DE3239451C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Wie beispielsweise in der Beschreibungseinleitung der US-PS 35 26 216 ausgeführt, sind die üblicherweise bei Brennkraftmaschinen als Absperrmittel verwendeten Hubventile nicht frei von Nachteilen. So sind bekanntlich die üblicherweise verwendeten Nockenantriebe nicht nur teuer, sondern auch schwierig so auszulegen, daß sie in allen Drehzahlbereichen der Maschine günstige Öffnungs- und Schließwinkel der Hubventile garantieren.

Aus der genannten Patentschrift ist daher bereits eine Brennkraftmaschine bekannt, deren Absperrmittel durch Walzen gebildet sind, in die Strömungskanäle für dem jeweiligen Brennraum über den Einlaßkanal zuzuführendes Kraftstoff-Luft-Gemisch sowie für die über den Auslaßkanal abzuführenden Abgase eingearbeitet sind. Die Walze wird über ein Malteserkreuz von einer von der Brennkraftmaschine angetriebenen Welle her schrittweise um jeweils 90° verschwenkt, so daß also der Malteserantrieb eine Einrichtung darstellt, die die kontinuierliche Drehbewegung der besagten Welle in eine Aufeinanderfolge von Dreh- und Stillstandsphasen der Walze umsetzt.

Diese Umsetzeinrichtung dient offenbar dazu, im Zusammenwirken mit der Form der in die Walze eingearbeiteten Kanäle die Winkelbereiche genau zu definieren, während denen die Walze den jeweiligen Kanal sperrt bzw. freigibt. Die Malteseranordnung ist so ausgelegt, daß eine Bewegungsphase der Walze beispielsweise dann vorliegt, wenn die Zündung des in dem Brennraum befindlichen Gemischs erfolgt. Dagegen liegt beispielsweise während des Ansaugtakts bei voll geöffnetem Einlaßkanal eine Stillstandsphase der Walze vor.

Diese bekannte Brennkraftmaschine erkauft die Vermeidung der Nachteile bekannter Hubventile jedoch mit anderen Nachteilen, da sie der Tatsache der sehr starken Schwankung der Reibungsverhältnisse an den drehbewegten Absperrmitteln nicht Rechnung trägt. Auf diese wirkt nämlich bei hohen Druckwerten im Brennraum, also insbesondere während der Kompression und der Zündung des Gemischs, ein sehr hohes Reibmoment, da die Absperrmittel dann gleichsam einen Bestandteil des Brennraumgehäuses, also in der Regel des Zylinders, bilden und demgemäß mit hohem Druck auf ihren abstützenden Gehäusebereichen aufliegen, während das so erzeugte Reibmoment verständlicherweise bei niedrigem Zylinderdruck ebenfalls erheblich kleiner ist. Die bei dem zitierten Stand der Technik mit dem Zündzeitpunkt zusammenfallenden Bewegungsphasen der dort verwendeten Walzen bedeuten demgemäß infolge der damit verbundenen hohen Reibmomente eine starke Beanspruchung der Antriebsmittel für die Walzen und einen hohen Bedarf an Antriebsenergie, wobei als weiterer Nachteil die großen Schwankungen der Beanspruchungen in den Antriebsmitteln in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Zylinderdrücken wäherend der Bewegungsphasen hinzukommt.

Zu diesem grundsätzlichen Nachteil kommt noch hinzu, daß Malteserantriebe als Schrittgetriebe ein ungünstiges Verhältnis von Stillstandszeit zur Bewegungszeit haben und/oder für die auftretenden Drehzahlen nicht geeignet sind.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, bei der der Antrieb für die wiederum drehbewegten Absperrmittel weder drehzahlempfindlich ist noch einer nachteiligen Beanspruchung durch an den Absperrmitteln auftretende hohe Reibmomente unterworfen ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei der Erfindung wird also eine hohe Beanspruchung des Antriebs für die Absperrmittel, als die bevorzugt Drehschieber Einsatz finden, dadurch vermieden, daß die Stillstandsphasen der Absperrmittel mit den Betriebsphasen hohen Brennraumdrucks, also insbesondere im Bereich der Zündung, zusammenfallen, so daß die Bewegungsphasen der Absperrmittel im wesentlichen auf die Winkel bzw. Zeiträume beschränkt sind, in denen die Absperrmittel den Einlaß- und/oder den Auslaßkanal freigeben. In diesen Bereichen ist einerseits der Druck im Brennraum relativ niedrig und bilden andererseits die Absperrmittel keine begrenzende Wand des Brennraums, die dem vollen Brennraumdruck ausgesetzt ist.

In die Definition der Stillstandsphasen der Absperrmittel geht über das Reibmoment an den Absperrmittels der jeweilige Brennraumdruck ein, denn die jeweilige Stillstandsphase wird dadurch beendet, daß das Reibmoment an den Absperrmitteln unter das von der Federanordnung auf die Absperrmittel ausgeübte antreibende Moment fällt. Damit die Steuerzeiten der Absperrmittel, d. h. die Freigabe- und Sperrzeiten der verschiedenen Kanäle, trotz der Massenträgheit exakt eingehalten werden, kann es gemäß Patentanspruch 2 vorteilhaft sein, durch einen Rastmitnehmer die Stillstandsphase der Absperrmittel auf einen Maximalwinkel zu begrenzen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren erläutert. Es zeigt

Fig. 1 im oberen Diagramm die grundsätzlich geforderte Arbeitsweise der Absperrmittel und im unteren Diagramm den Verlauf des Brennraumdrucks p sowie der Bewegungsgeschwindigkeit ω der Absperrmittel über dem Kurbelwinkel KW und

Fig. 2 in einem senkrechten Schnitt sowie

Fig. 3 in der in Fig. 2 bei III-III angedeuteten Schnittansicht eine mögliche konstruktive Ausbildung der Erfindung.

Betrachtet man zunächst die Diagramme nach Fig. 1, so ist im oberen Diagramm über dem Kurbelwinkel der Hub h des Einlaßventils E und des Auslaßventils A aufgetragen. In Anwendung auf die der Erfindung zugrundeliegenden Absperrmittel, nämlich Drehschieber oder Walzen, bedeutet dies, daß die Absperrmittel entsprechend der Kurve A den Auslaßkanal und entsprechend der Kurve E den Einlaßkanal freigeben müssen.

Betrachtet man nun das untere Diagramm der Fig. 1, und zwar zunächst den Verlauf des Brennraumdrucks p in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel KW bzw. in Abhängigkeit von der Lage des oberen Totpunkts TDC bzw. des unteren Totpunkts BDC des hier angenommenen Hubkolbens, so ergeben sich relativ hohe Werte des Brennraumdrucks p im Bereich der Zündzeitpunkte, dagegen während der Öffnungsbereiche A und E relativ niedrige Druckwerte. Daher sieht die Erfindung eine solche Ausbildung des Antriebs der drehbewegten Absperrmittel vor, daß während des Anstehens hoher Brennraumdrücke p Stillstandsphasen der Absperrmittel vorliegen, also eine Bewegung der Absperrmittel, gekennzeichnet durch endliche Werte ihrer Drehgeschwindigkeit ω, praktisch nur während der Freigabe des Einlaß- bzw. Austrittsquerschnitts (Kurven E und A) vorliegt. Da dann das Reibmoment an den Absperrmitteln sehr klein ist, ist auch die aufzubringende Antriebsleistung klein und die Beanspruchung des eigentlichen Antriebs vernachlässigbar.

Eine dies realisierende Konstruktion wird nun anhand der Fig. 2 und 3 im einzelnen beschrieben.

Der Zylinder 1 der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine umschließt den Brennraum 2, dessen Größe durch die Stellung des Hubkolbens 3 bestimmt ist. Im Zylinderkopf 4 erkennt man den Einlaßkanal 5 für Verbrennungsluft, der sich nach oben in dem Rohr 7 fortsetzt. In diesem Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß es sich um eine Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung in den Brennraum 2 handelt; von der zugehörigen Kraftstoff-Einspritzdüse ist bei 8 lediglich die Achse angedeutet. Nähere Ausführungen zum allgemeinen Aufbau der Maschine erübrigen sich, da dieser für die Erfindung ohne Bedeutung ist.

Ebenfalls im Zylinderkopf ist der Auslaßkanal 9 für die Abgase angeordnet, dessen Teil 9′ ebenso wie der Kanal 5 in den Drehschieber 10 eingeformt ist. Die untere ebene Abschlußfläche 11 des Drehschiebers, der mittels eines noch zu beschreibenden Antriebs um die Achse 12 drehbewegbar ist, bildet eine Dichtfläche, die über die in die Querwand 13 eingelassene, die Durchtrittsöffnung 14 zum Brennraum 2 umschließende Ringdichtung 15 bei den Drehbewegungen des Drehschiebers 10 dichtend gleitet. Zur Erzeugung des erforderlichen Dichtdrucks dient in diesem Ausführungsbeispiel die Gleitringdichtung 16 an sich bekannten Aufbaus, deren in Fig. 2 oberes Ende sich an dem ortsfesten Gehäuse des Zylinderkopfes 4 abstützt, so daß ihre Feder 17 die Ringdichtung 18 gegen die Schulter 19 des Drehschiebers 10 drückt.

In der dargestellten Lage verbindet der Drehschieber 10 über den Kanalteil 9′ den Brennraum 2 mit dem Auslaßkanal 9, während der Einlaßkanal 5, dessen oberes Ende in dichter Drehverbindung mit der Leitung 7 steht, gleichsam stillgelegt ist; während des Ansaugtakts der Brennkraftmaschine befindet sich demgegenüber die untere Mündung des Einlaßkanals 5 anstelle des Kanals 9′ über der Öffnung 14 während dann die Verbindung zwischen Auslaßkanal 9 und Kanalteil 9′ aufgehoben ist.

Die Antriebseinrichtung für diese Drehbewegungen des Drehschiebers 10 um seine Achse 12 enthält - vergleiche Fig. 3 - den Zahnriemen 31, der ein beispielsweise auf der Kurbelwelle der Maschine drehfest angeordnetes, in den Figuren nicht dargestelltes Zahnrad sowie das weitere Zahnrad 20 umschlingt, das seinerseits über zwei Einrichtungen in Verbindung mit dem Drehschieber 10 steht: Der hier aus keramischen Material bestehende Drehschieber 10 trägt, gesichert durch den gummibeschichteten Sprengring 21, auf einem in Draufsicht etwa wellenförmigen Außenprofil mit der Gummischicht 22 (zur Berücksichtigung der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten) drehfest die Nabe 23, mit der ebenfalls drehfest der erste Laufring 24 für mehrere Kugeln 25 angeordnet ist, die zusammen mit dem ersten Laufring 24 und dem drehfest mit dem Zahnrad 20 verbundenen zweiten Laufring 26 einen allgemein mit 27 bezeichneten Rastmitnehmer bilden. Wie Fig. 3 erkennen läßt, sind die beiden Laufringe 24 und 26 mit Anschlägen 28 bzw. 29 versehen, die paarweise jeweils eine der Kugeln 25 in Umfangsrichtung zwischen sich einschließen und die einen maximalen Winkelabstand α einschließen können, der gleich dem Maximalwinkel für die Stillstandsphase des Drehschiebers 10 ist. Eine derartige Stillstandsphase ist durch Pfeile unterhalb der Abszisse des unteren Diagramms der Fig. 1 angedeutet; sie beträgt dort gerade 90°.

Ehe die Wirkungsweise dieses Rastmitnehmers im einzelnen erläutert wird, ist darauf hinzuweisen, daß zwischen dem kontinuierlich rotierenden Zahnrad 20 einerseits und der Nabe 23, d. h. dem Drehschieber 10, andererseits ferner die gewundene Feder 30 angeordnet ist, deren inneres Ende 30′ drehfest in die Nabe 23 und deren äußeres Ende 30′′ ebenfalls drehfest in das Zahnrad 20 eingreift. Das bedeutet also, daß der Drehschieber 10 vom Zahnrad und damit von der Brennkraftmaschine her dauernd über die gleichsam parallel zum Rastmitnehmer 27 angeordnete Feder 30 mitgenommen wird.

Sobald aber der Druck im Brennraum 2 einen so hohen Wert übersteigt, daß das am Drehschieber 10 angreifende Reibmoment das über die Feder 30 übertragene Antriebsmoment übersteigt, endet die Drehbewegung des Drehschiebers 10 um die Achse 12, d. h. seine Stillstandsphase beginnt, bis die Größe des über die Feder 30 oder den Rastmitnehmer 27 übertragenen Antriebsmoments das Reibmoment wieder übersteigt.

Damit trotz der Massenträgheiten die Steuerzeiten gemäß dem oberen Diagramm der Fig. 1 exakt eingehalten werden, ist nicht nur die Feder 30 vorhanden, sondern der beschriebene Rastmitnehmer 27. Sobald nämlich die Kugeln 25 durch den jeweiligen Anschlag 29 um den in Fig. 3 mit α bezeichneten Maximalwinkel verschwenkt sind, legen sie sich auch an den jeweils in Drehrichtung vor ihnen befindlichen Anschlag 28 des ersten Laufrings 24 an, so daß dann über die Kugeln eine formschlüssige Drehverbindung zwischen den beiden Laufringen 24 und 26 und damit zwischen dem Zahnrad 20 und dem Drehschieber 10 geschaffen ist: Die Stillstandsphase des Drehschiebers wird beendet.

Der Winkel α kann um so größer gewählt werden, je kleiner die Zahl der Kugeln 25 ist. Schon durch die erforderliche Tragfähigkeit ist aber eine bestimmte Mindestzahl von Kugeln vorgegeben. Zwecks Erzielung größerer Stillstandswinkel kann daher eine Reihenschaltung mehrerer Rastmitnehmer der beschriebenen Art, beispielsweise in konzentrischer Anordnung, zweckmäßig sein.

Durch die Erfindung ist also nicht nur die Vermeidung der eingangs aufgeführten Nachteile üblicher Hubventilanordnungen gewährleistet, sondern es ist auch ein nachteiliger Einfluß der bei hohen Brennraumdrücken großen Reibkräften am Drehschieber auf seinen Antrieb ausgeschlossen. Man kann sogar sagen, daß die Reibkräfte und Reibmomente bei hohen Zylinderdrücken einen positiven Beitrag zur Steuerung des Drehschiebers leisten, indem sie diesen in einer vorgegebenen Lage in seiner Sperrstellung fixieren und erst dann wieder zur weiteren Drehbewegung freigeben, wenn die Reibkräfte und Reibmomente stark abgesunken sind.

Claims (5)

1. Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit im Einlaß- und/oder Auslaßkanal der einzelnen Brennräume angeordneten drehbewegten Absperrmitteln nach Art von Drehschiebern oder Walzen, die von der Maschine zyklisch über eine Einrichtung angetrieben werden, die die kontinuierliche Drehbewegung eines rotierenden Maschinenteils in eine Aufeinanderfolge von Dreh- und Stillstandsphasen der Absperrmittel umsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine im Zuge der Antriebsenergie für die Absperrmittel (10) liegende Federanordnung (30) solcher Auslegung enthält, daß das Antriebsmoment kleiner als das in Phasen hohen Brennraumdrucks (p) durch diesen hervorgerufene Reibmoment an den Absperrmitteln (10) ist, so daß dann Stillstandsphasen der Absperrmittel vorliegen.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ferner zumindest einen im Zuge der Antriebsenergie für die Absperrmittel (10) parallel zu der Federanordnung (30) angeordneten Rastmitnehmer (27) zur genauen Definition der Stillstandsphasen enthält.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rastmitnehmer (27) als in beiden Drehrichtungen wirksamer, auf einen vorgegebenen Maximalwinkel der Stillstandsphase ausgelegter Freilauf ausgebildet ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rastmitnehmer (27) zumindest eine Kugel (25) zwischen einem mit den Absperrmitteln (10) drehfest verbundenen ersten Laufring (24) und einem kontinuierliche Drehbewegungen ausführenden, von dem rotierenden Maschinenteil angetriebenen zweiten Laufring (26) enthält, wobei die Laufringe (24, 26) die Kugel (25) zwischen Anschlägen (28, 29) führen, deren Winkelabstände (α) durch den Maximalwinkel bestimmt sind.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnung eine Feder (30) enthält, deren eines Ende (30′) drehfest mit dem ersten (24) und deren anderes Ende (30′′) drehfest mit dem zweiten Laufring (26) in Verbindung steht.