DE69318581T2

DE69318581T2 - Drehventil mit dichtung

Info

Publication number: DE69318581T2
Application number: DE69318581T
Authority: DE
Inventors: Andrew Thomas; Anthony Wallis
Original assignee: A E BISHOP RESEARCH Pty
Current assignee: A E BISHOP RESEARCH Pty
Priority date: 1992-11-06
Filing date: 1993-11-03
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2013-11-04
Also published as: JPH08503048A; US5509386A; EP0746673A4; WO1994011619A1; AU668623B2; JP3287847B2; EP0746673A1; AU5412294A; DE69318581D1; EP0746673B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Drehventile von Verbrennungsmotoren mit Öl-Abdichtungseinrichtungen, Gas-Abdichtungseinrichtungen und Dekompressionseinrichtungen, um eine genaue Funktion der Gas-Abdichtungseinrichtungen zu ermöglichen.
Die Druckschrift US-A 4,852,532 offenbart ein Drehventil eines Verbrennungsmotors mit einem zylindrischen Ventil, Lagereinrichtungen an jedem Ende dieses Ventus, durch die das Ventil drehbar in einer Bohrung des Zylinderkopfes des Motors gehalten ist, wobei ein kleiner, radialer Spalt zwischen dem Ventil und der Bohrung sowie Verbindungseinrichtungen zwischen der Verbrennungskammer und dem kleinen, radialen Spalt vorgesehen sind, und Gas-Abdichtungseinrichtungen, die dazu ausgestaltet sind, um das axial nach außen gerichtete Austreten von Gas aus der Verbrennungskammer durch den kleinen, radialen Spalt zu minimieren, wobei jede Gas-Abdichtungseinrichtung aus mindestens einem Umfangs-Abdichtungselement vom Typ eines Kolbenrings besteht, das in zumindest einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Nut eingesetzt ist, die in der Bohrung des Zylinderkopfes ausgebildet und in radialer Richtung gegen die jeweils andere Fläche vorgespannt ist.
Die Druckschrift US-A 4,019,487 offenbart ein Drehventil, das dem in der US-A 4,852,532 offenbarten ähnlich ist, und ebenfalls zur Schmierung der Lagerein richtungen Öl einschließt sowie zwischen den Lagereinrichtungen axial innenliegende Öl-Abdichtungseinrichtungen enthält, die dazu ausgestaltet sind, um das axial nach innen gerichtete Austreten von Öl durch den kleinen, radia len Spalt zur Verbrennungskammer zu verhindern, wobei es zwischen den Lagereinrichtungen und Öl-Abdichtungseinrichtungen einen Raum gibt, der Öl enthält.
Die Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Abdichten eines in den Lagerflächen befindlichen Schmiermittels und, in manchen Fällen, eines für Kühlzwecke vorhandenen Schmiermittels aus der Verbrennungskammer eines Drehschieber-Verbrennungsmotors sowie Einrichtungen zum Abdichten des axialen Ausströmens von Gasen aus der Verbrennungskammer bereit. Die Erfindung ist auf Zweitakt- wie auch Viertakt-Verbrennungsmotore anwendbar. Sie ist für jede beliebige Drehventilanordnung relevant, in der das Drehventil so ausgebildet ist, daß ein mittleres Funktionsteil in einem Gehäuse rotiert und in Lagern gelagert ist, die einen kleinen Laufspalt zwischen dem Drehventil und seinem Gehäuse aufrechterhalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Drehventil vorgesehen, wie es im Patentanspruch 1 präzisiert ist.
Bevorzugte Merkmale des Drehventils nach Patentanspruch 1 sind in den Patentansprüchen 2 bis 9 im einzelnen bezeichnet.
Zum besseren Verständnis der charakteristischen Eigenschaft der Erfindung ist nachstehend ein Ausführungsbeispiel davon mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beispielhaft beschrieben.
Sie zeigen in
Fig. 1 eine Ansicht im Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Drehventilanordnung, die in der Bohrung eines Zylinderkopfes angeordnet ist;
Fig. 2 eine Ansicht im vergrößerten Maßstab des Teils A in Fig. 1, die Einzelheiten des Abdichtungsaufbaus darstellt;
Fig. 3 die Schnittansicht eines ringförmigen Bauteils, das einen Teil des Abdichtungsaufbaus bildet;
Fig. 4 eine Ansicht des Teils B in Fig. 3 in vergrößertem Maßstab;
Fig. 5 die schematische Ansicht eines Teils des Abdichtungsaufbaus zur Veranschaulichung seiner Funktion;
Fig. 6 die schematische Ansicht eines Teils des Abdichtungsaufbaus, der eine Einrichtung zum Steuern seiner Funktion veranschaulicht;
Fig. 7 eine der Fig. 5 ähnliche Ansicht, die eine Modifizierung der in Fig. 5 dargestellten Ausführung zeigt; und
Fig. 8 eine der Fig. 7 ähnliche Ansicht, die eine Modifizierung der in Fig. 7 dargestellten Ausführung zeigt.
Eine die Erfindung enthaltende typische Drehventilanordnung ist in Fig. 1 dargestellt. Die nicht auf die vorliegende Erfindung bezogenen Ausführungsmerkmale sind in dieser Fig. 1 enthalten und werden nicht beschrieben.
Das Drehventil 10 wird durch zwei Nadelrollenlager 11 gelagert. Der mittlere Teil des Ventils (d.h. der zwischen den Lagern gelegene Bereich) rotiert, während immer ein kleiner, radialer Spalt zu der Bohrung 20 des Zylinderkopfes 12 beibehalten wird. Das axiale Ausströmen von Gasen aus der Verbrennungskammer 13 wird durch das Vorhandensein von Umfangs-Abdichtungselementen 14 verhindert.
Die Abdichtungselemente 14 sind vom Typ eines Kolbenrings und sind in diesem Beispiel in Nuten 27 (Fig. 2) in das Drehventil eingesetzt, die sich in Umfangsrichtung erstrecken, und ihre Umfangsfläche ist gegen die Bohrung 20 des Zylinderkopfes 12 vorgespannt. Die Abdichtungselemente 14 besitzen zwischen ihren Enden notwendigerweise einen sehr kleinen Spalt, der etwas Leckage hinter dem Element möglich macht. Mit "Ringspalt" wird darauf in der Beschreibung verwiesen.
Die Abdichtungselemente 14 weisen einen kleinen, axialen Spalt zu ihren Nuten 27 auf. Die Abdichtungselemente 14 müssen gegen die axial äußeren, radialen Flächen 28 der Nuten 27 gepreßt werden, damit das axiale Ausströmen des Gases aus der Verbrennungskammer abgedichtet wird. Wenn das geschieht, wird das Austreten von Gas hinter den Abdichtungselementen 14 auf die Menge beschränkt, welche durch die von dem Ringspalt gebildete, kleine Fläche und den radialen Spalt der Umfangsfläche des Ventils 10 zu der Bohrung 20 des Zylinderkopfes 12 strömen kann.
Es ist nicht möglich, die Abdichtungselemente 14 gegen die axial äußeren, radialen Flächen 28 der Nuten 27 vorzuspannen, weil das die zuführung eines beliebigen Schmiermittels zwischen die axial äußeren, radialen Flächen 28 der Nuten 27 und die axial äußere, radiale Fläche 29 des Abdichtungselements 14 verhindert. Folglich ist das Aufsetzen des Abdichtungselements 14 gegen die axial äußere, radiale Fläche 28 angewiesen auf den Aufbau eines ausreichenden Druckabfalls über dem Abdichtungselement 14, um es gegen die radiale Fläche 28 axial nach außen zu drücken.
In einem Raum 23 zwischen den Nadelrollenlagern 11 und den Abdichtungseinrichtungen 16 ist Öl als Mittel zum Schmieren der Rollenlager 11 und zum Kühlen des Drehventils 10 vorhanden, das durch die vorgegossenen Kanäle 15 im Drehventil 10 strömt.
Durch die vorhandenen Abdichtungseinrichtungen 16 wird verhindert, daß sich das Öl in die Verbrennungskammer 13 bewegt. Die Abdichtungseinrichtung 16 besteht aus dem ringförmigen Bauteil 17 und dem O-Ring 21.
Jede Abdichtungseinrichtung 16 wirkt wie eine Seitenflächen- Einwegventil-Kombination. Damit die Abdichtungseinrichtung 16 genau arbeitet, sind folgende fünf Merkmale erforderlich (siehe Fig. 2).
a) Ringförmiges Bauteil 17. Die Einzelheiten des ringförmigen Bauteils 17 sind in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Das ringförmige Bauteil ist ein Ring mit kreisförmigem Querschnitt mit einer sich im Umfang erstreckenden Nut in seiner Umfangsfläche und einer feingeschliffenen, radialen Fläche 18, die gegen die radiale Fläche 19 des Ventils aufsitzt. Der Ring mit kreisförmigem Querschnitt kann aus Gußeisen oder einem anderen geeigneten Werkstoff hergestellt sein. Dieser Werkstoff muß eine (für Metalle typische) hohe Steifigkeit aufweisen, da die Querschnittshöhe gegenüber derjenigen des das Ventil tragenden Nadelrollenlagers 11 begrenzt ist, wobei die Höhe typischerweise nur 4 mm beträgt. Außerdem muß der Werkstoff in der Lage sein, einem Stoß ohne lokale Verformung oder ohne Verlust der Ebenheit auf der radialen Fläche 18 des ringförmigen Bauteils 17 zu widerstehen, da die Funktion der Abdichtungseinrichtung 16 das Wegbewegen des ringförmigen Bauteils 17 von der radialen Ventilfläche 19 einschließt, dem sich unter der Wirkung der Wellenfeder 22 seine Rückkehr zur radialen Fläche 19 anschließt. Das ist eine große Abweichung zur Praxis der Flächenabdichtung, bei der es für eines der Flächenabdichtungselemente üblich ist, daß sie aus Kohlenstoff bestehen. In dieser Anmeldung weist Kohlenstoff eine nicht ausreichende Steifigkeit und Festigkeit auf.
b) "O"-Ring 21
c) Wellenfeder 22
d) Radiale Ventilfläche 19 an dem Drehventil 10, deren Ebene sich senkrecht zur Achse des Ventils 10 befindet. Diese Vorderseite am Ventil 10 ist eine geschliffene Fläche. Sie ist wegen der schwierigen Eigenschaft eines solchen Arbeitsganges am vollständigen Ventil 10 nicht feingeschliffen. Das ist eine große Abweichung zur Praxis der Flächenabdichtung, bei der es für beide zusammenpassenden Flächen wesentlich ist, daß sie feingeschliffen sind, wenn eine zufriedenstellende Ausführung der Abdichtung erreicht werden soll.
e) Der mit Öl gefüllte Raum 23 ist so angeordnet, daß immer Öldruck vorhanden ist, der auf die hintere Fläche der Abdichtungseinrichtung 16 wirkt. Der größte Wert des Öldrucks ist nicht wichtig, solange er durch eine gewisse, wenn gleich kleine Größe positiv ist. Es muß in diesem Raum 23 Vorsorge dafür getroffen werden, daß das darin enthaltene Öl nach innen und außen strömt.

Funktionsweise

Wenn sich der Motor in Ruhe befindet, wird die radiale Fläche 18 des ringförmigen Bauteils 17 durch die vorhandene Feder 22 in einen Kontakt mit der radialen Ventilfläche 19 gedrückt. Der Öldruck im Raum 23 ist gleich Null. Somit wird verhindert, daß das Öl hinter diese beiden Flächen wandert. Das Austreten von Öl hinter der Umfangsfläche des ringförmigen Bauteils 17 wird durch das Vorhandensein des O-Rings 21 verhindert.
Bei Betrieb des Motors wird die Situation komplexer. Wenn sich der Kolben beim Einlaß-, Verdichtungs-, Expansions- und Ausstoßhub des Viertaktspiels im Zylinder nach oben und unten bewegt, wird in der Verbrennungskammer 13 ein sich zyklisch verändernder Druck aufgebaut. Wenn das Drehventil 10 einen radialen Spalt zur Bohrung 20 des Zylinderkopfes 12 aufweist, wird dieser Druck direkt zu der Nut 27 im Ventil übertragen, die das Abdichtungselement 14 enthält. In Abhängigkeit von der Reaktion des Abdichtungselements 14 wird etwas von dem Druck oder der gesamte Druck auf die ringförmige Aussparung 24 zwischen dem Abdichtungselement 14 und dem O-Ring 21 übertragen.
Die Einzelheiten der Arbeitsweise während dieser Takte sind:

Ansaughub

Während dieses Taktes bewegt sich der Kolben im Zylinder nach unten, indem er Luft aus der Einlaßstrecke einzieht. Ein Unterdruck, der in der Größe von 20 kPa bis 90 kPa variiert, wird in Abhängigkeit von der Stellung der Drosselklappe erzeugt. Wenn es keine Vorspannung auf das Abdichtungselement 14 gibt, um es in einen abdichtenden Kontakt mit der Ventilnut 27 zu pressen, wird dieser Druck in der ringfömigen Aussparung 24 vorhanden sein. Wenn der Öldruck in dem Raum 23 positiv ist, besteht über der radialen Fläche 18 ein Druckgradient, der versucht, das Öl aus dem Raum 23 in die ringförmige Aussparung 24 zu treiben. Da die beiden zusammenpassenden Flächen dieser Abdichtung nicht feingeschliffen sind, werden sie nicht wie eine perfekte Flächenabdichtung wirken, und es wird zwischen den radialen Flächen 18 und 19 in Richtung der ringförmigen Aussparung 24 eine kleine Menge wandernden Öls auftreten.

Verdichtungshub

Wenn der Kolben beginnt, sich im Zylinder nach oben zu bewegen, und das Einlaßventil schließt, beginnt der Druck im Zylinder schnell anzusteigen. Gleichfalls wird der Druck in der Aussparung 25 neben dem Abdichtungselement 14 ansteigen. Wiederum wird, wenn der Ring nicht vorgespannt ist gegen die axial äußere, radiale Fläche 28 der Aussparung 27, in die er eingesetzt ist, Gas hinter das Abdichtungselement 14 in die ringförmige Aussparung 24 strömen, wobei ein weiteres Entweichen durch die vorhandene Abdichtungseinrichtung 16 verhindert wird. Die anschließende Folge von Ereignissen ist abhängig von der Anfangsstellung des Abdichtungselements 14 in der Nut 27 zu Beginn des Verdichtungshubes. In dem Fall, daß sich die axial äußere, radiale Fläche 29 des Abdichtungselements 14 in großem Abstand von der axial äußeren, radialen Fläche 28 der Ventilnut 27 befindet, wird zwischen diesen Flächen ein sehr geringer Strömungswiderstand des Gases vorhanden sein, und es wird einen unzureichenden Druckabfall über dem Abdichtungselement 14 geben, um es in einen abdichtenden Kontakt mit der Nut 27 zu drücken. Folglich wird der Druckanstieg in der ringförmigen Aussparung 24 sehr steil sein und unmittelbar demjenigen in der Verbrennungskammer 13 folgen. Wenn der Zylinderdruck weiter zunimmt, wird eine Stufe erreicht, bei der der Druck in der ringförmigen Aussparung 24 ausreichend sein wird, um die Feder 22 zusammenzudrücken und das ringförmige Bauteil 17 abzuheben.
Das mit hohem Druck in der ringförmigen Aussparung 24 vorhandene Gas wird dann zwischen den radialen Flächen 18 und 19 in das Öl im Raum 23 entweichen. Der sich ergebende plötzliche Zusammenbruch des Druckes in der ringförmigen Aussparung 24 führt zu einem ausreichenden Druckabfall zwischen der Aussparung 25 und der ringförmigen Aussparung 24, um das Abdichtungselement 14 in einen abdichtenden Kontakt mit der axial äußeren, radialen Fläche 28 in der Nut 27, die es enthält, zu drücken. Das Austreten von Luft aus der Aussparung 25 in die ringförmige Aussparung 24 wird jetzt auf die Luft beschränkt, die nur durch den Ringspalt im Abdichtungselement 14 austreten kann, wobei dieser sehr klein ist und es ermöglicht, daß nur eine kleine Menge hindurchgeht.
In dem Fall, daß sich die axial äußere, radiale Fläche 29 des Abdichtungselements 14 in einem kleinen Abstand von der axial äußeren, radialen Fläche 28 der Nut 27 befindet; wird ein erheblicher Widerstand gegenüber der Strömung von Gasen zwischen diesen Flächen vorhanden sein, und es wird sich ein merklicher Druckabfall genügend entwickeln, um das Abdichtungselement 14 in einen abdichtenden Kontakt mit der Nut 27 zu schieben. Die Durchflußmenge in der ringförmigen Aussparung 24 wird jetzt auf diejenige beschränkt, die durch den Ringspalt strömen kann, und der Druckanstieg wird verhältnismäßig gering sein, wobei er weit hinter dem Druckanstieg in der Verbrennungskammer zurückbleibt. Trotz der niedrigen Leckagegröße führt das kleine Volumen der ringförmigen Aussparung 24 im allgemeinen schließlich zu dem Druck in der ringförmigen Aussparung 24, der den zum Abheben des ringförmigen Bauteils 17 notwendigen Druck überschreitet. Es gibt jedoch einige Umstände, bei denen die Größe des Sickerverlustes des Gases in die ringförmige Aussparung 24 genügend gering ist, um ein Abheben des ringförmigen Bauteils 17 zu verhindem. Wenn zum Beispiel der Motor mit geringer Belastung oder bei Nullast betrieben wird, ist der Druckanstieg in der Verbrennungskammer gering, und der maximale Druck ist normalerweise niedrig. In einigen Verhältnissen kann der maximale Druck im Zylinder nicht ausreichend sein, um das ringförmige Bauteil 17 abzuheben. Unter anderen Umständen kann der Zylinderdruck nicht ausreichend sein, um in der verfügbaren Zeit genug Gas durch den Ringspalt zu treiben, um den zum Abheben des ringförmigen Bauteils 17 notwendigen Druck zu erzielen.
Es nicht möglich, in einem Motor die Stelle des Abdichtungselements 14 bezogen auf die axial äußere, radiale Fläche 28 der Nut 27 zu kontrollieren. Die gasabdichtende, Ölabdichtende Anordnung wird deshalb einen Verhaltensbereich zwischen den beiden oben ausgeführten Extremen bereitstellen. Es ist wichtig anzumerken, daß in einigen Fällen die genaue Funktion des Abdichtungselements 14 nur durch das Abheben des ringförmigen Bauteils 17 erzielt werden kann. In anderen Fällen kann ein genaues Funktionieren des Abdichtungselements 14 ohne Abheben des ringförmigen Bauteils 17 erzielt werden, jedoch wird die Leckage hinter dem aufgesetzten Abdichtungselement 14 im allgemeinen einen ausreichenden Druck in der ringförmigen Aussparung 24 ergeben, um schließlich das ringförmige Bauteil 17 abzuheben.
Das Vorhandensein des Raumes 23 mit leicht druckbeaufschlagtem Öl hinter der Abdichtungseinrichtung 16 ist für die Energieausbreitung wesentlich, wenn das ringförmige Bauteil 17 das erste Mal abgehoben wird. Es ist die in Fig. 5 dargestellte Situation zu berücksichtigen. Wenn das ringförmige Bauteil 17 im Kontakt mit den radialen Flächen 18 und 19 aufgesetzt wird, ist die zum Abheben wirkende Endkraft das Produkt des Druckes in der ringförmigen Aussparung 24 und der Fläche, die zwischen dem Außendurchmesser des ringförmigen Bauteils 17 und der Bohrung 20 des Zylinderkopfes 12 enthalten ist. Sobald das ringförmige Bauteil 17 (wie dargestellt) abgehoben ist, kann der Luftdruck nunmehr über die gesamte radiale Fläche 18 des ringformigen Bauteils 17 wirken. Die Verhältnisse dieser Flächenbereiche überschreiten typischerweise den Wert 100. Das ergibt eine sehr große Impulskraft, die wirkt, um das ringförmige Bauteil 17 rückwärts zu beschleunigen. Das Vorhandensein des Öls um das Hinterteil der Abdichtungseinrichtung 16 herum bedeutet, daß es aus dem Raum 23 heraus durch seine Verbindung zum vorgegossenen Kanal 15 verschoben werden muß, wenn sich die radiale Fläche 18 von der zusammenpassenden, radialen Fläche 19 auf dem Ventil weg bewegt. Das Öl im Raum 23 wirkt somit wie ein Stoßdämpfer, d.h. wie das Hinzufügen einer Dämpfungskraft, die proportional zur axialen Geschwindigkeit des ringförmigen Bauteils 17 ist.

Expansionshub

Während des Expansionshubes erreicht der Druck in der Verbrennungskammer in Abhängigkeit von der Einstellung der Drosselklappe Größen von bis zu 1 000 psi (6 895 kPa) oder sogar größer. In den meisten Fällen wurde das ringförmige Bauteil 17 während des Verdichtungshubes abgehoben und das Abdichtungselement 14 gegen die axial äußere, radiale Fläche 28 der Nut 27 aufgesetzt. Eine kleine Menge Gas, die durch den Ringspalt im Abdichtungselement 14 austritt, hält einen kleinen Überdruck in der ringförmigen Aussparung 24 aufrecht. Das ringförmige Bauteil 17 bleibt abgehoben, und diese Luft wird in den Raum 23 getrieben.

Ausstoßhub

Sobald das Auslaßventil öffnet, fällt der Druck im Zylinder schnell ab, und das ringförmige Bauteil 17 wird durch die Feder 22 erneut gegen die radiale Ventilfläche 19 aufgesetzt.
Im Obenstehenden wird deutlich, daß während jedes Motortaktes die ringförmige Aussparung 24 einem oszillierenden Gasdruck ausgesetzt ist, der normalerweise während des Ansaughubes negativ und während des Verdichtungshubes sowie des Expansionshubes positiv ist. Darüber hinaus ist Öl im Raum 23 vorhanden. Somit gibt es während einiger Teile des Motorspiels (z.B. Ansaugung) zwischen der ringförmigen Aussparung 24 und dem Raum 23 einen negativen Druckgradienten, der dazu dient, das Öl zum Wandern zwischen die radialen Flächen 18 und 19 in Richtung der ringförmigen Aussparung 24 zu zwingen. Während der anderen Teile des Motorspiels (z.B. Verdichtungshub und Expansionshub) besteht zwischen der ringförmigen Aussparung 24 und dem Raum 23 ein positiver Druckgradient, der dazu dient, das Gas in die ringförmige Aussparung 24 zwischen die radialen Flächen 18 und 19 in Richtung des Raumes 23 zu drücken. Durch die Bewegung des Gases von der ringförmigen Aussparung 24 in Richtung des Raumes 23 schiebt es beliebiges&sub1; zwischen den radialen Flächen 18 und 19 vorhandenes Öl vor sich her.
Damit tritt bei jedem Motorspiel eine Reihe von Ereignissen auf, wobei während eines Teils des Motorspiels das Öl zwischen die radialen Flächen 18 und 19 in Richtung der ringförmigen Aussparung 24 wandert, nur um durch spätere Ereignisse im Motorspiel in Richtung des Raumes 23 zurückgedrückt zu werden. Das Öl wird die ringförmige Aussparung 24 überhaupt nicht erreichen können, solange zwei Bedingungen aufrechterhalten werden.
i) Der durchschnittliche Druckgradient zwischen der ringförmigen Aussparung 24 und dem Raum 23 ist über jedem Motortakt positiv.
ii) Die Güte der radialen Flächen 18 und 19 ist zusammen mit ihrer radialen Breite ausreichend, um ein Wandern des Öls über die gesamte radiale Breite während eines beliebigen Teils des Motorspiels zu verhindern, wobei der Zylinderdruck negativ ist.
In den Ausführungen, die in den Fig. 1, 2, 5 und 6 dargestellt sind, wird die Bedingung immer erfüllt werden. Das ist ein Ergebnis der Tatsache, daß der Ansaughub nur ein Viertel der Taktzeit einnimmt und Drücke aufweist, die auf das Minimum eines Unterdrucks von 100 kPa begrenzt sind. Der Verdichtungshub und der Expansionshub nehmen die Hälfte der Taktzeit ein und erzeugen Überdrücke von 500 kPa.
In der in den Fig. 1, 2, 5 und 6 dargestellten Vorrichtung wurde angegeben, daß das ringförmige Bauteil 17 normalerweise (obwohl nicht immer) während jedes Motorspiels abgehoben ist. Das Abheben des ringförmigen Bauteils 17 ist ein spezieller Fall der oben beschriebenen Vorrichtung. Sobald das ringförmige Bauteil 17 abgehoben ist, führt der große positive Druckgradient zwischen der ringförmigen Aussparung 24 und dem Raum 23 zu einem schnellen Ausströmen des Gases aus der ringförmigen Aussparung 24 zum Raum 23. Das ausströmende Gas fördert jedes Öl vor sich her, das auf den radialen Flächen 18 und 19 vorhanden ist. Die gleiche Vorrichtung arbeitet, wenn das ringförmige Bauteil 17 aufgesetzt bleibt. Jedoch ist die Geschwindigkeit, mit der das Gas aus der ringförmigen Aussparung 24 in den Raum 23 strömen kann, wegen der kleinen verfügbaren Strömungsfläche und der Forderung scharf begrenzt, dieses sich zwischen den radialen Flächen 18 und 19 befindliche Öl vor sich her zu schieben. Die unmittelbare Nähe der radialen Flächen 18 und 19 zueinander erzeugt eine große Zähigkeitskraft und eine Kapillarwirkung im Öl, die dem Ausströmen des Gases entgegenwirken.
Bei einigen Motortypen besteht das Gas aus einem Gemisch von Luft und Kraftstoff, die in der Einlaßleitung vorgemischt werden. Wenn das ringförmige Bauteil 17 abgehoben ist, entweicht ein kleiner Bruchteil dieses Kraftstoff-Luftgemisches in den Raum 23, wo es sich mit dem darin vorhandenen Öl vermischt. Das ist eine Situation, die der im Zylinder auftretenden Situation ähnlich ist, wobei das Kraftstoff-Luftgemisch beim Verdichtungshub und Expansionshub hinter den Kolbenringen ins Kurbelgehäuse austritt. Dieses wird dann aus dem Kurbelgehäuse zurück ins Ansaugsystem und von dort zurück in den Motor ventiliert.
Im letzteren Vorgang wird eine sehr kleine Menge des Kraftstoffs mit dem Öl verbunden und wird nicht in das Ansaugsystem zurückgeführt. Die sich ergebende Volumenzunahme des Öls würde ein Problem darstellen, es sei denn, daß ihre Größe im allgemeinen klein genug ist, um das in der Verbrennungskammer hinter den Kolbenringen und abwärts hinter den Ventilstößeln verlorengegangene Öl auszugleichen.
Es gibt jedoch zwischen diesem Vorgang und dem beim Drehventil auftretenden Vorgang einen großen Unterschied. Im Fall des hinter die Kolbenringe entweichenden Gases dehnt es sich zu einem Volumen aus, das weitgehend durch Luft eingenommen wird. Im Fall des Drehventils dehnt es sich zu einem Volumen aus, das völlig durch Öl eingenommen wird. Es wurde herausgefunden, daß unter diesen Umständen der Kraftstoff im Öl leichter aufgenommen wird. Folglich ist es möglich, daß das Volumen dieses Kraftstoff-Luftgemisches schneller zunimmt, als die Größe des Ölverbrauchs, was das Problem einer deutlichen Volumenzunahme des im Ölsumpf gehaltenenen Öls schafft.
Bei Motoren, deren Luft und Kraftstoff vor dem Eintritt in den Zylinder vorgemischt wird, ist es wünschenswert, das Verhältnis, in welchem sich Kraftstoff und Öl vermischen, zu minimieren. Das wird am besten erreicht, indem die Anzahl der Abhebungen des ringförmigen Bauteils 17 und/oder die Länge der Zeit, wo das ringförmige Bauteil 17 abgehoben ist, auf ein Minimum gebracht werden. Das könnte erreicht werden, indem eine große Bohrung vorgesehen wird, welche die ringförmige Aussparung 24 mit einem Bereich bei oder in der Nähe von Umgebungsdruck verbindet. Die Leckage hinter dem Abdichtungselement 14 könnte dann ohne bedeutenden Druckanstieg in der ringförmigen Aussparung 24 in die Umgebung abgegeben werden.
Eine derartige Lösung würde es jedoch nicht ermöglichen, daß die Bedingung 1 (d.h. die Forderung nach einem durchschnittlichen positiven Druckgradienten zwischen der ringförmigen Aussparung 24 und dem Raum 23 während eines beliebigen Motorspiels) erfüllt wird. Es würde dann eine Ölleckage aus dem Raum 23 in die ringförmige Aussparung 24 auftreten.
Wenn jedoch ein Abzugskanal 31 mit einer sehr kleinen Querschnittsfläche verwendet worden wäre, um die ringförmige Aussparung 24 mit einem Bereich atmosphärischen Druckes zu verbinden, so würde ein merklicher Druckabfall über dem Abzugkanal 31 entwickelt werden, und die Bedingung 1 könnte durch eine geeignete Auswahl der Querschnittsfläche des Abzugkanals erfüllt werden. Eine solche Anordnung ist in Fig. 7 gezeigt. Der Abzugkanal 31 wurde bemessen, um zu gewährleisten, daß selbst unter der ungünstigsten Betriebsbedingung ein durchschnittlicher positiver Druckgradient zwischen der ringförmigen Aussparung 24 und dem Raum 23 beibehalten wird. Das stellt nicht sicher, daß das ringförmige Bauteil 17 nicht abgehoben werden wird, eher minimiert es die Häufigkeit des Abhebens.
Die ungünstigste Betriebsbedingung in Bezug auf die Beibehaltung eines durchschnittlichen positiven Druckgradienten zwischen der ringförmigen Aussparung 24 und dem Raum 23 tritt auf, wenn i) die Einstellungen der Motorbelastung und der Drosselklappe niedrig sind, und ii) die axial äußere, radiale Fläche 29 des Abdichtungselements 14 sich in unmittelbarer Nähe zur axial äußeren, radialen Fläche 28 der Nut 27 zu Beginn des Verdichtungshubes befindet. Das Abdichtungselement 14 sitzt unmittelbar an der axial äußeren, radialen Fläche 28 der Nut 27 auf, und die Gasströmung in die ringförmige Aussparung 24 wird auf diejenige beschränkt, die durch den Ringspalt strömen kann. Die Größe des Abzugkanals 31 ist so gewählt, daß ein dem Einströmen durch den Ringspalt etwa angepaßtes Ausströmen von Gas einen entsprechenden angemessenen Druck in der ringförmigen Aussparung 24 aufrechterhält.
Wenn andererseits die Einstellungen der Motorbelastung und der Drosselklappe hoch sind und sich die axial äußere, radiale Fläche 29 des Abdichtungselements 14 zu Beginn des Verdichtungshubes etwas im Abstand von der axial äußeren, radialen Fläche 28 der Nut 27 befindet, wird der Mengendurchfluß in die ringförmige Aussparung 24 um ein Vielfaches größer sein als im obigen Fall. Der sich ergebende große Druckaufbau in der ringförmigen Aussparung 24 wird ein Abheben des ringförmigen Bauteils 17 bewirken.
Die Häufigkeit, mit der das ringförmige Bauteil 17 abgehoben wird und das Kraftstoff-Luftgemisch in das Öl im Raum 23 freigibt, wird daher eine Funktion der Strömungsdrosselung des Abzugkanals 31 und der Betriebsbedingungen des Motors sein.
Neben dem Abzugkanal werden manchmal andere Modifizierungen notwendig sein. Auf Grund des sehr kleinen, radialen Spalts, der zwischen der Umfangsfläche des Ventils 10 und der Bohrung 20 des Zylinderkopfes 12 besteht, kann der am Eintritt zum Abzugkanal 31 verfügbare Strömungsbereich kleiner als der des Abzugkanals selbst sein. Zum Beispiel:
Wenn der radiale Spalt 0,1 mm und der Durchmesser des Abzugkanals 1,00 mm groß ist, dann beträgt die für den Abzugkanal 31 verfügbare Eintrittsfläche nur 38% der Querschnittsfläche des Abzugkanals 31. Dieses Problem kann überwunden werden durch die Anordnung des Abzugkanals 31 im Bereich zwischen der axial äußeren, radialen Fläche 28 der Nut 27 und der radialen Ventilfläche 19, indem auf den äußeren Durchmesser des Ventils eine Fläche geschliffen wird, die zwischen der axial äußeren, radialen Fläche 28 und der radialen Ventilfläche 19 angeordnet ist. Ihre Winkelstellung ist so, um zu gewährleisten, daß sie sich in Übereinstimmung mit dem Abzugkanal 31 während des Teils des Motorspiels befindet, wenn aus der ringförmigen Aussparung 24 der maximale Mengendurchfluß erforderlich ist.
Allerdings kann die Effektivität dieses Verfahrens deutlich erhöht werden, indem die Umfangsfläche des Ventils zwischen der axial äußeren, radialen Fläche 28 der Nut 27 und der radialen Ventilfläche 19 zu einem passenden Profil geschliffen wird, um den wirksamen Strömungsbereich des Abzugkanals 31 als Funktion der Ventilstellung zu steuern. Zum Beispiel sind am Anfang des Verdichtungshubes die Zylinderdrücke klein, und die Dichte der Luft im Ringspalt des Abdichtungselements 14 ist gering. Deshalb sind die Mengendurchsätze in der ringförmigen Aussparung 24 gering, und der verhältnismäßig große Bereich des Abzugkanals 31 bedeutet, daß der Druck in der ringförmigen Aussparung 24 langsam ansteigt. Wenn es während dieser Periode auf der Umfangsfläche des Ventils 10 keine Entlastung gibt, ist der wirksame Strömungsbereich auf 38% desjenigen des Abzugkanals 31 reduziert. Der Druckanstieg in der ringförmigen Aussparung 24 wird deshalb beträchtlich schneller sein. Da die Aufgabe darin besteht, während des Motorspiels einen sich netto ergebenden, durchschhittlichen Überdruck beizubehalten, ist dies in höchstem Maße wünschenswert.
Das Ventil wird entlastet, so daß zu Beginn des Verdichtungshubs der radiale Spalt vom normalen Spalt auf ein Maximum bei maximalem Zylinderdruck vergrößert wird (wobei der Mengendurchfluß in die ringförmige Aussparung 24 ein Maximum ist). Am Punkt des maximalen Zylinderdruckes ist der Eintritt des Abzugkanals somit ungehindert, und die gesamte Querschnittsfläche des Abzugkanals kann verwendet werden, um die in die ringförmige Aussparung 24 eintretenden Gase auszustoßen. Da die Aufgabe darin besteht, zu verhindern, daß der Druck in der ringförmigen Aussparung 24 den zum Abheben des ringförmigen Bauteils 17 notwendigen Druck überschreitet, ist es in höchstem Maße wünschenswert, den am Punkt des maximalen Zylinderdruckes verfügbaren Strömungsbereich auf ein Maximum zu bringen, um den Druckaufbau in der ringförmigen Aussparung 24 zu minimieren.
Ein anderes Mittel zur Reduzierung der Häufigkeit des Abhebens des ringförmigen Bauteils 17 ist in Fig. 8 dargestellt. Dieses Mittel beinhaltet die Verwendung eines Abzugkanals 31, wie oben erörtert. Ein Überdruckventil 32 ist am Auslaß des Abzugkanals 31 angebracht. Die Größe des Abzugkanals ist so gewählt, um zu gewährleisten, daß der Druck in der ringförmigen Aussparung 24 den zum Anheben des ringförmigen Bauteils 17 von seinem Sitz erforderlichen Druck überhaupt nicht überschreitet. Das Überdruckventil ist so eingestellt, um zu gewährleisten, daß es bei einem Druck öffnet, der etwas unterhalb des zum Anheben des ringförmigen Bauteils 17 von seinem Sitz erforderlichen Druckes liegt.

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Wenn die ringförmige Aussparung 24 größtenteils während des Verdichtungshubes und des Expansionshubes mit Druck beaufschlagt ist, muß die Feder 22 in der Lage sein, das ringförmige Bauteil 17 innerhalb der Dauer des Ausstoßhubes wieder aufzusetzen. Sie muß die Trägheit des ringförmigen Bauteils 17 und den durch den O-Ring 21 aufgebrachten Widerstand überwinden. Die Erfahrung hat gezeigt, daß die erforderliche Federkraft in der Größenordnung von 5 kg liegt.
Wenn der radiale Abstand des Außendurchmessers des ringförmigen Bauteils 17 zur Bohrung 20 des Zylinderkopfes 12 im allgemeinen sehr klein gehalten wird, ist der Nettobereich, auf den der Gasdruck zum Abheben des ringförmige Bauteil 17 wirken kann, sehr klein. Deshalb ist der zum Abheben des radialen, ringförmigen Bauteils 17 erforderliche Druck groß.
Da es ein bestimmtes Verhältnis von Motorzyklen gibt, bei denen das Abdichtungselement 14 nur wirksam aufsitzen kann, nachdem das ringförmige Bauteil 17 abgehoben ist und den Druck in der ringförmigen Aussparung 24 freigibt, wird eine kleine Menge des Gasaustritts vor dem Aufsetzen des Abdichtungselements 14 aufgenommen. Die Größe dieses Verlustes ist proportional dem Volumen der ringförmigen Aussparung 24 und dem Druck, auf den der Inhalt der ringförmigen Aussparung 24 vor dem Abheben des ringförmigen Bauteils 17 ansteigt. Somit ist es wünschenswert, sowohl die Größe der Aussparung wie den zum Abheben des ringförmigen Bauteils 17 notwendigen Druck auf ein Minimum zu führen. Der zum Abheben des ringförmigen Bauteils 17 notwendige Druck kann durch einen Absatz 30 in seiner radialen Fläche 18 gesteuert werden, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Durch Vergnderung der radialen Breite D kann der zum Abheben des ringförmigen Bauteils 17 erforderliche Druck auf jede gewünschte Größe reguliert werden.

Claims

1. Drehventil (10) eines Verbrennungsmotors, mit einem zylindrischen Ventil, Lagereinrichtungen (11) an jedem Ende des Ventils (10), durch die das Ventil (10) drehbar in einer Bohrung (20) des Zylinderkopfes des Motors gehalten ist, wobei ein kleiner radialer Spalt zwischen dem Ventil (10) und der Bohrung (20) und Verbindungseinrichtungen zwischen der Verbrennungskammer und dem kleinen radialen Spalt vorgesehen sind, Öl zur Schmierung der Lagereinrichtungen (11), Öl-Abdichtungseinrichtungen (16) axial innenliegend zwischen den Lagereinrichtungen (11), die dazu ausgestaltet sind, um das axial nach innen gerichtete Austreten des Öls durch den kleinen radialen Spalt zur Verbrennungskammer (13) zu verhindern, einem Raum zwischen den Lagereinrichtungen (11) und den Öl-Abdichtungseinrichtungen (16), in dem Öl enthalten ist, und Gas-Abdichtungseinrichtungen (14) axial innenhegend zwischen den Öl-Abdichtungseinrichtungen (16), die dazu ausgestaltet sind, um ein axial nach außen gerichtetes Austreten von Gas aus der Verbrennungskammer (13) durch den kleinen radialen Spalt zu minimieren, wobei jede Gas-Abdichtungseinrichtung (14) zumindest ein Umfangs-Abdichtungselement vom Typ eines Kolbenrings hat, das in zumindest einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Nut (27) eingesetzt ist, die entweder in der Umfangsfläche des Ventus (10) oder in der der Bohrung (20) des Zylinderkopf es ausgebildet und in radialer Richtung gegen die jeweils andere Fläche vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Öl-Abdichtungseinrichtung (16) ein sich nicht drehendes, ringförmiges Bauteil (17) mit ebenfalls einem kleinen radialen Spalt bezüglich der Bohrung des Zylinderkopfes, eine zweite Abdichtungseinrichtung (21) zum Abdichten des kleinen radialen Spalts zwischen dem ringförmigen Bauteil (17) und der Bohrung (20) und eine ringförmige Aussparung (24) hat, die peripherisch in dem kleinen radialen Spalt liegt und zwischen dem Umfangs-Abdichtungselement und der zweiten Abdichtungseinrichtung (21) verläuft, wobei das ringförmige Bauteil (17) eine im wesentlichen radial angeordnete Fläche (18) hat, die dazu ausgestaltet ist, gleitend gegen eine radial angeordnete Fläche (19) am Ventil (10) abzudichten, wobei Federeinrichtungen (22) auf ein Ende des ringförmigen Bauteils (17) wirken, um die radiale Fläche (18) des ringförmigen Bauteils (17) gegen die radial angeordnete Fläche (19) am Ventil (10) zu drücken.

2. Drehventil (10) nach Anspruch 1, bei dem die Güte von zumindest einer der Flächen (18, 19) so ist, um ein Wandern von Öl zwischen den Flächen (10 und 19) zu ermöglichen, jedoch ausreichend ist, um zusammen mit der radialen Breite der radialen Fläche das Wandern von Öl über die gesamte radiale Breite während der Periode des Motortakts zu verhindern, in der der Druck in der ringförmigen Aussparung (24) kleiner ist als der Öldruck in dem Raum.

3. Drehventil (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem zumindest eines der Umfangs-Abdichtungselemente in einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Nut (27) eingesetzt ist, die in der Umfangsfläche des Ventils (10) ausgebildet und in radialer Richtung gegen die Bohrung (20) des Zylinderkopfes vorgespannt ist.

4. Drehventil (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem zumindest eines der Umfangs-Abdichtungselemente in einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Nut (27) eingesetzt ist, die in der Bohrung (20) des Zylinderkopfes ausgebildet und in radialer Richtung gegen die Umfangsfläche des Ventils vorgespannt ist.

5. Drehventil (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 oder Anspruch 3 oder Anspruch 4, bei dem die zweite Abdichtungseinrichtung (21) einen O-Ring (21) oder ein ringförmiges Abdichtungselement enthält, das in einer zweiten, sich in Umfangsrichtung erstreckenden Nut eingesetzt ist, die in der Umfangsfläche des ringförmigen Bauteils ausgebildet ist.

6. Drehventil (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 oder Anspruch 3 oder Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei dem zumindest ein Entlüftungsdurchgang (31) mit einer relativ kleinen Querschnittsfläche vorgesehen ist, durch den zumindest die ringförmige Aussparung (24) mit einer Region mit oder nahe Atmosphärendruck verbunden ist.

7. Drehventil (10) nach Anspruch 6, bei dem ein Überdruckventil (32) in oder an einem Außenende des zumindest einen Entlüftungsdurchgangs (31) vorgesehen ist.

8. Drehventil (10) nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei dem sich der zumindest eine Entlüftungsdurchgang (31) von einer Stelle erstreckt, die sich axial zwischen der in axialer Richtung am weitesten außen liegenden radialen Fläche der sich in Umfangsrlchtung erstreckenden Nut (27) und der radial angeordneten Fläche an dem Ventil (10) befindet, wobei der Abschnitt der äußeren Umfangsfläche des Ventils, der sich axial zwischen diesen Flächen befindet, mit einem solchen Profil versehen ist, daß sich der radiale Spalt über diesem Abschnitt zwischen der Umfangsfläche des Ventils und der Bohrung verändert.

9. Drehventil (10) nach Anspruch 8, bei dem der Spalt am kleinsten ist, wenn sich das Ventil in einer Position befindet, die dem Beginn der Kompression in dem Zylinder entspricht, und am größten ist, wenn sich das Ventil (10) in einer Position befindet, die dem maximalen Zylinderdruck entspricht.