wird. Eine dünne Abdeckplatte, die wegen der inneren Abstützung nicht selbsttragend sein muß, besitzt darüber hinaus in ihren mit den Luftkanälen korresondierenden Durchbrüchen ein relativ geringes Volumen. Die darin befindliche Luftmenge, die nicht an der Verbrennung beteiligt ist i:nd daher einen Verlust darstellt, wird deshalb ebenfalls relativ klein gehalten. Dieser Vorteil fällt besonders ins Gewicht bei Brennkraftmaschinen, bei denen für eine optimale Spülung und Füllung die im wesentlichen parallel zur Zylinderachse verlaufenden Luftkanäle im Zylinderdekkel ejnen möglichst großen Gesamtöffnungsquerschnitt haben und deshalb beispielsweise in mindestens zwei Reihen konzentrisch um das zentrale Element angeordnet sind.

Die Bewegungen von Drehschieber und Abdeckplatte beim öffnen und besonders beim Schließen können erheblich erleichtert werden, wenn im Zylinderkopf neben den Luftkanälen zusätzliche Bohrungen vorhanden sind, die mit den Durchtrittsöffnungen des Drehschiebers in dessen Schließstellung in Verbindung stehen.

Diese zusätzlichen Bohrungen wirken beim Schließen beispielsweise als Entlüftungsöffnungen für das Luftvolumen, das in den Durchtrittsöffnungen des Drehschiebers und in den Spalten zwischen ihm und de«· Platte bzw. dem Zylinderkopf eingeschlossen ist J5

Um die Luftkanäle des Zylinderkopfes und die mit ihnen deckungsgleich korrespondierenden Durchbrüche der Abdeckplatte bei den axialen Bewegungen gegenseitig immer in der richtigen Lage zu halten, ist die Platte gegen dm Zylinderkopf ausgerichtet und bei ihrer Bewegung geführt. Die Justierung und Führung kann beispielsweise durch eine die Abdeckplatte und die Kühlmittelleitungen im Zylinderkopf verbindende Büchse erfolgen, die gleichzeitig mit Dichtelementen versehen sein kann, die ihrerseits die Axialbewegung der Platte dichtend überbrücken.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn zwei miteinander fest verbundene Scheiben aus Materialien mit verschieden großen Ausdehnungskoeffizienten die Abdeckplatte bilden. Durch geeignete Wahl der beiden Materialien kann die Wölbung der Platte positiv, d. h. in Richtung auf den Brennraum konvex, begrenzt werden, so daß sie im Grenzfall allenfalls Null, aber bei keiner der auftretenden Temperaturen negativ wird, um so die im Betrieb auftretenden Biegewechselspannungen klein zu halten.

Ferner ist es möglich, verschiedene Vorkehrungen zu treffen, daß keine Schmutzpartikel und Verbrennungsprodukte auf den dem Zylinderraum zugekehrten Auflageflächen der Abdeckplatte haften und dort festgepreßt werden, was im Laufe der Zeit zu einer Verminderung der axialen Beweglichkeit des Drehschiebers führt. Zu diesem Zweck hat es sich als nützlich erwiesen, wenn der Auflagefläche für die Abstützung des Außenumfangs der ringförmigen Abdeckplatte ein *>5 horizontal verlaufender Spalt vorgelagert ist und/oder wenn die Abdeckplatte nzhe der Zylinderwand eine in den Brennraum hineinragende Schürze trägt, die mit der Zylinderwand einen vertikalen Spalt einschließt, der dem horizontalen Spalt vorgelagert ist, um so das Eindringen von Schmutzpartikeln infolge der Kompression des Spaltvolumens zu verhindern. An ihrem inneren Umfang kann die Abdeckplatte aus dem gleichen Grunde auf dem Ringflansch der Büchse über Spitzen oder Kämme aufliegen, welche die Auflagefläche auf ein Mindestmaß beschränken, um dadurch ein sicheres Durchstoßen des bei einer axialen Hubbewegung des Drehschiebers aufgebauten Schmutzes zu ermöglichen.

Weiterhin kann als Dichtung zwischen Abdeckplatte und Drehschieber einerseits und der Büchse andererseits eine verformbare Ringmembran eingelegt sein, die bei Oberdruck im Brennraum von der Abdeckplatte gegen eine Dichtkante des Drehschiebers gepreßt ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch die linke Hälfte eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine gemäß der Schnittlinie I-I von F i g. 2,

Fig. 2 ist der Schnitt H-Il von Fig. 1.

F i g. 3a und 3b zeigen die Einzelheit A aus F i g. 1 und F i g. 4 zeigt den Schnitt IV-IV on F i g. 3a.

Der Brenn- oder Zylindrraum 1 eines Zylinders 2 eines nicht weiter dargestellten Dieselmotors ist nach oben durch einen Zylinderkopf 3 abgeschlossen, in dessen Mitte eine Brennstoffeinspritzdüse 4 angedeutet ist. Der Zylinderraum 1 enthält einen Kolben 6.

Im Zylinderkopf 3 sind Luftkanäle / für die Zuführung von Luft bei Dieselmotoren oder von Luft/Brennstoff-Gemisch bei Ottomotoren vorgesehen. Die Luftkanäle 7 sind in drei zur Zylinderachse konzentrischen Reihen 9, 9a und 10 angeordnet und als Längsbohrungen im Zylinderkopf 3 ausgeführt. Die l.uftkanäle haben in allen Reihen 9, 9a und 10 unterschiedliche Durchmesser. Durch die Luftkanäle wird der Zylinder 1 mit einer schematisch angedeuteten Luftkammer 8 verbunden. Das gesteuerte Öffnen und Schließen der Lüftkanale oder Längsbohrungen 7 erfolgt durch einen Drehschieber 11 mit Durchtrittsöffnungen 12, die in Anordnung, Form und Größe den Längsbohrungen 7 entsprechen.

Vom Brennraum 1 her ist dem Drehschieber 11 eine ringförmige Abdeckplatte 31 vorgelagert, die mit den Luftkanälen 7 korrespondierende und deckungsgleiche Durchbrüche 32 aufweist. Sie besteht in dem gezeigten Beispiel aus zwei fest miteinander verbundenen Scheiben 31a und 31 ft, zwischen denen Strömungskanäle 33 für ein Kühlmittel, z. B. Wasser, verlaufen. Wie bereits erwähnt, bestehen die Scheiben 31a und 3ib vorteilhafterweise aus verschiedenen Materialien, wobei die dem Brennraum 1 zugewandte Scheibe 31a beispielsweise aus Kohlenstoffstahl gefertigt ist und somit eiriin kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt als die Scheibe 316, deren Material z. B. rostfreier Stahl ist.

Die Herstellung der Abdeckplatte 31 aus zwei Scheiben 31a und 31 b ermöglicht zum einen eine einfache Fertigung der Kühlmittelkonäle 33 in einer der Scheiben und zum anderen kann durch geeignete Auswahl ihrer Materialien bei thermischen Ausdehnungen eine gegen den Brennraum 1 positiv begrenzte Wölbung erzwungen werden.

Die ringförmige Abdeckplatte 31 ruht mit ihrem Außenumfang in einer ersten Ausnehmung 43 des Zylinderkopfes 3 auf der Seitenwand des Zylinders 2. Die Ausnehmung 43 ist dabei in ihrer axialen Tiefe so auf die Dicke der Platte 31 abgestimmt, daß die Platte 31

durch die Wirkung des sich während eines Arbeitszyklus umkehrenden Druckgefällcs /wischen Luftkammer 8 und Brennraum I eine axiale Bewegung ausführt, die gerade ausreicht, um ein genügendes Laufspiel für den Drehschieber Il zu gewährleisten. An ihrem inneren Umfang ist die Abdeckplatte 31 auf einer die Einspritzdüse 4 umgebenden Büchse 34 abgestützt, die zu diesem Zweck am unteren Ende einen Ringflansch 35 trägt. Über eine Dichtung 15 wird die Einspritzdüse 4 ebenfalls von dem Ringflansch 35 bzw. der Büchse 34 m getragen.

Unter Bildung eines Spaltes 36 ist die Scheibe 3lader Abdeckplatte 31 in geringem Abstand νυη der Wand des Zylinders 2 zu einer in Umfangsrichtung verlaufenden Schürze 37 verlängert. Der vertikale Spalt 36 endet ι, oben in einem zweiten horizontalen Spalt 38, der dem als Auflage und Dichtfläche dienenden Außenumfang der Platte 31 vorgelagert ist. Die beiden Spalte 36 und 38 haben die Aufgabe, eine Ablagerung und ein Einklemmen von Schmutz und Verbrennungsprodukten >n aus dem sich während der Kompression etwa um '/„ verringernden Gasvolumen im Brennraum I zu verhindern. In diese Spalte 36 und 38 kann Schmutz zwar während der Kompression eindringen, er wird jedoch beim nachfolgenden Spül- und Ladevorgang für r> den Brennraum 1 wieder ausgeblasen. Um Ablagerungen von Verunreinigungen zu vermeiden, ist weiterhin am Ringflansch 35 der Büchse 34 die Abstüt/'.ung für die Abdeckplatte 31 in Form von Spitzen oder Kämmen 39 (Fig.4) ausgebildet, auf denen Schmutzpartikel keine μ Ablagerungsfläche vorfinden.

Die Kühlmittelspeisung zwischen die Scheiben 31a und 316 erfolgt über eine im Zylinderkopf 3 verlaufende Bohrung 40, die in einer in die Scheibe 316 hineinragende Büchse 41 endet. Die Büchse 41 ist außen η von einem O-Ring 42 umgeben, durch den der Kühlmitteleintritt in die Platte 31 gegenüber den für ihre axiale Bewegung benötigten Spalten zwischen der axialen Tiefe der Ausnehmung 43 im Zylinderkopf 3 und der Dicke der Abdeckplatte 31 abgedichtet wird. Die -to mit relativ geringem Spiel in die Scheibe 31 b hineinragende Büchse 41 hat gleichzeitig die Aufgabe, die Abdeckplatte 31, deren Durchbrüche 32 gegen die Luftkanäle 7 ausgerichtet sind, gegen unbeabsichtigte Drehung zu sichern und bei ihrer Axialbewegung zu führen.

Um die Axialbewegung der Abdeckplatte 31 durch Entlüftung der Hohlräume und Spalte beim Schließen und durch zusätzliche Kraftwirkung beim Öffnen zu erleichtern, sind im Zylinderkopf 3 zusätzliche Bohrungen 5 vorgesehen, die die Luftkammer 8 mit den Durchtrittsöffnungen 12 des geschlossenen Drehschiebers 11 verbinden. Diese Bohrungen 5 müssen nicht notwendigerweise Längsbohrungen durch den Zylinderkopf 3 sein, sondern haben nur die Aufgabe, die Durchtrittsöffnungen 12 bei geschlossenem Drehschieber 11 mit dem Luftraum in der Luftkammer 8 zu verbinden.

Der Drehschieber 11 ist in einer zweiten Ausnehmung im Boden des Zylinderkopfes 3 ebenfalls axial beweglich und oszillierend drehbar angeordnet Die axiale Hubbewegung des Drehschiebers 11 beträgt jedoch nur etwa den halben Weg der Abdeckplatte 31. Die zweite Ausnehmung 44 hat einen geringeren Durchmesser ais die erste Ausnehmung 43. t=.

Der Drehschieber 11 wird durch eine mit ihm aus einem Stück gefertigte StellhOIse 14 gehalten, die die Büchse 34 koaxial umschließt und den Zylinderkopf 3 nach oben durchset/t. Der Außenmantel der Stellhülse 14 ist in zwei durch eine Abstandsbüchse 16 voneinander getrennten Radiallagcm 17 drehbar gelagert.

Am oberen finde schließt sich an die Stellhülse 14 ein Abschliißring 18 an, der aus Montagegründen über eine Verzahnung 21 lösbar auf die Stellhülse 14 aufgesetzt und auf ihr durch Schraubenbolzen 22 gehalten ist. Der Abschlußring 18 ist über drei radial nach außen verlaufende Stellnrmc 19 (F i g. 2) mit einem Zahnkranz 20 verbunden, der in ein auf einer Aniriebswelle 23 sitzendes Zahnrad 24 eingreift.

Ein Axiallager 25 für die aus Abschlußring 18. Stellhülse 14 und Drehschieber Il bestehende Einheit befindet sich am oberen Ende des Zylinderkopfes 3. Das Axiallager liegt auf einem Absatz im inneren Rand des Zylinderkopfes 3 auf und ist in axialer Richtung so bemessen, daß der Drehschieber W berm Absenken uci Abdeckplatte 31 nur den halben Hub der Platte 31 mitmachen kann.

Auf der Büchse 34. die mit ihrem Ringflansch 35 einerseits als Trager für die Einspritzdüse 4 und andererseits als Abstützung für den inneren Rand der Abdeckplatte 31 dient, ist außen eine Distanzhülse 45 befestigt. Diese stößt mit ihrem oberen Ende gegen einen Rundflansch 46, der auf einem Absatz der Büchse 34 auflegt und durch eine Mutter 47 gehalten ist.

Die Distanzhülse 45 dient mit ihrem unteren Ende als gasdichte Auflagefläche für das eine Ende einer elastisch verformbaren Ringmetnbran 48. Diese dichtet den zwischen der Distanzhülse 45 und der Stellhülse 14 bzw. dem Drehschieber Il entstehenden Spalt ab, der anderenfalls eine Strömungsverbindung zum Brennraum 1 hat. Das andere Ende der Ringmembran 48 liegt einerseits in einer Ringnut 49 (Fig. 3a und 3b) am inneren Rand der Scheibe 316 auf, wenn die Abdeckplatte 31 selbst sich in ihrer unteren Lage befindet, die sie bei einem Druckgefälle von der Luftkammer 8 zum Brennraum 1 einnimmt. Nach einer axialen Verschiebung der Abdeckplatte 31 in ihre obere Lage, in der sie den Drehschieber Il gegen den Boden des Zylinderkopfes 3 drückt, wird, wie F i g. 3b zu entnehmen ist, die Ringmembran 48 verformt und zwischen der Abdeckplatte 31 und dem Drehschieber 11 eingeklemmt. Die Ringmembran 48 liegt dabei an einer durch einen Absatz am Innenrand des Drehschiebers 11 gebildeten Dichtkante 50 an. Das Einklemmen der Ringmembran 48 verhindert, daß sie bei Oberdruck im Brennraum 1 von ihrer Auflage in der Ringnut 49 abhebt, und gewährleistet eine sichere Abdichtung auch bei einem vom Brennraum 1 nach außen gerichteten Druckgefälle. i

Die Abstützung der Büchse 34 auf dem Zylinderkopf 3 \ erfolgt über den Rundflansch 46 mit Hilfe eines \ Zwischenrings 29, wobei Schraubenbolzen 28 (F i g. 2) den Zwischenring 29 und den Rundflansch 46 auf den Zylinderkopf 3 ziehen. Der Zwischenring 29 besitzt Durchlässe 30, deren Winkelöffnung jeweils mindestens " dem Schwenkbereich eines der radial nach außen führenden Stellarme 19 entspricht Mit Hilfe der ; Durchlässe 30 im Zwischenring 29 wird daher eine \ Abstützung der in der Mitte des Zylinderkopfes 3 \ angeordneten Einspritzdüse 4 erreicht ohne daß durch j diese Abstützung die hin-und hergehende Drehbewe- ] gung beim Öffnen und Schließen des Drehschiebers 11 behindert wird.

Hierzu 3 Blatt Zcichnunaen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Drehschieberanordnung für eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf, der ein in der Zylinderachse angeordnetes Element für die Brennstoffzufuhr oder Zündung sowie im wesentlichen parallel zur Zylinderachse verlaufende Luftkanäle aufweist, und mit einem auf der Brennraumseite des Zylinderkopfes angeordneten, um die Zylinderachse drehbaren Drehschieber, der den Luftkanälen entsprechende Durchlässe besitzt und gegen die Brennkammer mittels einer von einem Kühlmittel durchströmten Abdeckplatte abgeschirmt ist, weiche mit die Luftkanäle deckungsgleich verlängernden Durchbrüchen versehen ist und das Element für die Brennstoffzufuhr oder Zündung ringförmig umgibt sowie im Bereich ihres Außenumfangs auf der Zylinderwand der Kolben-/Zylindereinheit abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber intermittierend hin- und herbewegbar, daß die Abdeckplatte (31) und der Drehschieber (U) axial bewegbar sind, und daß die ringförmige Abdeckplatte (31) im Bereich ihres Innenumfangs auf einem Ringflansch (35) einer das Element (4) für die Brennstoffzufuhr oder Zündung umgebenden und den Zylinderkopf (3) durchgreifenden Büchse (34) abgestützt ist.

2. Drehschieberanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Zylinderkopf (3) neben den Luftkanälen (7) zusätzliche Bohrungen (5) vorhanden sind, die ,mit der- Durchtrittsöffnungen (12) des Drehschieber* (11) in dessen Schließ-Stdlung in Verbindung stehen.

3. Drehschieberanordnung nach Anspruch 1, da- j5 durch gekennzeichnet, daß zwei miteinander fest verbundene Scheiben (31a, 316Jaus Materialien mit verschieden großen Ausdehnungskoeffizienten die Abdeckplatte (31) bilden.

4. Drehschieberanordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Abdeckplatte (31) und die Kühlmittelleitungen (40) im Zylinderkopf (3) verbindende Büchse (41) mit Dichtelementen (42) versehen ist, die die Axialbewegung der Abdeckplatte (31) dichtend überbrücken.

5. Drehschieberanordnung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der Auflagefläche für die Abstützung des Außenumfangs der ringförmigen Abdeckplatte (31) ein horizontal verlaufender Spalt (38) vorgelagert ist.

6. Drehschieberanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckplatte (31) nahe der Zylinderwand eine in den Brennraum hineinragende Schürze (37) trägt, die mit der Zylinderwand einen vertikalen Spalt (36) einschließt, der dem horizontalen Spalt (38) vorgelagert ist.

7. Drehschieberanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckplatte (31) auf dem Ringflansch (35) der Büchse (34) über Spitzen oder Kämme (39) aufliegt die die Auflagefläche auf so ein Mindestmaß beschränken.

8. Drehschieberanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Abdeckplatte (31) und dem Drehschieber (11) einerseits und der Büchse (34) andererseits eine verformbare Ringmembran (48) als Dichtelement eingelegt ist, die bei Überdruck im Brennraum (1) von der Abdeckplatte (31) gegen eine Dichtkante (50) des Dreh

schiebers (11) gepreßt ist.