DE3741511C2 - Ventilanordnung für den Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ventilanordnung gemäß Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer bekannten Ventilanordnung dieser Art (GB-PS 1 552 564) hat der Drehschieber eine in etwa zylindrische Form und weist auf Höhe von Verbrennungsgas-Auslaß und Gas-Einlaß eine Öffnung auf, die abwechselnd in fluchtende Stellung mit dem Verbren­ nungsgas-Auslaß und dem Gas-Einlaß gebracht wird. Dabei ergibt sich eine erheblich Abgasrückführung, weil die im Drehschieber vorhandene, die Öffnung aufweisende Aussparung einen Freiraum bildet, der sich bei geöffnetem Verbrennungsgas-Auslaß mit Ver­ brennungsprodukten füllt, die bei Drehung des Drehschiebers in Richtung auf den Gas-Einlaß transportiert werden, während ent­ sprechend auch zugeführtes Gemisch in dem so gebildeten Freiraum zurückbleibt und durch die Drehung des Drehschiebers zum Ver­ brennungsgas-Auslaß gelangt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Ventilanordnung zu schaffen, mit der einerseits eine optimale Füllung des Zylinders und eine optimale Entfernung der Verbrennungsgase erreicht und anderer­ seits die Rückführung von Verbrennungsgasen praktisch vollstän­ dig vermieden wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Ventilanordnung gemäß Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeich­ nenden Teils dieses Anspruches ausgestaltet.

Durch die trichterförmige Ausbildung des Drehschiebers und des­ sen dadurch gegebene enge Anpassung an die Form des Übergangs­ bereichs zwischen dem Ventilschaft und dem pilzförmig ausgebil­ deten Ventilkörper werden die Volumina, die sich mit Verbren­ nungsprodukten füllen können, erheblich reduziert, so daß bei Bewegung des Drehschiebers nur äußerst geringe Mengen an Abgasen in Richtung auf den Gas-Einlaß transportiert werden.

Darüber hinaus ermöglicht das sich über einen Winkelbereich von 90° erstreckende Fenster im Drehschieber in Kombination mit dem Antrieb des Drehschiebers durch ungleichförmig rotierende, ex­ zentrisch gelagerte Räder verhältnismäßig lang andauernde und vollständige Öffnungsstellungen für den Verbrennungs-Auslaß und den Gas-Einlaß.

Gemäß einem älteren Vorschlag (DE-OS 37 15 279) wurde zwar der Drehschieber einer Ventilanordnung bereits so ausgebildet, daß er den Übergangsbereich zwischen dem Ventilschaft und dem pilz­ förmig ausgebildeten Ventilteller trichterförmig umgibt, um auf diese Weise den Transport von Verbrennungsprodukten zum Gas- Einlaß deutlich zu reduzieren. Bei dieser älteren Ventilanordnung wurde jedoch der Drehschieber mittels einer von einem Exzenter angetriebenen Pleuelstange hin- und herbewegt, und der Verbren­ nungsgas-Auslaß hatte zwei einander diametral gegenüberliegende Auslaßkanäle und der Gas-Einlaß zwei einander diametral gegen­ überliegende Einlaßkanäle, die jeweils vom Drehschieber gleich­ zeitig geöffnet bzw. geschlossen wurden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Un­ teransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläu­ tert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Ventilanordnung, wobei im unte­ ren Teil die exzentrisch gelagerten Zahnräder gezeigt sind.

Fig. 2 zeigt eine Ventilanordnung mit über einen endlosen Zahnriemen gekoppelten, exzentrischen Riemenrädern.

Fig. 3 zeigt die Antriebsanordnung für die Ventilanordnung gemäß Fig. 2.

Fig. 4 zeigt einen anderen Antrieb einer Ventilanordnung mit exzentrisch gelagerten Riemenrädern und einem Zahnrie­ men.

Fig. 5 zeigt eine Ventilanordnung mit dem Antrieb gemäß Fig. 4.

Fig. 6 zeigt schematisch die verschiedenen Stellungen des Drehschiebers.

Die in Fig. 1 dargestellte Ventilanordnung sitzt in einem Zy­ linderkopf 1, der einen Verbrennungsgas-Auslaß 2 und einen Gas- Einlaß 3 aufweist, zwischen denen ein Mittelsteg 4 und ein Trennsteg 5 vorhanden ist, die jedoch in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 nicht zu erkennen sind.

In die Zylinderkopfbohrung ist ein Drehschieber 6a eingesetzt, der an dem dem Zylinderkopfboden näheren Ende trichterförmig ist und ein Fenster aufweist, das sich über einen Umfangsbereich von 90° erstreckt, jedoch in Fig. 1 nicht zu erkennen ist.

Am dem trichterförmig ausgebildeten Bereich abgewandten Ende des Drehschiebers 6a ist dieser im Zylinderkopf 1 über Kugellager gelagert. Zwischen den Kugellagern ist am Drehschieber 6a exzen­ trisch ein Zahnrad 9b befestigt, das mit einem weiteren exzen­ trisch gelagerten Zahnrad 9a kämmt. Dieses Zahnrad ist mit einem Winkeltrieb 12a gekoppelt, dessen antreibendes Rad auf der Noc­ kenwelle 10 befestigt ist.

Innerhalb des Drehschiebers 6a ist ein einen pilzförmigen Ven­ tilteller aufweisendes Ventil 8 vorgesehen, das zur Verringerung seiner Massenträgheit hohl ausgebildet ist und Belüftungsbohrun­ gen aufweist. Das Ventil 8 ist sehr eng an die innere Form des trichterförmigen Bereichs des Drehschiebers 6a angepaßt.

Am dem pilzförmigen Bereich des Ventiltellers abgewandten Ende des Ventils 8 sind eine Ventilfeder, ein Federteller und zwei Ventilkeile vorgesehen. Auf das Ventil 8 arbeitet in üblicher Weise ein Kipphebel 11, der um eine Kippwelle schwenkbar gela­ gert ist und mittels der Nockenwelle 10 betätigt wird, die einen Exzenter mit einem Nocken trägt.

Die Nockenwelle 10 treibt über den Winkeltrieb 12a das eine exzentrisch gelagerte Zahnrad 9a, so daß dieses das auf dem Drehschieber 6a befestigte, exzentrisch gelagerte Zahnrad 9b drehend antreibt. Die Zahnräder 9a und 9b haben gleiche Zähnezahl und sind gerade verzahnt. Infolge dieses Antriebs über exzentrisch gelagerte Zahnräder 9a und 9b erfolgt eine schnelle Drehung des Dreh­ schiebers 6a über mehr als 180° und eine langsame Drehung über weniger als 180°, wobei der Ablauf im einzelnen anhand von Fig. 6 erläutert werden wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß in den folgenden Ausführungsbei­ spielen für gleiche Teile wie in Fig. 1 gleiche Bezugszeichen und für entsprechende Teile gleiche Bezugszeichen mit geänderten Buchstaben und/oder einer zusätzlichen Numerierung verwendet werden.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 und 3 erfolgt der Antrieb des Drehschiebers statt über exzentrisch gelagerte Zahnräder über exzentrisch gelagerte Riemenräder 9b1, die über einen überkreuzten Zahnriemen 9b2 miteinander gekoppelt sind, wobei das eine Riemenrad 9b1 über einen Winkeltrieb 12b von der Nockenwelle 10 angetrieben wird. Dieses Riemenrad ist um ca. 15° geneigt, um ein berührungsfreies Überkreuzen des Zahnriemens 9b2 zu erreichen.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 und 5 wird statt eines überkreuzenden Zahnriemens ein endloser, an beiden Seiten ge­ zahnter Zahnriemen 9c3 eingesetzt, der über ein konzentrisch am Drehschieber 6a befestigtes Riemenrad 9a1 sowie ein Umlenk-Rie­ menrad 9c1 und zwei exzentrisch gelagerte Riemenräder 9c2 ge­ führt ist. Das Umlenk-Riemenrad 9c1 wird über einen Winkel­ trieb 12c von der Nockenwelle 10 angetrieben.

Funktionsablauf (Fig. 6):

• a) 270° Stellung der Nockenwelle
  Der Motorkolben befindet sich im unteren Totpunkt und am Beginn des Auslaßtaktes. Das Hohlventil ist je nach Auslegung der Steuerzeiten bereits geöffnet. Das Fenster des Drehschiebers liegt im Bereich A und ist zum Auslaßkanal voll geöffnet. Der dem unteren Totpunkt verlassende und sich mit zunächst noch geringer Geschwindigkeit aufwärts bewegende Kolben des Verbrennungsmotors drückt die Verbren­ nungsgase durch das geöffnete Ventil und das Fenster des Drehschiebers in den Auslaßkanal. Dabei ist die Winkelge­ schwindigkeit des Drehschiebers noch gering, nimmt jedoch bei Weiterdrehung der Nockenwelle in Richtung auf die 300° Stellung zu.
• b) 300° Stellung der Nockenwelle
  Der Motorkolben befindet sich im Auslaßtakt. Das Ventil ist voll­ ständig geöffnet, und das Fenster des Drehschiebers befindet sich im Bereich B und ist voll geöffnet. Bei zunehmender Kolbengeschwindigkeit und zunehmender Winkelgeschwindigkeit des Drehschiebers werden die Verbrennungsgase vom sich auf­ wärts bewegenden Kolben ausgestoßen. Die Strömungsgeschwin­ digkeit der Verbrennungsgase im Auslaßkanal nimmt zu.
• c) 330° Stellung der Nockenwelle
  Der Motorkolben befindet sich im Auslaßtakt. Das Ventil ist voll­ ständig geöffnet. Das Fenster des Drehschiebers liegt im Bereich C und gibt etwa einen Winkelbereich von 45° zum Auslaßkanal frei. Die Gasgeschwindigkeit im Auslaßkanal ist ein Maximum. Die Kolbengeschwindigkeit nimmt ab, und die Winkelgeschwindigkeit des Drehschiebers nimmt zu.
• d) 360° bzw. 0° Stellung der Nockenwelle
  Der Motorkolben befindet sich im oberen Totpunkt und zu Beginn des Einlaßtaktes. Das Hohlventil ist geschlossen oder zumindest nahezu geschlossen. Das Fenster des Drehschiebers ist durch den Mittelsteg verschlossen. Es kann keine innere Abgasrück­ führung auftreten. Die Mitte des Fensters befindet sich im Bereich D. Die Winkelgeschwindigkeit des Drehschiebers ist ein Maximum, die Kolbengeschwindigkeit ist Null.
• e) 30° Stellung der Nockenwelle
  Der Motorkolben befindet sich im Einlaßtakt. Das Hohlventil ist vollständig geöffnet. Das Fenster des Drehschiebers liegt im Bereich E und gibt einen Winkelbereich von etwa 45° zum Einlaß frei. Die Winkelgeschwindigkeit des Drehschiebers ist reduziert. Die Kolbengeschwindigkeit steigt, und der sich abwärts bewegende Kolben saugt Gemisch an. Der Gasstrom im Einlaßkanal wird durch das Fenster am mittleren Teil des Hohlventils vorbeigeführt und tritt zwischen dem pilzförmi­ gen Bereich des Ventiltellers und der Zylinderbohrung in den Verbrennungsraum ein. Dabei entsteht durch die Strömungs­ geschwindigkeit eine Drallbewegung des angesaugten Gasgemi­ sches, die sich mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit erhöht. Diese Drallbewegung der eintretenden Gase wird also nicht, wie sonst üblich, durch Formgebung des Einlaßkanals oder durch einen Schirm am Einlaßventil erreicht.
• f) 60° Stellung der Nockenwelle
  Der Motorkolben befindet sich im Einlaßtakt. Das Hohlventil ist vollständig geöffnet. Der Mittelbereich des Fensters des Drehschie­ bers befindet sich im Bereich F, und das Fenster gibt den Einlaßkanal vollständig frei. Die Winkelgeschwindigkeit des Drehschiebers nimmt weiter ab, und die Kolbengeschwindigkeit hat ihren höchsten Wert bereits überschritten. Die Strö­ mungsgeschwindigkeit und die Drallbewegung des Gasgemisches nehmen zu.
• g) 90° Stellung der Nockenwelle
  Der Motorkolben befindet sich noch im Einlaßtakt. Das Hohlventil beginnt zu schließen. Das Fenster befindet sich im Bereich G und gibt den Einlaßkanal vollständig frei. Die Winkelge­ schwindigkeit des Drehschiebers nimmt ab. Die Kolbenge­ schwindigkeit ist Null, und der Motorkolben befindet sich im unte­ ren Totpunkt.

Im weiteren Funktionsablauf des Drehschiebers und des Hohlven­ tils in den Nockenwellenstellungen von 90° bis 270° vollzieht sich bei geschlossenem Hohlventil der übliche Verdichtungs- und Arbeitstakt eines Verbrennungsmotors.

Die Winkelgeschwindigkeit des Drehschiebers reduziert sich zwi­ schen 90° bis 180° der Nockenwellenstellung und steigt von 180° bis 270° der Nockenwellenstellung an.

Die höchste Winkelgeschwindigkeit des Drehschiebers ergibt sich bei 0° Nockenwellenstellung im oberen Totpunkt des Motorkolbens wäh­ rend des Gaswechsels, und die geringste Winkelgeschwindigkeit liegt bei der 180° Stellung der Nockenwelle wiederum im oberen Totpunkt des Motorkolbens zwischen Verdichtungs- und Arbeitstakt. Diese Vor- und Nacheilung des Drehschiebers entwickelt eine Zug- und Druckspannung entweder an den Zahnflanken der Zahnräder 9a, 9b oder am Zahnriemen 9b2. Da Zahnriemenräder mit einem Zahnrie­ men mit etwa der Hälfte der Zähnezahl in Eingriff liegen und zudem eine Elastizität besitzen, sind Zahnriemenübertragungen besser als Zahnräder. Die Zahnriemenräder unterliegen kaum einer Abnutzung.

Claims (5)

1. Ventilanordnung für den Zylinderkopf (1) eines Verbrennungs­ motors, mit einem ungleichförmig rotierenden, mittels eines Paares von miteinander gekoppelten, exzentrisch gela­ gerten Rädern (9a; 9b; 9c) angetriebenen Drehschieber (6a) zum abwechselnden Öffnen und Verschließen eines Gas-Einlas­ ses (3) und eines Verbrennungsgas-Auslasses (2) im Zylin­ derkopf (1), wobei in einer Stellung des Drehschiebers (6a) der Verbrennungs-Auslaß (2) geöffnet und der Gas-Einlaß (3) geschlossen und in einer anderen Stellung des Drehschiebers (6a) der Verbrennungsgas-Auslaß (2) geschlossen und der Gas- Einlaß (3) geöffnet sind, sowie mit einem einen Ventilteller (13a) und einen Ventilschaft aufweisenden Ventil (8), das bei geöffnetem Verbrennungsgas-Auslaß (2) und bei geöffnetem Gas-Einlaß (3) geöffnet und während der Kompression und der Verbrennung geschlossen ist, wobei der Drehschieber (6a) das Ventil (8) konzentrisch umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber (6a) den Übergangsbereich zwischen dem Ventilschaft und dem pilzförmig ausgebildeten Ventilteller (13a) trichterförmig umgibt und daß das das Öffnen des Ver­ brennungsgas-Auslasses (2) und des Gas-Einlasses (3) bewir­ kende Fenster (6b) im Drehschieber (6a) sich über einen Umfangsbereich von 90° erstreckt.

2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die exzentrisch gelagerten Räder Zahnräder (9a) sind.

3. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die exzentrisch gelagerten Räder über einen endlosen Zahn­ riemen (9b2) gekoppelte Riemenräder sind.

4. Ventilanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Drehachse des angetriebenen Rades konzen­ trisch zur Drehachse des Drehschiebers (6a) verläuft.

5. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die exzentrisch gelagerten Räder Riemenräder (9c2) sind, die durch einen Zahnriemen (9c3) und über konzentrisch gelagerte Riemenräder (9c1) miteinander gekoppelt sind.