DE4138983A1

DE4138983A1 - Schieberkolben-steuerung fuer viertaktmotoren

Info

Publication number: DE4138983A1
Application number: DE19914138983
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl Ing Meszaros
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-11-27
Filing date: 1991-11-27
Publication date: 1993-06-03

Description

Stand der Technik

Heute weit verbreitete Ladungswechselsteuerungen für Viertaktmotoren benützen ausschließlich Ventile, welche mittels Nockenwellen diskontinuierlich in Bewegung gesetzt werden.

Diese Konstruktion hat eine ganze Reihe von Nachteilen, welche die Weiterentwicklung des Verbrennungsmotors stark begrenzen:

- Eine Leistungserhöhung durch höheren Luftdurchsatz mittels Drehzahlerhöhung ist von der diskontinuierlichen Ventilsteuerung begrenzt. Es ist eine ständige und extrem aufwendige Entwicklungsarbeit notwendig, um diese Grenze auch minimal nach oben zu zwingen.
- Im Weg des ein- oder ausströmenden Arbeitsmediums stehen immer die Ventilteller. In dem Bereich der Ventilsitze mit Ventilschaft und der Ventilteller gegenüber der Zylinder- und Brennraumwand finden die größten gasodynamischen Verluste statt, welche den Liefergrad vermindern und eine organisierte Drallbewegung dämpfen.
- Dynamische Aufladevorgänge durch Druckwellen werden immer durch die positive Teilreflexion der Wellen am Ventilteller gestört.
- Die Bewegung der Ventile beginnt und endet immer mit einer Geschwindigkeit, die gleich Null ist. Die Massenträgheit des Ventiltriebs macht eine gewünschte schlagartige Öffnung und Schließung der Steuerorgane unmöglich.
- Dadurch müssen bei hochkomprimierten Motoren wegen der unvermeidlichen Ventilüberschneidung tiefe Taschen im Kolbenboden vorgesehen werden, eine optimale Brennraumform ist so nicht erreichbar.
- Bei zufälligem Überdrehen des Motors bleiben die federbelasteten Auslaßventile zurück und kollidieren mit dem Kolben, oder der hart zuschlagende Ventilteller verursacht einen Ventilschaftbruch. Dies ist eine der Hauptursachen für Totalschaden bei Rennmotoren.
- Der sehr heiße Auslaßventilteller verursacht oft Nebenzündungen und beeinflußt die Klopffestigkeit der Maschine.
- Die mechanischen Antriebe der heutigen 2-Ventil- bis 6- Ventil-Steuerungen benötigen einen hohen Leistungsaufwand, welcher die Gesamtleistung der Maschine vermindert.
- Der sehr stark schwankende Drehmomentbedarf der Ventilsteuerung erregt Drehschwingungen und überlastet zusätzlich den Antrieb.

Verschiedene bisherige Vorschläge zur Aufhebung dieser Nachteile erhielten immer nichterprobte oder stark entwicklungsbedürftige Teile, welche mit dem heute vorhandenen Entwicklungsstand der klassischen Steuerung meist nicht konkurrieren können.

Eine ähnliche Steuerung mit sich nach außen bewegenden Kolben,die allerdings eine diskontinuierliche Bewegung haben, ist aus der Offenlegungsschrift DE 33 01 007 des Deutschen Patentamtes bekannt.

Aufgabenstellung

Es wird ein Ladungswechselsystem angestrebt, welches:

- nur erprobte, weitverbreitete und hochdrehzahlfähige Teile benützt,
- während des Ladungswechsels keine Teile im Weg des strömenden Arbeitsmediums benötigt,
- größtmögliche Winkel-Querschnitte erlaubt.
- eine kontinuierliche Bewegung hat, keine Leistung verbraucht und zu der Gesamtleistung der Maschine und zum thermischen Wirkungsgrad positiv beiträgt,
- im Moment der Zündung und in der Hauptverbrennungsphase eine optimale Brennraumform bildet,
- hohe Kompressionsverhältnisse erlaubt,
- steife Zylinderkopf- und/oder Motorblockkonstruktionen erlaubt, mit guter Kühlung des Brennraumes,
- keinen größeren Konstruktionsraum als aktuelle Ventilsteuerungen benötigt,
- keine untragbaren Kosten verursacht.

Lösung der Aufgabe

Es wird ein Motor mit einer bekannten Hauptkurbeltrieb- Konstruktion vorgeschlagen. Für den Ladungswechsel werden auf den Kopf gestellte Zweitakt-Kurbeltriebe benützt, mit Ladungswechselsteuerung durch Fenster, Hauptzylinder und Steuerzylinder haben einen gemeinsamen Brennraum mit variabler Form, Bild 1.

Die Zweitakt-Steuerkurbelwellen sind durch eine 1 : 2- Übersetzung mit der Hauptkurbelwelle verbunden, Bild 2.

Varianten

Der Motor kann jede vorstellbare Anzahl und Anordnung der Steuerorgane haben:

- Dieselmotor mit einer Hauptkurbelwelle, einer obenliegenden Steuerkurbelwelle und zwei Steuerkolben,
- Ottomotor wie oben,
- Dieselmotor mit zwei obenliegenden Steuerkurbelwellen und vier parallel zur Zylinderachse angeordneten Steuerkolben,
- Ottomotor mit zwei obenliegenden Steuerkurbelwellen und 4, 5 oder 6 V-förmig angeordneten Steuerkolben.

Bewegungsablauf

In Bild 3 kann die Bewegung der Maschine verfolgt werden:

- Bei Auslaßende sind beide Kanäle offen. Der Zylinder wird gespült.
- Während des Einlaßvorgangs taucht der wärmere Auslaßkolbenkopf etwas in die frische Luft ein und kühlt sich ab. Die zurückgezogenen Kolbenringe verlassen den Einlaßzylinder nicht.
- Bei DT-Zündung bilden die drei Kolben einen normalen Brennraum. Der Brennraum ist durch Kolbenringe abgedichtet.
- Während der Expansion taucht der kühlere Einlaßkolben etwas in den Brennraum ein.
- Beim Auslaßbeginn öffnet der Auslaßkolben abrupt die Auslaßkanäle und gibt schnell einen großen Durchgangsquerschnitt frei.

Ein Diagramm mit dem Bewegungsablauf der Haupt- und Steuerkolben ist in Bild 4 dargestellt. Ebenfalls im Bild 4 kann der Volumenverlauf der Haupt- und Nebenkolben erkannt werden.

Der gesamte Ein- und Auslaßquerschnitt kann durch den Hub der Steuerkolben weitgehend frei gewählt werden. Trotz eines typischen 4-Takt-Steuerdiagramms, Bild 5, ist wie beim Zweitakter eine sehr schnelle Freigabe der Kanalquerschnitte zu erkennen.

Bemerkungen

1. Die Drehzahl der Maschine ist nur noch von der mechanischen Belastbarkeit des Hauptkurbeltriebs begrenzt.
2. Die Steuerzeiten sind in weiten Grenzen frei wählbar.
3. Der Hubraum der Maschine wird auch von der Bewegung der Steuerkolben beeinflußt und ist dadurch von den Steuerzeiten abhängig. Das größte Zylindervolumen wird etwas vor 180°KW erreicht.
4. Der durch alle Kolben gebildete Totraum bei Ende des Auslasses ist größer als bei Ende der Kompression, das verursacht zwischen OTZ und OTE eine positive Arbeitsübernahme durch die Steuerkurbelwellen und eine Reduzierung der Pumparbeit.
5. Ein typisches P-V-Diagramm ist im Bild 6 dargestellt.
6. Von der Steuerung aus gesehen benehmen sich die Steuerkolben im Verhältnis zum Zündpunkt so, als bekomme der Einlaßkolben eine starke Frühzündung und der Auslaßkolben eine starke Spätzündung. Das muß bei der Auslegung des Kurbeltriebs berücksichtigt werden. Ein hierzu ausgerechnetes Polardiagramm mit den tatsächlichen Belastungen der Pleuel- und Kurbelwellenlager der Steuerung zeigt trotzdem keine unbeherrschbare mechanische Belastung.
7. Das Eintauchen der Steuerkolben in den Brennraum führt auch zu einer Erhöhung der Wärmeübergangsflächen des Arbeitsfluids. Bild 7 zeigt diese Flächenerhöhung im Zusammenhang mit der Temperatur des Arbeitsfluids.

Ausführungsbeispiel

Eine mögliche Ausführung des o. g. Prinzips wird im folgenden neutralen Beispiel dokumentiert. Dieses Beispiel ist ein Erstentwurf und spiegelt keineswegs die Grenzen des Systems.

Hauptabmessungen des Motors:
Zylinderabstand\|93 mm
Bohrung des Hauptzylinders	82 mm
Hub des Hauptzylinders	55.22 mm
Hub/Bohrung	0.673
Hauptpleuellängenverhältnis	0.35
Einzelhubraum des Hauptzylinders	291.617 ccm
Winkellage des Einlaßzylinders	12°
Anzahl der Einlaßkolben pro Hauptzylinder	2
Bohrung des Einlaßzylinders	31 mm
Hub des Einlaßzylinders	46 mm
Pleuellängenverhältnis	.2396
Einlaßfensterhöhe	13.75 mm
Ausdehnung des Fensters auf den Zylinderumfang	201°
Gesamter Einlaßquerschnitt im Steuerfenster	1385 mm²
Einlaß öffnet	688°KW
Einlaß schließt	260°KW
Winkel-Querschnitt Einlaß	144 390 mm² · grd
Winkellage des Auslaßzylinders	12°
Anzahl der Auslaßkolben pro Hauptzylinder	2
Bohrung des Auslaßzylinders	31 mm
Hub des Auslaßzylinders	46 mm
Pleuellängenverhältnis	.2396
Einlaßfensterhöhe	13.75 mm
Ausdehnung des Fensters auf den Zylinderumfang	154°
Gesamter Auslaßquerschnitt im Steuerfenster	1145 mm²
Auslaß öffnet	460°KW
Auslaß schließt	32°KW
Winkel-Querschnitt Auslaß	110 625 mm² · grd
Überschneidung	64° KW
Zylinderkopfhöhe bis Mitte Steuerkurbelwellen	132 mm
Brennraumvolumen	23 ccm
Gesamthubraum bei 174°KW	312.684 ccm
Kompressionsverhältnis zu d. 174°KW-Hubraum	14.4:1
Drehzahl	13600 Upm
Mittlere Hauptkolbengeschwindigkeit	25.0 m/s
Mittlere Steuerkolbengeschwindigkeit	10.4 m/s
Zündkerze	M 10×1 lang

In Bild 8 ist ein Querschnitt durch den wie oben aufgebauten Zylinderkopf dargestellt. Dieser ist mit dem Motorblock zusammen aus Aluminiumlegierung gegossen. Haupt- und Steuerkolben bewegen sich in mit Nikasil beschichteten Zylindern. Die Steuerkolben haben etwas zurückgezogene Ringe, die den Brennraum abdichten. Ein weiterer Kolbenring dichtet zwischen dem Ölraum des Kopfes und den Kanälen ab. Der verhältnismäßig lange Schaft der Steuerkolben sichert einen guten Wärmeübergang zu den Steuerzylindern.

Die Steuerkolben werden durch die Pleuel intensiv mit Öl gekühlt. Die Stege zwischen den Auslaßfenstern sind wassergekühlt, die Stege zwischen den Einlaßfenstern sind ölgekühlt. Rund um das Zündkerzengewinde ist noch Platz für einen Kühlwasserring.

Bei einem plötzlichen Abstellen des Motors aus Vollast fließt aus dem Kopf noch etwas Öl in den Auslaßkolben und sorgt so für Nachkühlung.

Die Größe des Zylinderkopfes ist mit einem mit Ventilen bestückten Kopf vergleichbar, er erlaubt aber größere Kanalquerschnitte und sichert eine größere Öffnungsgeschwindigkeit.

In Draufsicht sind die zwei Steuerkurbelwellen wie in Bild 9 angeordnet.

Hier ist auch ein Schnitt entlang der Kanäle dargestellt. Die leicht spiralförmige Auslegung der Einlaßkanäle kann zur Bildung eines Doppeldralls beim Einströmen in den Zylinder führen. Der Einlaßkanal hat einen von dem Flansch zum Zylinder steigenden Querschnittsverlauf, der Auslaßkanal bildet zusammen mit dem kleeblattförmigen Brennraum eine Lavaldüse, Bild 10.

Der erreichte Querschnitt der Fenster ist schon mit den Querschnitten der Steuerzylinder vergleichbar.

Nach den Fenstern wird die Strömung von keinen weiteren Gegenständen gestört, das nahezu axiale Einströmen in den Zylinder erlaubt ein Zusammenziehen des Brennraums bis zu einer Kleeblattform mit ausgesprochen großen Quetschflächen. Der so gebildete Diffusor reduziert die Strömungsverluste beim Einströmen in den Hauptzylinder. Auf der Ausströmseite bildet der gewählte Querschnittsverlauf eine Lavaldüse und sorgt so für eine schnelle, verlustarme Entleerung des Zylinders und eine inertielle Durchspülung mit Frischluft.

Claims

1. Ladungswechselsteuerung für 4-Takt-Verbrennungskraftmaschinen ohne Nockenwellen und ohne Ventile, dadurch gekennzeichnet, daß das Aus- und Einströmen des Arbeitsmediums durch im Zylinderkopf eingebaute Fenster erreicht wird. Die Steuerquerschnitte werden mittels Steuerkolben kontrolliert.

2. Nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die durch Kolbenringe abgedichteten Steuerkolben von einer oder zwei obenliegenden Kurbelwellen durch Pleuel in eine kontinuierliche Bewegung gesetzt werden.

3. Nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkurbelwellen mittels einer Übersetzung im Verhältnis 1 : 2 mit der Hauptkurbelwelle verbunden sind.

4. Nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der Steuerkolben bei OT-Einlaß und OT-Zündung zu unterschiedlichen Volumina führt, und sich dadurch die Pumparbeit des 4-Takt-Saugmotors verringert und eine Erhöhung der Leistung zu erwarten ist. Die Steuerkurbelwellen übertragen eine positive mechanische Arbeit an die Hauptkurbelwelle.

5. Dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßkanäle so ausgelegt werden können, daß eine kontrollierte Drallbewegung des Arbeitsfluids im Zylinder erreichbar ist.

6. Dadurch gekennzeichnet, daß sich die Steuerorgane während des Ladungswechselvorgangs vom Brennraum nach außen bewegen und dadurch ein ungestörter freier Durchfluß des Arbeitsmediums gewährleistet ist.

7. Nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß wegen der sich nach außen bewegenden Auslaßkolben die Auspuffgase schon vor der Öffnung der Auslaßfenster eine Anfangsgeschwindigkeit im Auslaßkanal haben.

8. Dadurch gekennzeichnet, daß die Einmündungen der Steuerzylinder in den Brennraum einen düsenförmigen Querschnittsverlauf haben.

9. Dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerquerschnitte durch Vergrößern des Hubes der Steuerkolben nahezu unbegrenzt hoch gewählt werden können.

10. Dadurch gekennzeichnet, daß bei einem kleeblatt/dachförmigen Brennraum mit großen Quetschflächen ein beliebig hohes Kompressionsverhalten ohne hineinragende Ventile und ohne Taschen im Kolben erreichbar ist.

11. Dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Zylinderkopfbearbeitung von außen nach innen durchführbar ist, und es dadurch konstruktiv möglich wird, einen steifen Motorblock mit angegossenem Zylinderkopf und ausgezeichneter Brennraumkühlung zu erreichen.