DE4324263A1 - Drehschieber für die Gaswechselsteuerung vom Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die wichtigsten Anforderungen an einen modernen Verbrennungs­ motor sind günstiger Verbrauch, geringe Abgase und die Geräuschreduzierung. Nur bei Wettbewerbsmotoren ist auch die Leistung ein entscheidendes Kriterium. Sowohl Gebrauchs- als auch Wett­ bewerbsmotoren lassen sich verbessern in allen ihren Beurtei­ lungskriterien durch eine Steigerung des Wirkungsgrades. Außer, daß sie dadurch meist auch viel komplexer und teurer werden.

Der hier zum Patent angemeldete Drehschieber für die Gaswechsel­ steuerung vom Verbrennungsmotor ist einfacher und kostengüns­ tiger als Mehrventilmotoren und bringt eine Steigerung des Wirkungsgrades durch eine höhere Verdichtung, große und strö­ mungsgünstige Ein- und Auslaßquerschnitte, gute Verwirbelung und geringe mechanische Verluste.

Mit der Verdichtung steigt der Wirkungsgrad. Auch läßt sich der Wirkungsgrad durch schnelle und komplette Gaswechsel verbessern. Eine gute Verwirbelung sorgt dafür, daß die Tröpfchengröße des Treibstoffes möglichst klein ist und das Gemisch möglichst homogen. Die Verbrennung wird um so heftiger je mehr HC Mole­ küle ein Sauerstoffmolekül finden, was auch gleichzeitig die unverbrannten Kohlenwasserstoffe verringert. Mechanische Ver­ luste, das heißt jede Reibarbeit, jede Beschleunigungs- und Verzögerungsarbeit für z. B.: Steuerorgane sind verlorene Energie.

Um nun eine höhere Verdichtung zu realisieren, ist ein kom­ pakter, gutgekühlter Brennraum Voraussetzung. Ebenso die Ein­ leitung kühler Frischgase, ohne daß diese an einem heißen Bau­ teil vorbeistreichen (z. B. Einlaßventil, Auslaßkanal) und sich erwärmen. Sich erwärmendes Frischgas dehnt sich aus und führt zu einer Verschlechterung des Füllungsgrades. Dieser sollte 1 sein im gesamten Drehzahlbereich (bei Wettbewerbsmotoren über 1). Das setzt große Einlaßquerschnitte ohne störende Bau­ teile und sonstige Drosselwirkungen voraus. Nur so lassen sich schnelle Gaswechsel realisieren. Auch die Auslaßquer­ schnitte sollten diese Kriterien erfüllen, denn zwischen "Aus­ laß öffnet" und unterem Totpunkt muß der Druck der verbrannten Gase vollständig abgebaut werden, sonst drücken die Altgase gegen die Kolbenbewegung, was zusätzliche Verluste bedeutet. Und Verluste gilt es ja zu vermindern. Den Kurbeltrieb kann der Drehschieber in diesem Zusammenhang nicht beeinflussen. Aber den Ventiltrieb kann er ersetzen. Hier zählt die Beschleuni­ gungs- und Verzögerungsarbeit um die Ventile zu bewegen und die Reibungsarbeit in den Ventilfedern und am Kipphebel oder Stößel zu den mechanischen Verlusten, die es zu vermindern gilt.

Der hier zum Patent angemeldete Drehschieber bringt in den vor­ genannten Punkten entscheidende Verbesserungen durch eine ein­ fache Konstruktion. Dieser Drehschieber (6) liegt direkt auf dem Zylinderblock der im günstigsten Fall 4 Zylinder hat, die im Quadrat stehen bei 2 parallelen und gegenläufigen Kurbel­ wellen und dreht sich mit halber Kurbelwellendrehzahl. Die Dreh­ schiebermitte liegt außerhalb des Zylinders bei Einzylinder­ motoren, oder mittig zwischen den im Kreis stehenden Zylindern bei Mehrzylindermotoren. Da dieser Drehschieber nun sehr hohen Kräften ausgesetzt ist, den gleichen Kräften die den Kolben in Bewegung setzen, muß er entsprechend stabil ausgeführt sein, ähnlich einer innenbelüfteten Bremsscheibe eines PKW′s mit koaxialen Kühlkanälen (20). Dieser Drehschieber stützt sich nun auf 2 Wälzlager (12), die richtig abgedichtet, leicht zu schmieren sind ohne den Ölverbrauch des Motors zu beeinflussen. Die Abdichtung des Brennraumes übernimmt ein drehend ange­ ordneter Dichtring (5) zwischen Zylinder (4) und Drehschieber. Diese Art der Abdichtung hat sich bei der DVL-WVW Flachschieber­ steuerung bestens bewährt. (DVL Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt eV.) (WVW heute TES, Lindau).

Der Zylinderkopf (14) beinhaltet nun nur die Wälzlager (12), die Ein- und Auslaßkanäle (9 + 10) und die Kühlwasserzufuhr (11) und Abfuhr (15). Der Drehschieber beinhaltet noch eine Spezialzünd­ kerze (7) die sich mitdreht und gleich viele Schleifkontakte (8) überläuft wie der Drehschieber Zylinder überläuft. Somit ist der Verteiler in den Zylinderkopf integriert.

In den Öffnungsschlitzen (21 + 22) des Drehschiebers sind nun profilierte Stege (23) angeordnet, die verhindern, daß sich Druckunterschiede zweier Zylinder über die Öffnungsschlitze ausgleichen können. Die Stege sind profiliert, um auf die Strömung Einfluß zu nehmen, um den Füllungsgrad zu optimieren und die Verwirbelung zu gewährleisten.

Nun läßt sich eine hohe Verdichtung realisieren, denn der scheibenförmige Brennraum ist sehr kompakt und die Temperatur­ übertragung zum Kühlwasser geschieht im Drehschieber durch die koaxialen Kühlkanäle. Der Brennraum hat somit keine Temperatur­ nester und keine heißen Bauteile wie etwa ein Auslaßventil. Außerdem besteht die Möglichkeit die Verdichtung variabel zu gestalten, indem der Zylinderkopf und somit auch der Dreh­ schieber mit mehreren syncronangetriebenen Spindeln auf dem Zylinderblock auf und ab bewegt wird. Der somit sich vergrö­ ßernde Spalt zwischen Zylinder und Drehschieber wird von den Dichtringen (5), die von Federringen (13) gegen den Dreh­ schieber gedrückt werden, ausgeglichen. Es entsteht ein in der Dicke variabler scheibenförmiger Brennraum.

Die Ein- und Auslaßquerschnitte können im Zylinderkopf sehr groß gewählt werden durch eine entsprechende halbrunde Form­ gebung oder durch mehrere runde Kanäle. Die Kanäle selbst sind gerade, ohne jegliche störende Bauteile mit Drosselwir­ kung. Die Öffnungsschlitze (21 + 22) im Drehschieber bestimmen mit ihrer Länge und Lage die Steuerzeiten. Die Steuerquer­ schnitte sind durch das schnelle Freigeben der gesamten Kanal­ querschnitte besonders groß. Dies trägt erheblich dazu bei den Wirkungsgrad zu steigern, in dem z. B. erst sehr spät der Auslaß geöffnet wird aber dann sehr große Querschnitte frei­ gegeben werden. So wird möglichst lange die Druckenergie, die den Kolben bewegt, in Nutzarbeit umgewandelt und möglichst wenig davon in Bewegungsenergie, die die Altgase durch den Auslaßkanal drückt. Für den Einlaß gilt prinzipiell das Gleiche. Ein spätes "Einlaß öffnet" sorgt für einen Unterdruck im Zylinder, der die Frischgase stark beschleunigt, was wiederum zu guten Füllungsgraden führt. Wichtig auch hier, daß sehr schnell große Einlaßquerschnitte freigegeben werden, um auch bei hohen Drehzahlen hohe Gasgeschwindigkeiten zu realisieren ohne störende Verwirbelung. Die Verwirbelung findet erst im Übergang von Kanal zu Zylinder statt, durch die Stege (23) im Öffnungsschlitz und die abrupte Querschnittänderung von Kanal zu Zylinder, was ähnlich einer Blende für Verwirbelung sorgt.

Die mechanischen Verluste sind sehr viel geringer, als bei Ventilsteuerungen. Lediglich die Rollreibung der Wälzlager und die Gleitreibung der drehenden Dichtringe zählen zu den Verlusten.

Ein so ausgeführter Motor mit 4 Zylinder und einem Drehschieber oder 8 Zylinder und 2 Drehschieber bringt neben den bisher aufgeführten Vorteilen auch die Vorteile einer geringeren Bau­ höhe, eines geringeren Gewichtes und einer geringeren Anzahl von Bauteilen als ein Motor mit konventionellem Ventiltrieb. Auch diese Vorteile bringen letztlich eine höhere Wirtschaft­ lichkeit.

In den Zeichnungen ist dargestellt

Fig. 1
 1 Kolben
 2 Kurbelwelle
 3 Schraubenradgetriebe i=2 : 1 mit Antriebswelle für Drehschieber (6)
 4 Zylinderbüchse
 5 Dichtring, drehend angeordnet und durch Federring (13) gegen den Drehschieber gedrückt
 6 Drehschieber mit koaxialen Kühlkanälen (Ansicht B 20)
 7 Zündkerze
 8 Verteiler
 9 Ansaugkanal
10 Auspuffkanal
11 Kühlwasserzufluß
12 Wälzlager
13 Federscheibe
14 Zylinderkopf
15 Kühlwasserabfluß

Fig. 2a-c
Seitenansicht + Draufsicht von Drehschieber (6)
20 Kühlkanäle im Drehschieber
21 Auslaßöffnungsschlitz
22 Einlaßöffnungsschlitz
23 Stege in den Öffnungsschlitzen

Claims (7)

1. Drehschieber für die Gaswechselsteuerung vom Verbrennungs­ motor, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehschiebermitte außerhalb der Zylinder und der Drehschieber selbst zwischen Zylinderkopf und Zylinder angeordnet ist.

2. Scheibenförmig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber sehr steif ausgeführt ist, um hohe Kräfte aufzunehmen mit koaxialen Kühlkanälen ähnlich einer innenbelüfteten PKW-Bremsscheibe.

3. Wälzgelagert nach Anspruch 1 + 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzlager außerhalb der Öffnungsschlitze ange­ ordnet sind und leicht zu schmieren sind ohne den Ölverbrauch des Motors zu beeinflussen.

4. Druckausgleichssperre nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Stege in den Öffnungsschlitzen ange­ ordnet sind die verhindern, daß sich Druckunterschiede zweier Zylinder, die von einem Drehschieber überlaufen werden, über die Öffnungsschlitze ausgleichen können.

5. Strömungskorrektur nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stege in den Öffnungsschlitzen profiliert sind, um auf die Strömung Einfluß zu nehmen.

6. Einfache Abdichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß nur ein Dichtring und der drehend ange­ ordnet pro Zylinder vorgesehen ist.

7. Elektrische Zündvorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spezialzündkerze in den Dreh­ schieber eingebaut ist, die gleich viele Schleifkontakte im Zylinderkopf überläuft wie der Drehschieber Zylinder überläuft. Somit ist der Verteiler in den Zylinderkopf integriert.