DE9409791U1

DE9409791U1 - Hubkolbenverbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder

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Publication number: DE9409791U1
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Authority: DE
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Priority date: 1994-06-17
Filing date: 1994-06-17
Publication date: 1995-03-02
Anticipated expiration: 2004-06-18

Description

"Hubkolbenverbrennunqsmotor mit wenigstens einem Zylinder"

Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenverbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder, welcher endseitig mit Gemischeinlaß- und -auslaßöffnungen zu zwischen einem Motorblock und einem Zylinderkopf angeordneten Gemischzufuhr- und -abführkanälen versehen ist, wobei die Gemischeinlaß- und -auslaßöffnungen mittels steuerbarer Verschlußorgane öffen- und verschließbar sind, welche von wenigstens einer ein gemeinsames Verschlußorgan bildenden, quer zur Zylinderlängsachse angeordneten, auf den Zylindern aufliegenden Regelwelle gebildet sind, wobei die Regelwelle im Bereich jedes Zylinders wenigstens eine Aussparung im Zylindermantel aufweist, die in vorgegebener Drehstellung die Gemischeinlaß- bzw. -auslaßöffnung des jeweiligen Zylinders zum Gemischzu- bzw. -abführkanal freigibt.

Hubkolbenverbrennungsmotoren sind in vielfältigen Ausgestaltungen bekannt. Zur Steuerung des Einlasses bzw. Auslasses des Brennstoffgemisches sind dabei bei herkömmlichen Viertakt- oder auch Zweitaktmotoren pro Zylinder wenigstens ein Einlaß- und ein Auslaßventil vorgesehen, welche über Kipphebel, Kipphebelwelle, Ventilfeder und Nockenwelle Steuer- und betätigbar sind. Dabei ist zur Leistungssteigerung des Motors häufig auch vorgesehen, daß jeder Zy-

linder mit mehreren Einlaß- und Auslaßventilen versehen ist.

Diese Ventiltechnik hat sich zwar grundsätzlich in vielen Anwendungsfällen bewährt, gerade bei kleineren Motoren, beispielsweise für Motorroller oder dergl., ist diese Art der Ventiltechnik jedoch recht aufwendig und verschleißanfällig.

Es ist auch aus der CH 642 143 A5 bereits ein gattungsgemäßer Hubkolbenverbrennungsmotor bekanntgeworden, bei welchem der jeweilige Zylinder endseitig zur Gemischeinlaßbzw, -auslaßseite hin von einem plattenförmigen Bereich des Motorblocks verschlossen ist, wobei in diesem plattenförmigen Bereich ein vorzugsweise langlochförmiger Offnungskanal ausgespart ist, der als Gemischeinlaß- und Gemischauslaßöffnung in den bzw. aus dem Zylinder dient. Dieser Offnungskanal ist von einer quer zur Zylinderlängsachse angeordneten, auf dem plattenförmigen Bereich des Motorblocks aufliegenden im Motorblock drehbar gelagerten Regelwelle verschlossen, welche im Bereich des Öffnungskanals im Zylindermantel zwei gegeneinander versetzte Aussparungen aufweist, die in vorgegebener Drehstellung einen Gemischeinlaß bzw. -auslaß in den bzw. aus dem jeweiligen Zylinder freigibt, wobei das Gemisch dann durch den Offnungskanal im plattenförmigen Bereich des Motorblockes in den bzw. aus

dem Zylinder strömen kann. Diese in der Praxis bisher nicht bewährte Lösung benötigt zwar keine Ventile und damit verbundene Steuerungseinrichtungen/ von Nachteil ist jedoch, daß der Öffnungskanal im plattenförmigen Bereich des Motorblockes eine Art Vorkammer bildet, die bei Otto-Motoren eine einwandfreie Verbrennung in einem geometrisch definierten Zylinderraum unmöglich macht. Darüber hinaus haben sich die Strömungsverhältnisse beim Ein- und Ausströmen durch einen derartigen Öffnungskanal als nachteilig herausgestellt, .da sich kein gleichmäßiger Strömungsverlauf einstellen kann.

Es sind auch schon ähnliche Lösungen (beispielsweise US 5,152,259, DE 35 42 061 Al, DE 34 22 826 Al, DE 38 38 796 Al und DE 39 43 069 Al) bekanntgeworden, die ebenfalls eine Regelwelle verwenden. Diese Regelwelle ist bei diesen Lösungen jedoch jeweils als Hohlwelle ausgebildet, was sich insbesondere beim Ausströmen des heißen Verbrennungsgasgemisches als nachteilig herausgestellt hat, da die Hohlwelle dann ausgesprochen heiß wird,, so daß entweder eine aufwendige Kühlung oder besonders geeignete Materialien für die Regelwelle erforderlich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen gattungsgemäßen Hubkolbenverbrennungsmotor so zu verbessern, daß eine einwandfreie Verbrennung und eine einwandfreie gleichförmige

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Gemischeinlaß- und -auslaßströmung in den und aus dem Zylinder gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Hubkolbenverbrennungsmotor der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der jeweilige Zylinder endseitig offen ist und die Regelwelle unmittelbar dicht auf dem offenen Zylinderende aufliegt.

Da der Zylinder selbst endseitig offen ausgebildet ist und unmittelbar von der Regelwelle verschlossen wird, steht ein definierter zylinderförmiger Verbrennungsraum zur Verfügung, in welchem und aus welchem das Verbrennungsgemisch einwandfrei ohne störende Verwirbelungseffekte oder dergl. ein- und ausströmen kann. Darüber hinaus entfällt gegenüber der bekannten Lösung der störende Vorkammereffekt, es steht ein genau definierter, zylinderförmiger Verbrennungsraum zur Verfügung, so daß die Verbrennung einwandfrei ablaufen kann.

Mit einem solchen Hubkolbenverbrennungsmotor wird darüber hinaus eine wesentlich vereinfachte und verbesserte Steuerung des Gemischein- und -auslasses erreicht, da die bei herkömmlichen Motoren benutzten Ein- und Auslaßventile, Kipphebel, Kipphebelwelle, Ventilfeder und Nockenwelle vollständig entfallen. Anstelle der Nockenwelle ist der Mo-

tor mit einer Regelwelle ausgerüstet, die dichtend endseitig auf den hintereinander angeordneten Zylinder aufliegt und für jeden Zylinder natürlich versetzt zueinander entsprechende Aussparungen aufweist, die bei einer jeweils bestimmten Drehstellung einen Gemischeinlaß- bzw. einen Ge-•mischauslaß aus einem bestimmten Zylinder ermöglichen. Durch geeignete Wahl der als Steuerkammer auszubildenden Aussparungen lassen sich Steuerzeiten, Gemischmenge und Durchfluß sowie Verwirbelung den jeweiligen Anforderungen entsprechend einstellen. Erkennbar steht somit ein Motor zur Verfügung, der wesentlich weniger verschleißanfällig ist, da er wesentlich weniger Teile benötigt. Dieser Motor weist darüber hinaus ein wesentlich geringeres Gewicht und einen geringeren baulichen Aufwand und daraus resultierend geringere Herstellungskosten auf. Es hat sich herausgestellt, daß auch die Kaltlaufeigenschaften und insgesamt die Laufeigenschaften besser als bei herkömmlichen Motoren sind und daß auch der Kraftstoffverbrauch verringerbar ist.

In vorteilhafter Ausgstaltung ist vorgesehen, daß jeder Zylinder endseitig eine an den Durchmesser der Regelwelle angepaßte teilzylinderförmige Auflagefläche und der Zylinderkopf mit einer gegenüberliegenden teilzylinderförmigen Lagerfläche für die Regelwelle versehen ist, wobei bevorzugt die Regelwelle derart gelagert ist, daß sie mittels Federn oder dergl. auf die Auflageflächen der Zylinder gedrückt

ist. Vorzugsweise ist dabei zusätzlich vorgesehen, daß die Regelwelle aus keramischem Material oder Sintermetallen ggf. mit einem Stahl- oder Metallkern besteht. Auf diese Weise ist es möglich, sicher zu gewährleisten, daß die Regelwelle in Verschlußposition den jeweiligen Zylinder ausreichend dicht verschließt.

In weiterer vortexlhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Regelwelle im Bereich jedes Zylinders eine Gemischeintritts- und eine Gemischaustrxttsaussparung aufweist, wobei die Gemischeintritts- und die Gemischaustrxttsaussparung und die zugeordneten Gemischzufuhr- und -abführkanäle in Längsrichtung der Regelwelle hintereinander versetzt angeordnet sind. Dabei sind die Gemischeintritts- und die Gemischaustrxttsaussparung vorzugsweise symmetrisch zueinander angeordnet. Durch diese Anordnung ist gewährleistet, daß bei einer einmaligen Umdrehung der Regelwelle jeweils pro Zylinder nur einmal der Einlaß und entsprechend später einmal der Auslaß des Zylinders geöffnet wird.

Alternativ kann auch vorteilhaft vorgesehen sein, daß in einer gemeinsamen Ebene nebeneinander zwei Regelwellen angeordnet sind, die gemeinsam mit einem dazwischen angeordneten Vorsprung des Zylinderkopfes den jeweiligen Zylinder verschließen, wobei die eine Regelwelle für jeden Zylinder jeweils eine Gemischeinlaßaussparung und die andere Regel-

welle für jeden Zylinder jeweils eine Gemischauslaßaussparung aufweist. Auf diese Weise ist es ähnlich wie bei bekannten Motoren mit Mehrventiltechnik möglich, die Motorleistung zu verbessern, weil sich dadurch der Füllgrad erhöhen läßt.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in:

Fig. 1 bis 4 jeweils in einem Schnitt gemäß der Linie I - I in Fig. 5 einen Zylinder eines erfindungsgemäßen Hubkolbenverbrennungsmotors mit Regelwelle in verschiedenen Arbeitstakten,

Fig. 5 eine Draufsicht auf den Motor nach Fig. 1 bis 4 ohne Zylinderkopf,

Fig. 6 im Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Motor in abgewandelter Ausführungsform und

Fig. 7 den Motor nach Fig. 6 in Draufsicht ohne Zylinderkopf.

Von einem erfindungsgemäßen Hubkolbenverbrennungsmotor ist in den Fig. 1 bis 5 nur ein Zylinder dargestellt, der mit bezeichnet ist. Die weiteren Zylinder sind vorzugsweise in

Reihe mit dem Zylinder 1 angeordnet. Im Zylinder 1 ist in herkömmlicher Weise ein Kolben 2 mit Dichtung 3 in Längsrichtung verschiebbar geführt, wobei der Kolben 2 mit einer angedeuteten Kurbelwelle 4 verbunden ist.

Der Zylinder 1 ist Bestandteil eines insgesamt nicht dargestellten Motorblocks, welcher nach oben hin mit einem ausschnittweise dargestellten Zylinderkopf 5 verschlossen ist. Zwischen dem Zylinderkopf 5 und dem Motorblock ist für jeden Zylinder wenigstens ein Gemischzuführkanal 6 und ein Gemischabführkanal 7 vorgesehen, wobei im Falle eines Einspritzmotors beispielsweise am Ende des Gemischzuführkanals 6 kurz vor dem Eintritt in den jeweiligen Zylinder 1 eine Einspritzdüse 8 angeordnet ist.

Wesentlich für die erfindunsgemäße Gestaltung des Hubkolbenverbrennungsmotors ist nun, daß jeder Zylinder 1 endseitig offen ausgebildet ist und von einer ein gemeinsames Verschlußorgan für alle Zylinder bildenden, quer zu der Zylinderlängsachse angeordneten, dicht auf den Zylindern 1 aufliegenden Regelwelle 9 verschlossen ist.

Um eine dichte Auflage der Regelwelle 9 auf den Zylinder 1 zu gewährleisten, ist vorgesehen, daß jeder Zylinder 1 endseitig eine an den Durchmesser der Regelwelle 9 angepaßte teilzylinderförmige Auflagefläche 10 aufweist. Diese Auf-

lagefläche 10 kann entweder direkt im freien Ende des Zylinders 1 ausgeformt sein, oder, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, es kann ein zusätzlicher Zylinderaufsatz 11, der Bestandteil des Motorblocks ist, vorgesehen werden, was sich insbesondere dann anbietet, wenn herkömmliche Motoren mit Ventiltechnik umgerüstet werden sollen.

Die Regelwelle 9 ist darüber hinaus in einer teilzylinderförmigen Lagerfläche 12 des Zylinderkopfes 5 gelagert. Um eine vollständige Abdichtung des Zylinders 1 durch die Regelwelle 9 zu gewährleisten, besteht die Regelwelle 9 vorzugsweise aus keramischem Material oder Sintermetallen und wird mittels nicht dargestellter Federn oder dergl. auf die Auflageflächen 10 der Zylinder 1 gedrückt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 5 weist die Regelwelle 9 im Bereich jedes Zylinders 1 eine Gemischeinlaßaussparung e und eine Gemischauslaßaussparung a auf, wobei die Gemischeinlaßaussparung e und die Gemischauslaßaussparung a und die zugeordneten Gemischzuführkanäle 6 und Gemischabführkanäle 7 in Längsrichtung der Regelwelle 9 hintereinander versetzt angeordnet sind, wie dies aus Fig. 5 hervorgeht. Diese Aussparungen e und a im Zylindermantelbereich der Regelwelle 1 sind symmetrisch zueinander angeordnet und können grundsätzlich eine beliebige Gestaltung aufweisen, die jedoch so gewählt sein muß, daß bei entsprechender

Drehposition der Regelwelle 9 ausreichend Gemisch vom Gemischzuführkanal 6 in den Zylinder 1 eintreten bzw. beim entsprechenden Arbeitstakt aus dem Zylinder 1 in den Gemischabführkanal austreten kann. Bei einem Vierzylinderviertaktmotor mit hintereinander angeordneten vier Zylindern mit einer einzigen Regelwelle 9 sind die Aussparungen e, a für jeden Zylinder 1 jeweils nacheinander um 90° versetzt zueinander angeordnet, so daß bei einer einzigen Umdrehung der Regelwelle 9 nacheinander jeder Zylinder 1 um jeweils einen Arbeitstakt versetzt arbeitet.

In Fig. 1 ist der Abschluß des ersten Taktes, also des Ansaugens dargestellt. Der Kolben 2 befindet sich am unteren Totpunkt. Gestrichelt angedeutet und mit e¹ bezeichnet ist die Position der Gemischeinlaßaussparung während des Ansaugens, in welcher Gemisch vom Gemischzuführkanal 6 bzw. unmittelbar aus der Einspritzdüse 8 durch die Gemischeinlaßaussparung e in den Zylinder 1 eintreten kann.

Fig. 2 zeigt das Ende des zweiten Arbeitstaktes, nämlich des Komprimierens des Gemisches im Zylinder 1, d.h. der Kolben 2 befindet sich am oberen Totpunkt. Um im übrigen eine optimale Komprimierung zu erreichen, ist die Kolbenstirnfläche 2a vorzugsweise in Anpassung an die Kontur der Regelwelle 9 nach innen gewölbt ausgebildet. Am Ende dieses Arbeitstaktes befindet sich die Einlaßaussparung e auf der

Seite des Gemischabführkanales 7 und die Gemischauslaßaussparung a auf der Seite des Gemischzuführkanales 6. Durch die versetzte Anordnung in Längsrichtung der Regelwelle 9 gesehen der Gemischzufuhr- und Gemischabführkanäle 6, 7 und der zugeordneten Einlaß- und -auslaßaussparungen e und a besteht jedoch .keine Möglichkeit einer Gemischströmung in oder aus den Aussparungen e, a.

Etwa wenn sich der Kolben 2 am oberen Totpunkt befindet (Fig. 2) setzt die Gemischzündung ein, eine Zündkerze ist symbolhaft mit 13 angedeutet. Im Laufe der Ausdehnung der Verbrennung und der Abwärtsbewegung des Kolbens 2 dreht sich die Regelwelle 9 weiter, wobei sich die Gemischauslaßaussparung a in der Regelwelle 9 in den Zylinderverbrennungsraum hineindreht und dadurch eine leichte Vergrößerung des Verbrennungsraumes bewirkt, wodurch eine weichere Verbrennung entsteht, was noch dadurch gefördert wird, daß noch in der Aussparung a befindliches verbranntes Gas zugesetzt wird. Etwa wenn sich der Kolben 2 am unteren Totpunkt befindet (Fig. 3), beginnt die Öffnung des Zylinders an der Austrittsseite, d.h. die Gemischaustrittsaussparung a dreht sich in eine Position, in der ein Gemischauslaß möglich ist, eine solche Position ist in Fig. 4 gestrichelt angedeutet und mit a¹ bezeichnet.

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Während des letzten Taktes des Ausstoßens bewegt sich der Kolben 2 vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt, wobei die Endposition in Fig. 4 dargestellt ist. Durch die Drehung der Regelwelle 9 bewegt sich dabei die Gemischauslaßaussparung a in den Auslaßkanal 7 und die Gemischeinlaßaussparung e in den Einlaßkanal 6. Komprimiertes Gas, das sich noch in der Einlaßaussparung e befand, strömt dabei in den Einlaßkanal 6 und sorgt für eine optimale Gemischaufbereitung, auch bei kaltem.Motor. Auf der anderen Seite kann das verbrannte Gemisch aus der Auslaßaussparung a austreten.

Anschließend beginnt von neuem der Ansaugtakt, der in der unteren Totlage gemäß Fig. 1 endet. Bei den nicht dargestellten weiteren Zylindern laufen die vorbeschriebenen Vorgänge wie bei herkömmlichen Motoren entsprechend zeitlich um einen Takt (Viertaktmotor) versetzt ab.

In den Fig. 6 und 7 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel dargestellt, das vorzugsweise für leistungsstärkere oder größere Motoren bestimmt ist. Bei dieser Ausgestaltung ist vorgesehen, daß in einer gemeinsamen Ebene nebeneinander angeordnet zwei Regelwellen 9a und 9b vorgesehen sind, die gemeinsam mit einem dazwischen angeordneten Vorsprung 14 des Zylinderkopfes 5 den jeweiligen Zylinder 1 verschließen. Dabei ist der Vorsprung 14 und ansonsten der

Zylinderkopf 5 jeweils mit teilzylinderförmigen Lagerflächen 12a, 12b für die beiden Regelwellen 9a, 9b versehen.

Dabei weist jede Regelwelle 9a, 9b für jeden Zylinder 1 jeweils nur eine Aussparung auf, nämlich die Regelwelle 9a, die Gemischeinlaßaussparungen e und die Regelwelle 9b die Gemischauslaßaussparungen a. Beide Regelwellen 9a, 9b drehen sich dabei in unterschiedlicher Richtung. Ansonsten ist die Funktionsweise die, gleiche, wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel.

Natürlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind möglich, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So kann insbesondere bei größeren Motoren auch vorgesehen sein, anstelle einer durchgehenden Regelwelle Regelscheiben einzusetzen, die mit Kupplungswellen verbunden sind.

Claims

Ansprüche;

1. Hubkolbenverbrennungsmotor mit wenigstens einem Zylinder, welcher endseitig mit Gemischeinlaß- und -auslaßöffnungen zu zwischen einem Motorblock und einem Zylinderkopf angeordneten Gemischzufuhr- und -abführkanälen versehen ist, wobei die Gemischeinlaß- und -auslaßöffnungen mittels steuerbarer Verschlußorgane offen- und verschließbar sind, welche von wenigstens einer ein gemeinsames Verschlußorgan bildenden, quer zur Zylinderlängsachse angeordneten, auf den Zylindern aufliegenden Regelwelle gebildet sind, wobei die Regelwelle im Bereich jedes Zylinders wenigstens eine Aussparung im Zylindermantel aufweist, die in vorgegebener Drehstellung die Gemischeinlaß- bzw. -auslaßöffnung des jeweiligen Zylinders zum Gemischzu- bzw. -abführkanal freigibt,

dadurch gekennzeichnet,

daß der jeweilige Zylinder (1) endseitig offen ist und die Regelwelle (9) unmittelbar dicht auf dem offenen Zylinderende (10) aufliegt.

2. Hubkolbenverbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß jeder Zylinder (1) endseitig eine an den Durchmesser der Regelwelle (9) angepaßte teilzylinderförmige Auflage-

fläche (10) und der Zylinderkopf (5) mit einer gegenüberliegenden teilzylinderförmigen Lagerfläche (12) für die Regelwelle (9) versehen ist.

3. Hubkolbenverbrennungmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Regelwelle (9) derart gelagert ist, daß sie mittels Federn oder dgl. auf die Auflageflächen (10) der Zylinder (1) gedrückt ist.

4. Hubkolbenverbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Regelwelle (9) aus keramischem Material oder Sintermetallen ggf. mit einem Stahl- oder Metallkern besteht.

5. Hubkolbenverbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Regelwelle (9) im Bereich jedes Zylinders (1) eine Gemischeinlaß- und eine Gemischauslaßaussparung (e,a) aufweist, wobei die Gemischeinlaß- und die Gemischauslaßaussparung (e,a) und die zugeordneten Geschmischzuführ- und -abführkanäle (6,7) in Längsrichtung der Regelwelle (9) hintereinander versetzt angeordnet sind.

6. Hubkolbenverbrennungsmotor nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

daß in einer gemeinsamen Ebene nebeneinander zwei Regelwellen (9a, 9b) angeordnet sind, die gemeinsam mit einem dazwischen angeordneten Vorsprung {14) des Zylinderkopfes (5) den jeweiligen Zylinder (1) verschließen, wobei die eine Regelwelle (9a) für jeden Zylinder (1) jeweils eine Gemischeinlaßaussparung (e) und die andere Regelwelle (9b) für jeden Zylinder (1) jeweils eine Gemischauslaßaussparung (a) aufweist.