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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen an
Drehventilen für Verbrennungsmotoren.
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Die Erfindung ist auf Drehventile der Art (siehe US-A-4,852,532)
anwendbar, bei der ein Ventil drehbar in einer
Zylinderkopfbohrung durch Lager gehalten wird, die dazu dienen, ein kleines
Laufspiel zwischen dem Drehventil und der Bohrung
aufrechtzuerhalten, wobei in der Umfangsfläche des Drehventils eine oder
mehrere öffnungen zu einem Kanal oder zu Kanälen im Ventil
führen, die bei Drehung des Ventils mit einer Aussparung im
Zylinderkopf in übereinstimmung gebracht werden, die zur
Verbrennungskammer des Motors führt. Bei solchen Anordnungen werden
Gasverluste in einer Umfangsrichtung um das Ventil herum durch
sich axial erstreckende Dichtungseinrichtungen, die in Nuten im
Zylinderkopf angeordnet sind und die durch Federbelastung mit
der Umfangsfläche des Drehventils in Berührung kommen,
verhindert. Solche Axialdichtungen sind auf -eaer Seite der Aussparung
im Zylinderkopf angeordnet.
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Wie es detaillierter im Zusammenhang mit der Beschreibung der
spezifischen Ausführung der Erfindung erläutert wird, können
solche Axialdichtungen während der Drehung des Ventus hohen,
plötzlichen Beanspruchungen ausgesetzt sein. Aufgabe der
vorliegenden Erfindung ist es, ein Mittel zur wesentlichen
Verringerung des maximalen Anpreßdruckes auf die Axialdichtungen zur
verfügung zu stellen.
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Die vorliegende Erfindung besteht aus einen Drehventil für einen
Verbrennungsmotor mit einem hohlzylindrischen Ventil, wobei das
Ventil einen oder mehrere Kanäle hat, die als Öffnungen in
dessen Umfang enden, wobei das Ventil drehbar in einer
Zylinderkopfbohrung gehalten ist, in der sich das Ventil mit einer
vorbestimmten engen Spielpassung dreht, wobei die Öffnungen
periodisch über eine Aussparung in der Zylinderkopfbohrung laufen,
wobei die Aussparung mit einer Verbrennungskammer in Verbindung
steht, wobei das Ventil in einer Umfangsrichtung mittels axial
verlaufender Dichtungen gasdicht gegen die Verbrennungskammer
abgedichtet ist, von denen zumindest jeweils eine in
Umfangsrichtung an jeder Seite der Aussparung angeordnet ist, dadurch
gekennzeichnet, daß das Ventil außerdem eine Zunge aufweist, die
von der vorderen Kante von zumindest einer der Öffnungen
vorsteht, wobei die Zunge von der Kante der Öffnung über ein Ausmaß
vorsteht, das ausreichend ist, um in radialer Richtung eine oder
mehrere der axial verlaufenden Dichtungen während jener Periode
abstützend zu halten, in der sich die vordere Kante der Öffnung
über diese Dichtungen hinwegbewegt.
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Um den Charakter der Erfindung besser verstehen zu können, ist
hierin nachfolgend eine bevorzugte Ausführung der Erfindung in
Form eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben die folgendes bedeuten:
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Fig. 1 ist ein Längsschnitt eines Drehventils, auf das sich die
Erfindung bezieht;
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Fig. 2 ist ein Schnitt entlang der Linie A-A von Fig. 1;
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Fig. 3 ist ein Teilschnitt des Bereiches C von Fig. 2;
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Fig. 4 ist ein Schnitt entlang der Linie B-B von Fig. 2;
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Fig. 5 ist ein schematische Ansicht des Ventus, wenn die
Vorderkante der Auslaßöffnung über eine Axialdichtung läuft;
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Fig. 6 ist eine schematische Ansicht einer Axialdichtung und des
angrenzenden Bereiches des Ventus, die wirkenden Kräfte zeigt;
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Fig. 7 ist eine Ansicht wie in Fig. 5 in einem späteren Stadium
der Ventildrehung;
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Fig. 8 ist eine Ansicht wie in Fig. 6, die den Einfluß der gemäß
der Erfindung vorgesehenen Zunge darstellt;
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Fig. 9 ist eine Seitenansicht des Rotors, der die gemäß der
vorliegenden Erfindung vorgesehene Zunge zeigt;
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Fig. 10 ist ein Schnitt entlang der Linie D-D von Fig. 9; und
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Fig. 11 ist ein Diagramm, das das Winkelausmaß der Zunge zeigt.
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In den Zeichnungen ist das Drehventil 10 durch Rollenlager 13
drehbar so in einer Bohrung 11 des Zylinderkopfes 12 gehalten,
daß ein sehr enges Spiel zwischen der Umfangsfläche des Ventils
10 und der Bohrung 11 vorhanden ist. Die Auslaßöffnung 14 im
Ventil 10, die mit der Auslaßöffnung 15 in Verbindung steht,
stimmt nach jeder Umdrehung des Ventils mit der Aussparung 16 im
Zylinderkopf 12 überein, die zur Verbrennungskammer 17 führt. In
einem anderen Drehabschnitt des Ventils 10, wie er speziell in
Fig. 1 und 2 gezeigt ist, stimmt die Einlaßöffnung 14a mit der
Aussparung 16 überein und verbindet somit die Verbrennungskammer
17 mit dem Einlaßkanal 15a.
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Der Durchtritt von Gas von der Verbrennungskammer 17 entlang der
Bohrung 11 in einer axialen Richtung ist durch die
Umfangsdichtungen 18 verhindert. Der Durchtritt von Gas von der
Verbrennungskammer 17 in einer Umfangsrichtung wird durch die axial
verlaufenden Dichtungen 19 und 19a verhindert (Fig. 2). Diese
sind in Blindschlitzen 21 angeordnet und sind durch Blattfedern
22 vorbelastet, um mit der Oberfläche des Ventils 10 in
Berührung zu kommen, wobei die Oberfläche der Axialdichtungen 19 und
19a, die die Oberfläche des Drehventils 10 berührt, gerundet
ist, um sich eng an diese Oberfläche anzupassen.
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Während der Ansaug- und Auslaßtakte ist der einzige Mechanismus,
der die Berührung zwischen dem Ventil 10 und jeder Axialdichtung
19 oder 19a bewirkt, die Vorbelastung auf die Feder 22. Bei den
Verdichtungs- und Verbrennungstakten tritt das unter hohem Druck
stehende Gas von der Verbrennungskammer 17 in den Hohlraum 23
ein und zwingt die Axialdichtung 19 und 19a in dichtende
Berührung mit der Außenwand 20 des Schlitzes 21 (Fig. 3). Weiterhin
drückt der Druck unter der Axialdichtung 19 und 19a die
Axialdichtungen gegen das Drehventil 10. Da die Oberfläche der
Axialdichtung so geformt ist, daß sie der Form der Oberfläche des
Ventils 10 entspricht, ist der Anpreßdruck zwischen der
Axialdichtung und dem Ventil der gleiche wie der Zylinderdruck, der
die Axialdichtung in Berührung mit dem Ventil zwingt. Der
Zylinderdruck könnte unter bestimmten Umständen 1200 psi (84 kp/cm²)
oder sogar noch mehr erreichen.
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Somit ist während der Verdichtungs- und Arbeitstakte der
Anpreßdruck zwischen den Axialdichtungen 19 und 19a und dem Ventil 10
auf die Größe des Zylinderdruckes beschränkt.
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Diese Situation wird jedoch während der Periode kurz vor der
übereinstimmung der Auslaßöffnung 14 mit der Aussparung 16
wesentlich verändert. Nachdem die Vorderkante 24 der Auslaßöffnung
14 beginnt, die vordere Axialdichtung 19 zu überqueren, ist die
Lagerfläche zwischen dem Ventil 10 und der Axialdichtung 19
stark verringert. Wenn die Vorderkante 24 der Auslaßöffnung 14
noch nicht die innere Stimseite 25 der Axialdichtunglg 19
passiert hat, ist hinter der Axialdichtung 19 noch der volle
Zylinderdruck vorhanden. Die Situation mit der h:chsten Belastung
tritt kurz vor dem Übereinstimmen der Auslaßöffnung 14 mit der
Aussparung 16 ein, d.h. wenn die Vorderkante 24 der
Auslaßöffnung 14 die innere Stirnfläche der Axialdichtung 19 überquert.
Diese Situation ist in Fig. 5 dargestellt. Die Belastung an der
Unterseite der Axialdichtung 19 wirkt nun über die
Axialdichtungsauflage
auf schmale Bänder 26 der Ventiloberfläche, die in
Axialrichtung außerhalb der axialen Außenabschnitte der
Auslaßöffnung und innerhalb der sich in Umfangsrichtung erstreckenden
Nuten 27 angeordnet sind und die Umfangsdichtungen 18 aufnehmen
(Fig. 6).
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Normalerweise haben diese schmalen Bänder eine minimierte
Breite, um ihr Spaltvolumen zu minimieren. Sie sind normalerweise 6
mm breit. Ihre kombinierte Breite ist normalerweise kleiner als
20% und größer als 14% der Gesamtlänge der Axialdichtung. Unter
der Annahme, daß die Belastung auf die Axialdichtungen gleichmä
ßig über diese schmalen Bänder verteilt ist, erhöht sich der
durchschnittliche Druck um einen Faktor zwischen 500 und 700
Prozent. Da der Zylinderdruck normalerweise 60 psi (4,2 kp/cm2)
beträgt, wenn sich das Auslaßventil öffnet, wird der
durchschnittliche Anpreßdruck auf etwa 400 psi (28 kp/cm2) erhoht,
noch gut unter den Druck, der während des Verbrennungstaktes
herrscht. Wenn jedoch die Axialdichtungen schmaler sind, werden
sie wie bei einem Träger, der durch die Oberfläche an den Kanten
28 der Auslaßöffnung 14 einfach gelagert ist, ausgelenkt. Das
hat eine sehr hohe Streckenbelastung entlang den Kanten 28 zur
Folge.
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Nachdem die Vorderkante 24 der Auslaßöffnung sich hinter die
innere Stirnfläche 25 der Axialdichtung 19 gedreht hat, befindet
sich die Auslaßöffnung 14 in direkter Verbindung mit dem
Hohlraum 23 und der Druck hinter der Axialdichtung 19 bricht
zusammen. Dieser Zustand ist in Fig. 7 gezeigt. Normal ist hierbei
eine Periode von etwa 12 Grad Kurbelwellendrehung zwischen der
Vorderkante 24 der Auslaßöffnung 14, die die innere Stirnfläche
25 der Axialdichtung 19 passiert und ihrem Passieren der inneren
Stirnfläche 31 der Aussparung 16. Während dieser Periode ist die
Strömung des Zylindergases von der Verbrennungskammer auf die
Strömung begrenzt, die durch den Raum 32 strömen kann, der durch
das enge Radialspiel zwischen der Umfangsfläche des Ventils 10
und der Zylinderkopfbohrung 11 gebildet wird. Der Hohlraum 23 um
die Axialdichtung herum ist jedoch während dieser Periode direkt
zur Auslaßöffnung 14 hin offen und der Druck hinter der
Axialdichtung 19 bricht infolgedessen sehr schnell zusammen. Nachdem
dieser Druck zusammengebrochen ist, wird angenommen, daß unter
der Axialdichtung ein Druck in der gleichen Größenordnung
herrscht, wie der Druck in der Auslaßöffnung 14. Dieser Druck
wirkt direkt auf die obere Fläche 33 der Axialdichtung 19 und
wirkt somit dem Druck unter der Axialdichtung 19 entgegen.
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Es herrscht dann wiederum eine Situation, in der der Anpreßdruck
zwischen der Axialdichtung 19 und den schmalen Bändern 26 der
Ventiloberfläche, der die Axialdichtung stützt, zu einer solchen
Größenordnung zurückgekehrt ist, wie der Druck im Hohlraum 23.
Es ist dann kein Biegemoment mehr vorhanden, das ein Auslenken
der Dichtung und eine Belastungskonzentration verursacht.
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Aus der vorherigen Analyse wird deutlich, daß es kurz vor dem
Übereinstimmen der Auslaßöffnung 14 mit der Aussparung 16 zu
einer starken Erhöhung des Anpreßdruckes an die Axialdichtung 19
bei kleinen Kurbelwellendrehwinkeln (normalerweise 12 bis 20
Grad) kommt. Das ergibt sich aus der stark reduzierten
Lagerfläche (500-700%) und der Streckenkonzentration der
Reaktionsbelastung auf Grund der Biegung der einfach gelagerten
Axialdichtungen 19.
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DIE vorliegende Erfindung minimiert die Konzentration der
Reaktionsbelastung durch Lagerung der Axialdichtung mittels einer
schmalen Zunge 34, die in der Mitte der Auslaßöffnung 14
angeordnet ist. Diese Zunge 34 steht zum Mittelpunkt der Öffnung 14
hin um einen Winkel A (siehe Fig. 10) vor, wobei der Winkel A
größer ist als der Winkel B (siehe Fig. 11) - der Winkel
zwischen der äußeren Stirnfläche 29 der Axialdichtung 19 und der
inneren Stirnfläche 25 der Axialdichtung 19 - und kleiner als
der Winkel C zwischen der äußeren Stirnfläche 29 der
Axialdichtung 19 und der Stirnfläche 31 der Aussparung 16 unmittelbar
neben dieser Axialdichtung (siehe Fig. 11).
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Die Außenfläche der Zunge 34 weist das gleiche Profil auf, wie
das der äußeren zylindrischen Fläche 35 des Ventils 10 (Fig.
10). Die Zunge 34 stützt die Mitte der Axialdichtung 19 in der
Periode ab, in der die Vorderkante 24 der Auslaßöffnung 14 die
Axialdichtung 19 überquert. Sie verhindert das Abbiegen der
Mitte der Axialdichtung 19 und die sich daraus ergebende
Strekkenlastkonzentration an den Kanten 28 (Fig. 6) der Auslaßöffnung
14. Es gibt dann zwar noch eine Abbiegung, die jedoch minimal
ist, d.h. in der Größe von 2,5 Prozent der vorher vorhandenen
Abbiegung. Da der Grad der Lastkonzentration eine Funktion der
Abbiegung der Axialdichtung ist, ist daraus ersichtlich, daß die
Auflagerwirkung der Zunge dieses Problem in hohem Maße
verringert.
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Die Breite der Zunge 34 in Axialrichtung kann gering sein, wobei
trotzdem ein annehmbarer Anpreßdruck aufrechterhalten wird. Es
kann gezeigt werden, daß die Breite der Zunge so klein sein
kann, daß sie 12% der gesamten Axialdichtungslänge beträgt,
wobei noch ein Anpreßdruck von 300 psi (21,1 kp/cm2) oder etwa
einem Drittel des Druckes aufrechterhalten wird, der während der
Verbrennungsphase wirkt, in der der Zylinderdruck 1200 psi (84,4
kp/cm2) oder größer sein kann.
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Durch Fachleute wird eingeschätzt, daß zahlreiche Variationen
und/oder Modifikationen zur Erfindung ausgeführt werden können,
wie sie in den spezifischen Ausführungen gezeigt ist, ohne von
der Wesensart oder vom Umfang der Erfindung, wie sie ausführlich
beschrieben ist, abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungen sind
daher in jeder Hinsicht als erläuternde und nicht als
eingrenzende Ausführungen zu betrachten.