DE3716505A1

DE3716505A1 - Verfahren zur verschleissminderung der steuereinrichtungen bei brennkraftmaschinen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3716505A1
Application number: DE19873716505
Authority: DE
Inventors: Wiho Dipl Ing Stuempel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-05-16
Filing date: 1987-05-16
Publication date: 1988-12-01

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verschleiß minderung der Steuereinrichtungen bei Brennkraft maschinen, insbesondere bei Viertakt-Dieselmotoren, mit einem oder mehreren Zylindern mit jeweils einem Brennraum und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei den heute bekannten Verbrennungsmotoren wird der Ladungswechsel, d.h. das Einbringen der frischen Ladung in den Brennraum des Zylinders und das Ent fernen der entspannten Brenngase, insbesondere bei Viertakt-Dieselmotoren, über bis zu vier im Brenn raum angeordnete Ventile durchgeführt. Dabei er streckt sich das Ansaugen der Ladung und das Aus schieben der Brenngase durch den Kolben über je einen Hub des Kolbens. Zur Steuerung dienen dabei Ventile, die im Kompressionsteil des Brennraums angeordnet sind und daher einer entsprechend hohen Wärme- und Druckbeanspruchung unterworfen sind. Diese werden üblicherweise über Zwangs-Getriebe mit durch Federn erzeugtem Kraftschluß von Nocken angetrieben, wobei die Nocken auf einer Nockenwelle angeordnet werden, deren Drehge schwindigkeit der Hälfte der Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle entspricht, da sich ein Arbeits spiel auf zwei Umdrehungen verteilt.

Das Prinzip der Anwendung von nockenbeaufschlagten Ventilen zur Durchführung des Ladungswechsels bei Brennkraftmaschinen ist schon bei den ersten Brennkraftmaschinen angewendet worden und ist bis heute neben der Schieber- und der Schlitzsteuerung das hauptsächlich verwendete Steuerprinzip bei Brennkraftmaschinen.

Dabei ist wegen der hohen Wärme- und Stoßbelastung die Ausfallzeit von derartigen Brennkraftmaschi nen infolge notwendiger Reparaturen und Wartung der Ventile erheblich. Dies ist insbesondere bei Viertakt-Dieselmotoren, wie sie im Schiffsbau Verwendung finden, der Fall. Aufgrund steigender Kosten für den Aufwand an Wartungspersonal er weist sich die Notwendigkeit der Wartung und Reparatur der Steuereinrichtungen von Brennkraft maschinen immer mehr als Nachteil. Dabei ist gleichzeitig festzustellen, daß die Qualitäten der Kraftstoffe, z.B. bei Kraftstoffen für Schiffsdiesel, abnehmen und die Qualität von Benzinkraftstoffen aufgrund der Anfälligkeit der Steuereinrichtungen von Brennkraftmaschinen durch Bleizugaben hochgehalten werden, was aus Um weltgründen als nachteilig angesehen wird, wes halb angestrebt wird, die Steuereinrichtungen so auszulegen, daß diese Bleizugaben entfallen können.

Es ist daher bereits ein Verfahren zur Verschleiß minderung der Steuereinrichtungen von Brenn kraftmaschinen, insbesondere bei Viertakt-Diesel motoren, mit einem oder mehreren Zylindern mit jeweils einem Brennraum vorgeschlagen worden, nach dem vorgesehen ist, daß eine Zuführung eines Frischluft- oder Frischgasgemischstromes und eine Abführung eines Abgasstromes in den bzw. aus dem Brennraum eines Zylinders über eine gemeinsame Brennraumöffnung des Brennraumes des Zylinders durchgeführt wird, die Brennraumöffnung, die über ein Steuerventil vollständig verschließ bar ausgebildet ist, entsprechend den an sich bekannten Zweitakt- oder Viertakt-Ladungswechsel- Einlaß- bzw. -Ausschubvorgängen geöffnet und geschlossen wird, und eine Mengenregelung des zuzuführenden Frischluft- oder Frischgasgemisch stromes und des abzuleitenden Abgasstromes über entsprechend angeordnete Regeleinrichtungen durchgeführt wird (DE-0S 35 20 872).

Bei Anwendung dieses Verfahrens in Brennkraft maschinen ist es möglich, die Beanspruchung der Steuereinrichtungen wesentlich zu verringern. Zunächst steht dem Konstrukteur einer derar tigen Brennkraftmaschine für die Anordnung und Auslegung des einzigen Ventils im Brennraum die doppelte oder vierfache Fläche wie bei den bekannten Brennkraftmaschinen zur Verfügung, da ein Ventil anstelle von zwei oder vier Ventilen vorzusehen ist. Daher kann der Brennraum even tuell günstiger gestaltet werden, und der Ven tilquerschnitt kann entsprechend vergrößert werden.

Jedoch insbesondere in dem Fall, daß ein großer Ventilquerschnitt verwendet wird, ist eine große Wärmebelastung des Ventils in Betracht zu ziehen. Zwar wird durch das angegebene Verfahren eine Kühlung des Ventils erreicht, da der Frischgasstrom zur Kühlung verwendet wird, dabei werden die Randbereiche jedoch stärker gekühlt als die Mitte des Ventilteiles und des Schaftes. Daher ist eine gezielte Ventilkühlung als wünschenswert anzusehen. Gleichzeitig ist eine vollständige Entleerung des Brennraumes von Restgasen vor Zuführung des Frischgases oder Frischgasgemisches wünschenswert, um eine gute Leistungsausbeute zu erreichen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfin dung, ein Verfahren zur Verschleißminderung der Steuereinrichtungen bei Brennkraftmaschinen weiterzubilden und eine Vorrichtung hierzu zu schaffen, derart, daß es ermöglicht wird, die Standzeiten des als Ein- und Auslaßventil ver wendeten Ventils noch weiter zu erhöhen und die Leistungsausbeute der Brennkraftmaschine durch nahezu vollständige Entleerung des Brenn raumes von Restgasen vor Zuführung des Frisch gases oder des Frischgasgemisches zu verbessern. Gleichzeitig soll es ermöglicht werden, die Steuer- und Regeleinrichtungen untereinander austauschbar auszubilden, den Wartungsaufwand durch einfache und montagefreundliche Anordnung der Steuereinrichtungen zu verringern, und die Steuereinrichtungen so auszubilden, daß auch Kraftstoffe von geringer Qualität in derartigen Brennkraftmaschinen Verwendung finden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen vorgeschlagen.

Mit einem derart gestalteten Verfahren ist der Vorteil gegeben, daß die vom Brennraumventil aufgenommene Wärme nicht nur über den Ventil sitz und den Ventilschaft abgeführt werden muß, sondern von der in den Zylinder einströmenden Spülluft bzw. dem nachfolgend einströmenden Frisch gas aufgenommen wird, so daß auf diese Weise das Brennraumventil gekühlt wird. Darüber hinaus ist durch die aufrechterhaltene Entkopplung des Brennraumverschlusses zur Durchführung der ver schiedenen Arbeitstakte von der Mengenregelung des zuzuführenden Frischluftstromes bzw. Frisch gemischstromes die Möglichkeit gegeben, die Mengenregelungseinrichtung bezüglich ihrer Funk tion zu optimieren und gleichzeitig das Brenn raumventil bezüglich möglichst hoher Standfestig keit und guter Wärmeableitung optimal zu konzi pieren, ohne daß hier gegenläufigen Zielrich tungen entsprochen werden muß, wie dies bei der Konzeption der herkömmlichen Brennraumventile notwendig war. Insgesamt ergeben sich bei einer Brennkraftmaschine, bei der die Steuerung ent sprechend der angegebenen Maßnahmen durchge führt wird, folgende Vorteile:

- längere Lebensdauer des Brennraumventiles gegenüber konventionellen Brennraumven tilen;
- höhere zulässige Abgastemperaturen auf grund besserer Kühlung des Brennraum ventiles;
- Möglichkeiten der Leistungserhöhung ohne Standzeitverluste;
- Möglichkeit größerer Wartungsintervalle;
- geringere Ausfallzeiten aufgrund größerer Wartungsintervalle und geringerer Repara turanfälligkeit;
- Verringerung des Lageraufwandes, da nur eine Art von Brennraumventilen zu bevor raten ist.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird erfindungsgemäß derart vorgeschlagen, daß ein Brennraum des Zylinders eine Öffnung zur Zu führung des Frischluft- oder des Frischgasgemisch stromes und zur Abführung des Abgasstromes in den bzw. aus dem Brennraum, die mit einer Frisch ladungszuführungsleitung, mit einer Abgasabfüh rungsleitung und mit einer Spülluftzuführungs leitung verbunden ist und mit einem Steuerventil verschließbar ist, aufweist, daß die Frischla dungszuführungsleitung eine Regeleinrichtung zur Mengenregelung des zuzuführenden Frischluft- oder Frischgasgemischstromes, daß die Abgasab fuhrungsleitung eine Regeleinrichtung zur Men genregelung des abzuführenden Abgasstromes und daß die Spülluftzuführungsleitung eine Regel einrichtung zur Mengenregelung des zuzuführenden Spülluftstromes aufweist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, daß der Schaft des Ventiles und/oder der Ventilteller mit spe ziellen Kühlrippen versehen wird, die von der Spülluft beaufschlagt werden. Durch die hiermit erreichbare Verwirbelung der Luft ist eine hohe Wärmeabführung vom Ventil und damit die Errei chung einer sehr hohen Lebensdauer eines der artigen Brennraumventiles möglich.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin dung gehen aus den Unteransprüchen hervor und sind nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen näher erläutert.

In den Zeichnungen ist der Gegenstand der Erfin dung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 einen Viertakt-Zylinder mit den erfin dungsgemäßen Steuereinrichtungen während des Ansaugtaktes in einer Prinzipdarstellung,

Fig. 2 einen Viertakt-Zylinder mit den erfin dungsgemäßen Steuereinrichtungen während des Verdichtungstaktes in einer Prinzipdarstellung,

Fig. 3 einen Viertakt-Zylinder mit den erfin dungsgemäßen Steuereinrichtungen während des Arbeitstaktes in einer Prinzipdarstellung,

Fig. 4 einen Viertakt-Zylinder mit den erfin dungsgemäßen Steuereinrichtungen während des Ausstoß- und Spültaktes in einer Prinzipdar stellung,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform des Vier takt-Zylinders in einer Prinzipdarstellung,

Fig. 6a-6c ein Brennraumventil mit angedeu tetem Frischgas-, Abgas- und Spülluftkanal in verschiedenen Ansichten in prinzipieller Darstellung, und

Fig. 7a-7c einen Zylinderkopf mit zwei Brenn raumventilen in einer Ansicht von unten und zwei senkrechten Schnitten in einer Prinzipdar stellung.

In den Fig. 1-4 ist anhand von Prinzipdarstellun gen eines Zylinders einer Viertakt-Brennkraft maschine 100 das Verfahren gemäß Anspruch 1 und insbesondere gemäß Anspruch 2 erläutert. Hierzu ist ein Zylinder 1 einer Brennkraftmaschine 100 im Längsschnitt dargestellt, der normalerweise auf die Oberseite eines in der Zeichnung nicht dargestellten Kurbelkastens aufgesetzt ist. Im Innern des Zylinders 1 arbeitet der Kolben 8, über dem sich im Kopf des Zylinders 1 der durch den Zylinderdeckel 2 abgedeckte Brennraum 9 befindet. Im Zylinderdeckel 2 ist die Brennraum öffnung 10 angeordnet, die mit dem Einlaßkanal 20, dem Auslaßkanal 30 und dem Spülluftkanal 40 ver bunden ist. In der Brennraumöffnung 10 ist ein Ventil 11 angeordnet, das im Zylinderdeckel 2 geführt wird. Der Antrieb erfolgt über in der Zeichnung nicht dargestellte Betätigungsorgane.

Bei der verfahrensgemäßen Arbeitsweise der Brenn kraftmaschine nehmen die Regeleinrichtungen 25, 35, 45 und das Steuerventil 11 in Abhängigkeit von der Bewegung des Kolbens 8 zwischen seinem unteren Totpunkt UT und seinem oberen Totpunkt OT im Zylinder 1 die nachstehend erläuterten Arbeitsstellungen ein. In Fig. 1 ist der Ansaug takt dargestellt. Dabei ist die Drosselklappe der Regeleinrichtung 25 und das Steuerventil 11 geöffnet, so daß Frischluft oder Frischgasge misch durch den Einlaßkanal 20 und die Brenn raumöffnung 10 in den Brennraum 9 einströmen kann. Die Drosselklappe der Regeleinrichtung 35 ist verschlossen, so daß ein Rückströmen von im Auslaßkanal 30 eventuell vorhandenem Abgas nicht möglich ist. Die Regeleinrichtung 45 im Spülluftzuführungskanal 40 ist ebenfalls ver schlossen.

Nach Erreichen des unteren Totpunktes UT durch den Kolben 8 im Zylinder 1 und bei der sich anschließenden Aufwärtsbewegung (Fig. 2) ver schließt etwa bei 40°KW nach UT das Steuer ventil 11 die Brennraumöffnung 10, so daß der Brennraum 9 vollkommen abgeschlossen ist. Gleichzeitig schließt die Regeleinrichtung 25, so daß auch der Einlaßkanal 20 sowie der Aus laßkanal 30 und der Spülluftkanal 40 während des nun folgenden Verdichtungstaktes geschlos sen sind.

Das Steuerventil 11 sowie die Regeleinrichtun gen 25, 35, 45 bleiben auch während des sich anschließenden Arbeitstaktes verschlossen, bei dem der Kolben 8 im Zylinder 1 von seinem oberen Totpunkt OT abwärts wandert. Dabei ent spannt sich im Brennraum 9 das zwischenzeit lich entzündete Frischgasgemisch, das aller dings, da das Ventil 11 die Brennraumöffnung 10 verschließt, nicht entweichen kann und dessen Druck über den Kolben 8 in Arbeit umgewandelt wird (Fig. 3). Etwa bei 60°KW vor UT werden dann das Steuerventil 11 und die Regeleinrich tung 35 geöffnet.

Bei dem sich an den Arbeitstakt anschließenden Ausstoßtakt, der in Fig. 4 dargestellt ist, und bei dem sich der Kolben 8 im Zylinder 1 von seinem unteren Totpunkt UT aufwärts bewegt, bleibt das Ventil 11 geöffnet, so daß der Ab gasstrom an der geöffneten Drosselklappe der Regeleinrichtung 35 vorbei in den Auslaßkanal ausgestoßen wird. Hierbei ist die Drosselklappe der Regeleinrichtung 25 geschlossen, so daß kein Abgas in den Einlaßkanal 20 eindringen kann. Etwa bei 50°KW vor OT wird dann die Regelein richtung 45 geöffnet, so daß der Spülluftstrom in den Brennraum 9 eintritt und das Restgas ausspült.

Die in Fig. 1-4 beispielhaft als Drosselklappen ausgebildeten Regeleinrichtungen 25, 35, 45 dienen als Sperr- und Regelschleusen, die wesent lich einfacher als die bekannten Brennraumven tile ausgebildet werden können, da sie nicht den hohen Drücken im Brennraum ausgesetzt sind. Der Konstrukteur hat hierbei einen entsprechen den Gestaltungs- und Materialauswahlspielraum. Dabei können die Regeleinrichtungen 25, 35, 45 auf der Einlaßseite gegenüber der Auslaß- und Spülseite unterschiedlich konzipiert sein, es kann aber andererseits auch vorgesehen werden, daß die Regeleinrichtungen 25, 35, 45 unterein ander austauschbar ausgebildet sind. Hierdurch ergibt sich eine erhebliche Vereinfachung in der Ersatzteilhaltung. Da die Regeleinrichtungen 25, 35, 45 bevorzugterweise außerhalb des Zylinder kopfes im Einlaßkanal 20, Auslaßkanal 30 bzw. im Spülluftkanal 40 angeordnet werden können, ist hierdurch konstruktiv ein großer Spielraum gegeben, und es kann eine leicht auswechselbare Form gewählt werden, z.B. als Schieber, Kegel, Kugel, Platte, Zapfen, Deckel oder Klappe.

In Anpassung an das entsprechende Verbrennungs verfahren der auszurüstenden Brennkraftmaschine kann wahlweise vorgesehen werden, die Regelein richtungen 25, 35, 45 selbsttätig öffnend und schließend auszubilden oder diese in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine über Zahn riemen, Rollenketten, Zahnräder oder über die Nockenwelle direkt zu steuern.

Wie in Fig. 5 dargestellt ist, kann für die Wei terbildung der Vorrichtung, deren Aufbau dem zu Fig. 1-4 dargestellten und beschriebenen Auf bau entspricht, vorgesehen werden, daß im Ein laßkanal 20 ein Gebläse oder ein Verdichter 60 zur Erhöhung des Ladedruckes und ein Wärme tauscher 70 zur Abkühlung des zuzuführenden Frischluftstromes angeordnet ist. Dieser druck beaufschlagte und abgekühlte Frischluftstrom kann dann gleichzeitig dem Spülluftkanal 40 zugeführt werden, so daß eine sehr effektive Spülung und gleichzeitig eine Kühlung des Ven tils durchführbar ist.

In den Fig. 6a-6c ist ein erfindungsgemäßes Brennraumventil 11 dargestellt. Das Brennraum ventil 11 wird dabei mit seinem Ventilteller 111 so in der Brennraumöffnung 10 angeordnet, daß es in seiner in der Zeichnung nicht dargestell ten Verschließstellung die Brennraumöffnung 10 mit der Dichtfläche 112 verschließt. In der in der Zeichnung dargestellten geöffneten Stellung ist eine Abführung von Abgas über den Abgaskanal 30 mit der Regeleinrichtung 35 bzw. eine Zu führung von Frischgas über den Frischgaskanal 20 mit der Regeleinrichtung 25 möglich.

Das Ventil 11 kann vom Konstrukteur relativ groß ausgelegt werden, da ihm jetzt nahezu die ge samte Zylinderkopffläche zur Verfügung steht. Der Ventilteller 111 und/oder der Ventilschaft 113 ist mit Kühlrippen 114 versehen, die ent weder eine glattflächige oder eine luftschau felartige Form aufweisen und sich schaftparallel und radial nach außen erstrecken. Ihre Aufgabe ist es, die Wärme der Abgase beim Ausstoßtakt aufzunehmen und beim Spülen und beim Ansaughub an die vorbeiströmende Spül- und Frischluft ab zugeben. Außerdem sollen die Kühlrippen 114 beim Spülvorgang die Spülluft aus dem Spül stutzen in den Zylinderraum umlenken. Dazu ist die Spülluftzuführungsleitung 40, an deren Ende eine Ausströmdüse 41 vorgesehen sein kann, so im Bereich des Steuerventils 11 angeordnet, daß die Spülluft unter einem geeigneten Winkel auf die Kühlrippen 114 auftrifft und einen Teil ihrer kinetischen Energie auf die Kühlrippen 114 überträgt und so das Steuerventil 11 in eine Drehbewegung versetzt. Neben der damit erreich baren zusätzlichen Verwirbelung wird vermieden, daß der Ventilteller 111 an einer Stelle stärker gekühlt wird, da ja jeder Teil des Ventiltellers 111 an der Ausströmdüse 41 vorbeigeführt wird. Die Spülluft tritt dabei rechts- oder links drehend, je nach Anordnung der tangential an greifenden Düse 41 in den Brennraum ein und drückt die Restgase über die in diesem Augen blick nicht mit Spülluft beaufschlagten Ventil tellersektoren aus dem Brennraum. Auf diese Weise wird von ca. 55°KW vor OT bis OT oder bis nach OT der Brennraum gründlich gespült.

Dabei wird die von OT an durch die Frischladungs zuführungsleitung 20 einströmende Frischluft durch das sich drehende Ventil 11 bzw. durch die Kühlrippen 114 zusätzlich in den Brennraum ge drückt und dabei verwirbelt. Ein zusätzlicher Verwirbelungseffekt kann erreicht werden, wenn pro Zylinder zwei gleichartige Ventile 11 vor gesehen werden, wie dies in Fig. 7a-7c angedeu tet ist.

Um eine gute Spülung zu erreichen, ist vorteilhaf terweise vorzusehen, daß die Düse 41 so zum Ventil 11 angeordnet wird, daß die Spülluft die Einspritzdüse überstreichend den Zylinder raum ausspült und die Zylinderwand bzw. den Brenn raum gleichmäßig kühlt. Bei Verwendung von zwei Ventilen kann dabei eine rechts- und linksdrehen de Ausspülung erreicht werden. Zwei Ventile hätten dabei noch den Vorteil, daß das einzelne Ventil eine geringe Massenträgheit aufweist.

Zusätzliche Variationsmöglichkeiten ergeben sich durch die Wahl des Verhältnisses des Durchmessers des Spülluftzuführungskanals 40 zum Durchmesser des Ventiltellers 111 und durch die Anzahl der Kühlrippen 114. Bei einem Ver hältnis der Durchmesser des Ventiltellers 111 zum Durchmesser des Spülluftzuführungskanals 40 von 10:3 werden bei einem Ventil mit sechs Kühlrippen 114 immer 1/3 der Ventiltellerfläche zum Spülen verwendet und 2/3 als Auslaßöffnung für die Restabgase. Bei einem Ventil 11 mit zwölf Kühlrippen 114 wird über 1/4 der Ventil tellerfläche gespült, während über 3/4 der Ven tiltellerfläche die Restabgase entweichen können.

Da bei dem neuen Verfahren die Abgase und die Frischluft im Bereich des Ventiles 11 keine separaten Zu- und Abführungen haben, sondern beide Luftströme nacheinander die Brennraum öffnung 10 zum Brennraum 9 jeweils in entgegen gesetzter Richtung passieren müssen, werden der in der Zeichnung nicht dargestellte Auspuffbe reich bzw. der Bereich zur Aufbereitung der Lade luft durch die Regeleinrichtungen 25 und 35 je weils entsprechend abgesperrt. Die Regeleinrich tungen werden so dicht wie möglich im Bereich des Steuerventils 11 der Brennraumöffnung 10 an geordnet, um den Raum, der von dem Abgasstrom bzw. dem Frischgasstrom durchströmt wird, so klein wie möglich zu halten. Die Regeleinrichtungen 25, 35 sind durch das Ventil 11 gegen hohe Tempera turen und den hohen Zünd- und Arbeitsdruck im Brennraum 9 geschützt und können einfach und preiswert hergestellt werden.

Die Arbeitsweise der Spülung ist wie folgt vor gesehen.

Wenn die Abgase im Brennraum 9 sich soweit ent spannt haben, daß der Ladeluftdruck höher ist als der Abgasgegendruck, wird die Regeleinrich tung 45 geöffnet und es tritt aus der Düse 41 Spülluft aus. Dieser Zeitpunkt entspricht etwa dem Zeitpunkt, wo bei Brennkraftmaschinen der konventionellen Art das Einlaßventil öffnet. Bei einem Schiffsdiesel mit etwa 500 Umdrehungen pro Minute wird bei etwa 50°KW vor OT geöffnet. Die Anordnung der Düse 41 des Spülluftzuführungs kanals 40 ist dabei so vorgesehen, daß die Spül luft unter einem Winkel von 45° einströmt, wo bei die Kühlrippen 114 bei geschlossenem Ventil über die Düse 41 hinausragen, während sie bei geöffnetem Ventil oberhalb der Oberkante der Düse 41 enden. Durch diese hohen Kühlrippen 114 wird die Austrittsdüse 41 durch das drehende Ventil 11 von Ölkohle freigehalten. Ferner ist der Raum zwischen jeweils zwei Kühlrippen 114 die Verlängerung des Spülluftzuführungskanals 40 bis in den Brennraum. Hierdurch wird eine opti male Ausspülung erreicht. Bei im "Stoßbetrieb" arbeitenden Abgasturbogebläsen, wie bei Viertakt motoren üblich, wird der Spülvorgang noch durch das Pulsieren im Auspuff unterstützt, weil dort, entsprechend der Aufteilung und Anordnung der Auspuffleitungen, nach dem Abgasstoß ein Saug effekt entsteht.

Ein für eine derart ausgestaltete Brennkraftma schine zu konzipierender Zylinderkopf ent spricht in etwa einer Doppelscheibe mit Aus tritts- und Eintrittsanschlüssen für das Kühl wasser und Durchgangsbohrungen zum Brennraum für ein oder zwei Ventile sowie mit Einspritz düse, Anlaß-, Sicherheits- und Induzierventil. Die Aus- und Einlaßkanäle bekannter Art können entfallen, da eine gemeinsame Zuführung zum Brennraum vorgesehen ist. Der Zylinderkopf kann dabei möglichst flach gehalten werden, damit auch die Ventilkörper kurzgehalten werden können und der von Abgas und Frischluft gemeinsam zu durchtretende Raum zwischen dem Ventilteller und den Regeleinrichtungen möglichst klein bleibt.

Die auf den Zylinderkopf einwirkenden Kräfte müssen nicht mehr allein vom Zylinderdeckel selbst aufgenommen werden, sondern es können entsprechende Traversen zwischen den beiden den Zylinderdeckel bildenden Scheiben vorgesehen sein. Diese übertragen die Kraft von der Mitte des Zylinderkopfes auf die Zylinderkopfschrau ben oder Stehbolzen. Eine Durchbiegung des Zylinderkopfes und ein dadurch verursachtes nicht exaktes Schließen der Ventile 11 kann dadurch vermindert werden. Ein Ausführungs beispiel für einen derartigen Zylinderkopf ist in den Fig. 7a-7c dargestellt. Die Traversen können dabei als Träger für einen Kipphebelblock und für Steuerorgane der Regeleinrichtungen die nen.

Zusätzlich dienen zur Aufnahme der auftretenden Kräfte Stehbolzen 81, die beispielsweise im Bereich der Einspritzdüse 82 angeordnet sind. Diese sind mit der Unterplatte zur guten Wärme abfuhr von der Unterplatte beispielsweise an einen Kühlwasserkreislauf verschweißt. Die Oberplatte 84 liegt auf dem Bund der Stehbolzen 81 auf und wird durch diese auf Distanz zur Unterplatte 83 gehalten. Die über die Ober platte 84 hinausragende Länge der Stehbolzen 81 ist so bemessen, daß mit ihnen auch die Einbau teile gehaltert werden und dadurch kraftschlüssig mit der Unterplatte 83 verbunden sind. In den freien Räumen des Zylinderkopfes zwischen den nicht dargestellten Durchführungen zu den Brenn raumöffnungen sind ebenfalls Stehbolzen zwischen Ober- und Unterplatte anzuordnen, um die Steifig keit und die Wärmeabfuhr zu erhöhen. Bei dieser Bauart ist der Zylinderkopf zur Überprüfung und Reinigung leicht demontierbar. Dabei sind Unterplatten 83, die an den Dichtflächen be schädigt sind, leicht austauschbar.

Das neue Verfahren kann jedoch auch mit anders konzipierten Zylinderköpfen ebensogut durch geführt werden, wenn die Grundvoraussetzungen, nämlich die Konzeption nur jeweils eines Brenn raumventiles sowohl zur Zuführung des Frisch gases oder Frischgasgemisches und zur Abführung des Abgases vorgesehen werden. Es kann dabei auch eine sehr vereinfachte Ventilsteuerung vor gesehen werden. Auch wenn pro Zylinder zwei Ventile vorgesehen werden, können diese über einen gemeinsamen Antrieb oder zwei gleichartige Antriebe gesteuert werden. Der Kraftbedarf und die Geräuschentwicklung werden bei derartigen Steuerungen erheblich geringer als bei den bekannten Ventilsteuerungen der konventionellen Brennkraftmaschinen. Auch die Schmierung und Wärmeentwicklung einer derartigen Steuerung ist wesentlich unproblematischer, da die Spül- bzw. Frischluft den Ventilteller, die Kühlrippen und den Ventilschaft kühlen, so daß die Wärme, die das Ventil beim Ausstoßhub aufgenommen hat, zu einem großen Teil von den gleichen Bauteilen wieder abgeführt wird. Dieser Effekt kann noch verstärkt werden, wenn man bei genügend großem Ladeluftangebot beim Verdichtungs- und Arbeits hub die Auslaß- und Regeleinrichtungen geöffnet läßt, so daß die Frischluft kühlend um das Ventil und die Auslaßregeleinrichtung zirkuliert. Das Ventil würde sich dann allerdings in diesem Zeitpunkt nicht drehen.

Durch die bessere Kühlung bzw. Wärmeabfuhr von dem Brennraumventil kann eine entsprechende Brennkraftmaschine höher aufgeladen und höher belastet werden, als derartige Brennkraftma schinen mit den bisher bekannten konventionellen Steuerungen ausgelegt werden konnten. Das ge samte Temperaturniveau im Brennraum kann ange hoben und somit die Leistung der Brennkraft maschine erhöht werden. Dabei wird eine derartige Brennkraftmaschine wirtschaftlicher hinsichtlich des Brennstoffverbrauches und des Ölverbrauches sein, einen geringeren Lärmpegel zeigen und trotz dem eine höhere Leistung abgeben können.

Die so konzipierten Brennkraftmaschinen werden auch einfacher und preiswerter herzustellen sein, da die Steuerungsorgane einfacher auszulegen sind, da Aus- und Einlaßkanäle im herkömmlichen Sinne entfallen und komplizierte Guß- und Be arbeitungsverfahren überflüssig sind. Die Mate rial- und Gewichtsersparnis dürfte etwa 60% betragen.

Da alle im Zylinderkopf eingebauten Teile auch von dessen Kühlwasser umflossen werden können, entfallen auch die Herstellungskosten der früher benötigten eigenen Kühlkreisläufe der Ventil und Düsenkühlung. Diese bestand aus Motoren, Pumpen, Kühlern, Ausgleichs- und Beobachtungs tanks und den entsprechenden elektrischen und elektronischen Antriebs-, Überwachungs- und Regeleinrichtungen, wie Reglern, Motorventilen usw. Auch die Herstellungskosten für spezielle Drehvorrichtungen der Ventile fallen nicht mehr an, da über die Spülung das Ventil in eine Drehbewegung versetzt wird.

Nicht nur die Herstellungskosten einer derartigen Brennkraftmaschine werden gesenkt, sondern auch die Betriebskosten können gegenüber den bekann ten Brennkraftmaschinen wesentlich verringert werden. Da die neuen Ventile durch die Kühlung über die Spülung wesentlich längere Stand zeiten aufweisen, ist der Abstand der Wartungs intervalle wesentlich größer. Gleichzeitig ist der Arbeitsaufwand bei der Wartung wesent lich geringer.

Claims

1. Verfahren zur Verschleißminderung der Steuerein richtungen bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Viertakt-Dieselmotoren, mit einem oder meh reren Zylindern mit jeweils einem Brennraum, gekennzeichnet dadurch,

(a) daß eine Zuführung eines Frischluft- oder Frischgasgemischstromes und eine Abführung eines Abgasstromes in den bzw. aus dem Brenn raum (9) eines Zylinders (1) über eine gemein same Brennraumöffnung (10) des Zylinders (1) durchgeführt wird,
(b) daß die Brennraumöffnung (10), die über ein Steuerventil (11) querschnittsveränderlich und vollständig verschließbar ausgebildet ist, entsprechend den an sich bekannten Zweitakt- oder Viertakt-Ladungswechsel-Einlaß- bzw. -Aus schubvorgängen geöffnet und geschlossen wird,
(c) daß zwischen jeweils einem Einlaßvorgang und einem Ausschubvorgang eine Spülung des Brennraumes (9) mit Spülluft oder Spülgasge misch durchgeführt wird,
(d) daß eine Mengenregelung des zuzuführenden Frischluft- oder Frischgasgemischstromes über eine im Bereich des Steuerventils (11) der Brennraumöffnung (10) in einer Frischladungs zuführungsleitung (20) angeordnete Frisch gasregeleinrichtung (25) durchgeführt wird,
(e) daß eine Mengenregelung des abzuleiten den Abgasstromes über eine im Bereich des Steuerventils (11) der Brennraumöffnung (10) in einer Abgasabführungsleitung (30) angeord nete Abgasregeleinrichtung (35) durchgeführt wird, und
(f) daß eine Mengenregelung des zuzuführenden Spülluft- oder Spülgasstromes über eine im Bereich des Steuerventils (11) der Brennraum öffnung (10) in einer Spülluftzuführungs leitung (40) angeordnete Spülluftregeleinrich tung (45) durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (11) und die Regelein richtungen (25, 35, 45) in Abhängigkeit von einem Kolben (8) des Zylinders (1) folgende Steuer- und Regelstellungen nacheinander einnehmen:

(a) Der Kolben (8) bewegt sich von einem oberen Totpunkt OT zu einem unteren Tot punkt UT (Ansaugtakt),
das Steuerventil (11) und die Frischgasregel einrichtung (25) sind geöffnet und die Abgas regeleinrichtung (35) und die Spülluftregel einrichtung (45) sind geschlossen.
(b) Der Kolben bewegt sich von dem unteren Totpunkt UT zu dem oberen Totpunkt OT (Ver dichtungstakt),
das Steuerventil (11) und die Frischgasregel einrichtung (25) werden zwischen UT und OT, bevorzugterweise bei etwa 40°KW nach UT geschlossen, wobei die Abgasregelreinrich tung (35) und die Spülluftregeleinrich tung (45) geschlossen sind.
(c) Der Kolben (8) bewegt sich von dem oberen Totpunkt OT zu dem unteren Totpunkt UT (Ar beitstakt),
das Steuerventil (11) und die Abgasregelein richtung (35) sind geschlossen und werden zwischen UT und OT, bevorzugterweise bei etwa 60°KW vor UT geöffnet, wobei die Frisch gasregeleinrichtung (25) und die Spülluft regeleinrichtung (45) geschlossen sind.
(d) Der Kolben (8) bewegt sich vom unteren Totpunkt UT zum oberen Totpunkt OT (Ausstoß und Spültakt),
das Steuerventil (11) ist geöffnet, die Frisch gasregeleinrichtung (25) ist geschlossen, die Abgasregeleinrichtung (35) ist geöffnet und die Spülluftregeleinrichtung (45) ist geschlossen und wird zwischen UT und OT, be vorzugterweise bei etwa 50°KW vor OT geöff net.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brennraum (9) des Zylinders (1) eine Öffnung (10) zur Zuführung des Frischluft- oder des Frischgasgemischstromes und zur Abführung des Abgasstromes in den bzw. aus dem Brennraum (9), die mit einer Frisch ladungszuführungsleitung (20), mit einer Abgasabführungsleitung (30) und mit einer Spülluftzuführungsleitung (40) verbunden ist und mit einem Steuerventil (11) ver schließbar ist, aufweist, daß die Frisch ladungszuführungsleitung (20) eine Regel einrichtung (25) zur Mengenregelung des zuzuführenden Frischluft- oder Frischgas gemischstromes, daß die Abgasabführungs leitung (30) eine Regeleinrichtung (35) zur Mengenregelung des abzuführenden Ab gasstromes und daß die Spülluftzuführungs leitung (40) eine Regeleinrichtung (45) zur Mengenregelung des zuzuführenden Spülluftstromes aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (11) als einen Teller (111) mit einer Dichtfläche (112) aufwei sender Schaft (113) ausgebildet ist, daß auf der schaftseitigen Oberfläche (111 a) des Tellers (111) mindestens zwei Kühl rippen (114), bevorzugterweise mit einer luftleitblechartigen Form, angeordnet sind, und daß die Spülluftzuführungsleitung (40) mit dem Spülluftstrom die Kühlrippen (114) beaufschlagend angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtungen (25, 35, 45) zur Regelung des Frischluft-, Frischgasgemisch stromes, des Abgasstromes bzw. des Spül luftstromes als die Durchflußöffnung der Zuführungsleitung (20), der Abführungslei tung (30) bzw. der Spülluftzuführungslei tung (40) querschnittsveränderndes und verschließbares Ventil (25, 35, 45) vorge sehen ist, das in Schieber-, Kegel-, Kugel-, Platten-, Zapfen-, Deckel- oder Klappenform ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtungen (25, 35, 45) mit breiten Dichtflächen zur Ausbildung von Wärmeübergangsbereichen (Wärmebrücken) ver sehen sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mengenregelungseinrichtungen (25, 35, 45) untereinander austauschbar so ausgebil det sind, daß sie gleiche geometrische Ab messungen und Formen aufweisen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtungen (25, 35, 45) in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraft maschine gesteuert werden und mechanisch über Zahnriemen, Rollketten und über Zahn räder mit der Kurbelwelle oder der Nocken welle der Brennkraftmaschine verbunden sind oder direkt von der Nockenwelle be aufschlagt werden.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtungen (25, 35, 45) über eine Steuereinrichtung (50), die die Regel einrichtungen (25, 35, 45) in Abhängigkeit von Kennfelddaten der Brennkraftmaschine steuert, mechanisch, hydraulisch, pneumatisch, elektromotorisch oder elektromagnetisch ge steuert werden.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Frischladungszuführungsleitung (20) und/oder in der Spülluftzuführungsleitung (40) ein Gebläse oder ein Verdichter (60) zur Er höhung des Druckes angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Frischladungszuführungsleitung (20) und/oder in der Spülluftzuführungsleitung (40) ein Wärmetauscher (70) zur Abkühlung des zu zuführenden Gas- oder Luftstromes angeordnet ist.