EP0101431A2

EP0101431A2 - Mehrfachschiebersteuerung

Info

Publication number: EP0101431A2
Application number: EP83890129A
Authority: EP
Inventors: Harald Rus; Georg Dipl. Ing. Enzinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-08-18
Filing date: 1983-08-12
Publication date: 1984-02-22
Also published as: EP0101431A3; JPS5993912A; US4481917A

Abstract

Mehrfachschiebersteuerung mit an Drehschiebern vorgesehenen Dichtflächen, welche Schieber gleichsinnige Bewegungen vollführen. Durchtrittsöffnungen für die zu steuernden Medien aufweisen und zur Steuerung die Drehschieber mit unterschiedlichen Drehzahlen umlaufen gelassen werden, wobei der äußere Drehschieber (1) bei Verwendung von zwei ineinandergeschachtelten Drehschiebern (1, 2) (Figure 1 bis 4 und 10 bis 13) bzw. der mittlere Drehschieber (3) bei Verwendung von drei ineinandergeschachtelten Drehschiebern (Figure 6 bis 9) mit der halben Drehzahl umlaufen gelassen wird als der innere (2) (Figure 3), und die Öffnungen (Einlaß 4, Auslaß 5) des sich langsam drehenden Schiebers (1) als getrennte Ein- oder Auslaßventile ausgeführt sind und funktionell eine strömungstechnisch gelöste Schichtladung vorliegt, derart, daß die schwereren Gemischanteile im Zuge des Ansaugvorganges aufgrund ihres Beharrungsvermögens nicht in axialer Richtung umgeleitet werden, sondern gegen die Krümmeraußenwand prallen und schließlich durch die Zuströmöffnung zur Zündkerze gelangen, womit der Zylinderraum im Bereich der Zündkerze in vorteilhafter Weise ein reicheres Germisch erhält.

Description

)ie Erfindung betrifft eine Mehrfachschiebersteuerung, insbesondere für Zwei- und Viertaktmotoren in Ein- oder Aehrzylinderausführung, mit mindestens zwei steuernden, in Drehschiebern vorgesehenen Dichtflächen, welche Schieber gleichsinnige Bewegungen vollführen, Durchtrittsöffaungen für die zu steuernden Medien aufweisen und zur Steuerung die Drehschieber mit unterschiedlichen Drehzahlen umlaufen gelassen werden, wobei der sich langsamer drehende äußere Schieber mehr Durchtrittsöffnungen aufweist als der sich schneller drehende innere Schieber.
Im Bereich des Brennraumes von Hubkolbenmotoren zur Steuerung von Gaswechselvorgänge dienendes Element ist der Drehschieber ein bekanntes solches Konstruktionselement. Drehbar gelagert und in einem rationellen Drehzahlverhältnis zur Kurbelwelle rotierend dient der Drehschieber im Zylinderkopf und/oder in der Zylinderwand der periodischen Freigabe von Ein- und Auslaß.
Bisher standen die Probleme der Kühlung (DE-PS 678 268) und der Dichtung (DE-PS 678 268, AT-PS 307 158) im Vordergrund. Die Reaktionskräfte infolge der Zünddrücke (AT-PS 184 777) wurden in einigen Anordnungen direkt über die Dichtfläche (DE-PS 678 268) in anderen über externe Lagerungselemente (AT-PS 184 777) z.B. Wälzlager an der Antriebswelle abgefangen. Das führt im ersten Fall zu zu großem Dichtflächenverschleiß, im zweiten Fall zu thermischen Problemen aus den oft beträchtlichen Stützlängen,da sich der Leichtmetallzylinderkopf und der Stahldrehschie_- ber mit Welle im Temperaturwechsel stark unterschiedlich verhalten und so auch weite Dichtspalten erforderlich sind. Ein weiteres Merkmal bekannter Drehschieberkonstruktionen, besonders des Flachdrehschiebers, ist die starke gegenseitige Kopplung von Kanalquerschnitt und Steuerzeiten sowie der gegenüber dem Hubventil zwar relativ weit, aber für diesen Typ dennoch unzureichende Kanalquerschnitt welcher bei Vorgabe von zudem extremen Steuerzeiten und Kolbendurchmessern - konzentrische Bauweise vorausgesetzt - streng limitiert ist. Der Gaswechsel in unmittelbarer Umgebung der Zündkerze beeinflußt den Verbrennungsverlauf wesentlich. Sein Einfluß auf die Leistungsgrenzen, auf iie Schadstoffemission der Abgase, auf die Treibstoffausnützung und den Wirkungsgrad bleibt in den bekannten Konstruktionen unbeachtet. Erweiterungsmöglichkeiten der an sich schon dem Hubventil überlegenen Drehschieberkonstruktion wurden früher nicht erkannt.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, den Gaswechsel mit dem Drehschieber zu optimieren, durch eine drallbehaftete Gasströmung die Totzonen zu reduzieren, Ein- und Auslaß thermisch zu entkoppeln, es zu ermöglichen mit Hilfe der Phasenverschiebung die Steuerzeiten im Betrieb zu verändern, eine einfache Möglichkeit zur Schichtladung zugeben, die vorhandenen Probleme der Drehschieber wie Abdichtung, Kühlung und Reaktionskräfte einer Lösung zuzuführen und die Kanalquerschnitte zu vergrößern.
Die obengenannte Aufgabe wird in erster Linie dadurch gelöst, daß der äußere Drehschieber bei Verwendung von zwei ineinandergeschachtelten Drehschiebern bzw. der mittlere Drehschieber bei Verwendung von drei ineinandergeschachtelten Drehschiebern mit der halben Drehzahl umlaufen gelassen wird als der innere und die Öffnung des sich langsamer drehenden Drehschiebers als getrennte Ein- oder Auslaßventile ausgeführt sind. Ein weiteres Kennzeichen der Erfindung ist, daß der äußere Drehschieber eine wesentlich größere Wandstärke, insbesondere eine vier Mal so große Wandstärke aufweist als der innere. Fernerhin ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß sich die Drehzahlen der drei Drehschieber von innen nach außen im wesentlichen rerhalten wie 2 : 1 : 2. Erfindungsgemäß sind der äußere and der innere Drehschieber im Zylinderkopf angeordnet und zum Antrieb beider Drehschieber sind Zahnräder vorgesehen. Nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung weist der innere Drehschieber eine größere Wandstärke auf als der äußere. Weiters ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb über zwei voneinander unabhängig zu bewegende Zahnräder erfolgt. Fernerhin erfolgt der Antrieb über zwei auf einer gemeinsamen Achse befestigten Zahnräder. Fernerhin ist die Erfindung gekennzeichnet durch eine strömungstechnisch gelöste Schichtladung, wobei durch Fliehkraftseparation , noch während des Einströmvorganges,durch einen Strömungteiler die fetteren Gemischanteile in die unmittelbare Nähe der Zündkerze durch die Öffnung gebracht werden. Das heißt, die schwereren Gemischanteile werden im Zuge des Ansaugvorganges aufgrund ihres Beharrungsvermögens nicht in axialer Richtung umgeleitet, sondern prallen gegen die Krümmeraußenwand und gelangen schließlich durch die Zuströmöffnung zur Zündkerze, womit der Zylinderraum im Bereich der Zündkerze in vorteilhafter Weise ein reicheres Gemisch erhält.
In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung in einigen Ausführungsformen beispielsweise dargestellt. Die Figuren sind zum Teil schematisch gehalten.
In den Fig. 1 bis 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel veran schaulicht. Aus Fig. 5 ist eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform zu ersehen. Die Fig. 6 bis 9 stellen eine weitere solche Ausführungsform dar. Die Fig. 10 bis 13 lassen weitere Ausführungsbeispiele in mehr konstruktiver Darstellung erkennen.
In den Fig. 1 bis 4 ist eine Drehschiebereinheit mit zwei ineinandergesteckten Drehschiebern 1 und 2 innerhalb des Zylinderkopfes bzw. des Zylinders 6 dargestellt. Diese beiden Drehschieber 1 und 2 drehen sich gleichsinnig, im vorliegenden Ausführungsbeispiel dreht sich der innere Drehschieber doppelt so schnell, Doppelpfeil 12 als der äußere Drehschieber 1, Einfachpfeil 13. Die verschiedenen vier Takte dieser Drehschiebereinheit seien wie folgt erklärt:

Auslaßbeginn Fig. 1. Der Auslaß 5 liegt im Sinne der Drehrichtung vor dem Auslaßkanal 14 im Zylinder 6. Die öffnung 11 des inneren Drehschiebers 2 ist deckungsgleich mit dem Auslaß 5. Der Auslaßkanal 14 und der Einlaßkanal 15 sind durch die vollen Teile der Drehschieber 1 und 2 geschlossen. Beim Weiterdrehen beider Drehschieber 1 und 2 wird der Auslaßkanal 14 über den Auslaß 5 und die Öffnung 11 geöffnet. Da, wie schon gesagt, sich der innere Drehschieber 2 schneller dreht als der äußere Drehschieber 1, ist die Öffnung 11 größer, um den Auslaß 5 bei diesem Takt stets voll offen zu halten. Der Einlaßkanal 15 ist jeweils verschlossen. Es sei schon jetzt darauf hingewiesen, daß der innere Drehschieber 2 zwei Öffnungen 11 trägt, die sowohl den Einlaß wie auch den Auslaß steuern.

Einlaßbeginn Fig. 2. Beim Weiterdrehen der Drehschieber 1 und 2 hat sich der äußere Drehschieber 2 um zwei Mal 22,5° das ist um 45° und der innere Drehschieber 1 um vier Mal 22,5° das ist um 90° weitergedreht. Der Auslaßkanal 14 ist geschlossen. Der Einlaß 4 liegt im Sinne der Drehrichtung vor dem Einlaßkanal 15, die Öffnung 11 ist deckungsgleich mit dem Einlaß 4. Beim Weiterdrehen öffnen 4 und 11 den Einlaßkanal 15, sodaß Einlaß erfolgen kann.
Kompressionsbeginn Fig. 3. Der Einlaßkanal 15 ist geschlossen und die Öffnung 11 des inneren Drehschiebers 2 zieht am Einlaß 14 vorbei, sodaß dann der Einlaßkanal 15 jedenfalls durch den vollen Teil des inneren Drehschiebers verschlossen bleibt und Kompression erfolgen kann.
Beginn des Arbeitstaktes, Fig..4. Die Öffnungen 11 des inneren Drehschiebers 2 sind durch die vollen Teile des äußeren Drehschiebers 1 geschlossen, ebenso Auslaß 5 und Einlaß 4 durch die Wandung des Zylinders 6.
Wie man schon beim übergang vom Kompressionsbeginn zum Arbeitstakt feststellen kann, treffen die Öffnungen 11 des inneren Drehschiebers 2 und die öffnungen 4, 5 des äußeren Drehschiebers 1 einerseits und die Öffnungen 4, 5 des äußeren Drehschiebers 1 im Hinblick auf die Wandung des Zylinders 6 andererseits, erst am Beginn des Auslaßtaktes zusammen. Das heißt, die Spaltlängen des inneren Drehschiebers 2 und des äußeren Drehschiebers 1 addieren sich, das gleiche gilt für die Spaltlängen des äußeren Drehschiebers 1 und die Kanalöffnungen 14, 15 im Zylinder 6.
Im Zuge der obenstehenden Erklärungen sind im wesentlichen jeweils nur die eine Position dieser Drehschiebereinheit beschrieben worden. Wie man aus den Zeichnungen ersieht, spielen sich diese Positionen jeweils auch auf der gegenüberliegenden Seite spiegelbildlich ab.
Beim Ausführungsbeispiel Fig. 5 weist der äußere Drehschieber 1 eine etwa vier Mal so große Wandstärke auf als der innere. Die Wirkungsweise dieser Drehschiebereinheit (Auslaßbeginn, Einlaßbeginn, Kompressionsbeginn und Beginn des Arbeitstaktes) ist sinngemäß die gleiche wie oben beim Beschreiben der Fig. 1 bis 4 auseinandergesetzt. Diese Ausführung Fig. 5 bietet eine Möglichkeit zur Vergrößerung des Öffnungswinkels. Hierbei wird der Radius 16 des äußeren Drehschiebers 1 vergrößert, wie dargestellt. Es ergibt sich hier ein Verhältnis des Radius 17 des inneren Drehschiebers 2 zum Radius 16 des äußeren Drehschiebers 1 wie 1 : 2. Dadurch kann der öffnungswinkel 18 gemessem am Radius des nicht dargestellten Kolbens (= 17) auf zwei Mal 45° je Ein- und Auslaß 4, 5 gesteigert werden. Weiters zeigt Fig. 5 die Stellung von Auslaß 5 und-der Öffnung 11 im inneren Drehschieber 2 zu Auslaßkanal 14 nach 90° Kurbelwinkelauslaß. Die Öffnung 11 im inneren Drehschieber 2 ist immer noch deckungsgleich zum Auslaß 5 und der Auslaß 5 ist deckungsgleich mit dem Auslaßkanal 14. Nach weiteren 90° wird der Auslaßkanal 14 durch die vollen Wandteile des inneren Drehschiebers 2 geschlossen. Auch bei dieser Ausführungsform rotiert der innere Drehschieber 2 doppelt so rasch, Doppelpfeil 12, als der äußere Drehschieber 1, Einfachpfeil 13.
Die Fig. 6 bis 9 veranschaulichen einen Mehrfachdrehschieber in Dreifachausführung. Dieser Mehrfachschieber ist in zwei Gruppen unterteilt; die erste Gruppe umfaßt den inneren Drehschieber 2 und eine Blende 19, die zweite Gruppe besteht aus dem mittleren Drehschieber 3 und dem äußeren Drehschieber 1. Diese zweite Gruppe liegt zwischen der Blende 19 und der Wandung des Zylinders 6. Durch die Aufteilung in zwei Gruppen lassen sich öffnungswinkel von jeweils 45° erreichen. Der Sinn dieser Konstruktion liegt somit ebenfalls in der Vergrößerung der Kanalquerschnitte. Wiederum läuft der innere Drehschieber 2 schneller um (Doppelpfeil 12) als der mittlere Drehschieber 3 (Einfachpfeil 13). Die Wirkungsweise dieses Dreifachdrehschiebers ist die folgender
Auslaß, Fig. 6. Die Öffnung 20 des äußeren Drehschiebers 1 und die Öffnung 21 des inneren Drehschiebers 2 liegen in der Drehrichtung gesehen vor dem Auslaßkanal 14. Der Auslaßkanal 14 ist durch die festen Wandungsteile des äußeren Drehschiebers 1 und des inneren Drehschiebers 2 geschlossen. Einlaß 4 und Auslaß 5 des mittleren Drehschiebers 3 schliessen einen Winkel 21 von 90° ein. Im Betrieb bewegt sich nun der mittlere Drehschieber 3 um zweimal 22,5°, das ist um 45° weiter, siehe auch Fig. 7. Der äußere Drehschieber 1 und der innere Drehschieber 2 drehen sich um zweimal 45°, das ist um 90° weiter. Die Öffnungen 20 und 21 sind nach 45° (nicht 90⁰) Kurbelwinkel deckungsgleich mit dem Auslaßkanal 14, Einlaß 4 und Auslaß 5 sind dabei ebenfalls deckungsgleich mit diesem Auslaßkanal 14. Es kann somit Auslaß erfolgen.
Einlaß, Fig. 7. Die Öffnungen 20 und 21 liegen in der Drehrichtung gesehen, vor dem Einlaßkanal 15. Der Einlaßkanal 15 ist durch die festen Wandungsteile des äußeren Drehschiebers 1 und des inneren Drehschiebers 2 geschlossen. Einlaß und Auslaß 4, 5 des mittleren Drehschiebers 3 sind für den Einlaß offen.
Kompression, Fig. 8. Während der ersten 90° Kurbelwinkel dichtet die Öffnung 21 des inneren Drehschiebers 2 gegen die Blende 19 ab. Bei den darauf folgenden weiteren 90° Kurbelwinkel dichten die festen Wandungsteile des mittleren Drehschiebers 3 gegen den äußeren Drehschieber 1.
Arbeitshub, Fig. 9. Im Moment der Zündung dichtet wiederum der mittlere Drehschieber 3 gegen den äußeren Drehschieber 1 bis zum nächsten Auslaß.
Die Fig. 10 und 11 betreffen eine konstruktive Ausführungsmöglichkeit der Drehschieberkonstruktion nach den Fig. 1 bis 4. Wie man sieht, befinden sich hier der äußere Drehschieber 1 und der innere Drehschieber 2 im Zylinderkopf 6 und werden von außen über Zahnräder 7, 8 angetrieben. Die Fig. 11 zeigt einen Schnitt nach der Linie XI-XI in Fig. 10. Dies ist die einfachste Einbaumöglichkeit der Drehschiebereinheit. Die Zündkerze 23 wird frei von einströmenden Frischgasen umspült. Der Antrieb erfolgt, wie gesagt, über die getrennt laufenden Zahnräder 7 und 8.
Gemäß Fig. 12 befinden sich der äußere Drehschieber 1 und der innere Drehschieber 2 im Zylinderkopf 6 und werden von außen über Zahnräder 9, 10 angetrieben. Der Schnitt ist so geführt, wie dies bei der anderen Ausführungsform, Fig. 10 bei XII-XII angedeutet ist. Der dicker ausgeführte innere Drehschieber 2 trägt die öffnungll, die krümmerförmig ausgeführt ist und das einströmende Frischgas in Richtung Zy- . linder umleitet. Krümmeraußen liegt die Öffnung 24 und der Strömungsteiler 25. Die hier befindlichen fetteren Gemischanteile werden zur unmittelbaren Nähe der Zündkerze 23 abgezweigt. Durch die Größe des inneren Drehschiebers 2 ist Platz für die Kühlung geschaffen.
Fig. 13 stellt einen Schnitt dar, der so geführt ist, wie dies bei der anderen Ausführungsform Fig. 10 unter XI-XI angedeutet ist. Der äußere Drehschieber 1 und der innere Drehschieber 2 befinden sich im Zylinderkopf 6 und werden von außen über getrennte Zahnräder 7, 8 angetrieben. Hier wird die Strömungsaufteilung durch dieselben Prinzipien , jedoch an Elementen des Zylinderkopfes 6, erreicht. Das heißt, Strömungsteiler 25 und Öffnung 24 sind Bestandteile des Zylinderkopfes 6.

Claims

1. Mehrfachschiebersteuerung, insbesondere für Zwei- und Viertaktmotoren in Ein- oder Mehrzylinderausführung, mit mindestens zwei steuernden, an Drehschiebern vorgesehenen Dichtflächen, welche Schieber gleichsinnige Bewegungen vollführen, Durchtrittsöffnungen für die zu steuernden Medien aufweisen und zur Steuerung die Drehschieber mit unterschiedlichen Drehzahlen umlaufen gelassen werden, wobei der sich langsamer drehende äußere Schieber mehr Durchtrittsöffnungen aufweist als der sich schneller drehende innere Schieber, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Drehschieber (1) bei Verwendung von zwei ineinandergeschachtelten . Drehschiebern (1, 2) (Fig. 1 bis 4 und 10 bis 13) bzw. der mittlere Drehschieber (3) bei Verwendung von drei ineinandergeschachtelten Drehschiebern (Fig. 6 bis 9) mit der halben Drehzahl umlaufen gelassen wird als der innere (2) (Fig. 3), und die öffnungen (Einlaß 4, Auslaß 5) des sich langsam drehenden Schiebers (1) als getrennte Ein- oder Auslaßventile ausgeführt sind.

2. Mehrfachschiebersteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Drehschieber (1) eine wesentlich größere Wandstärke, insbesondere eine vier Mal so große Wandstärke aufweist als der innere (Fig. 5).

3. Mehrfachschiebersteuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Drehzahlen der drei Drehschieber (1,2,3) von innen nach außen im wesentlichen verhalten wie 2 : 1 : 2 (Fig. 6 bis 9).

4. Mehrfachschiebersteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere und der innere Drehschieber (1,2) im Zylinderkopf (6) angeordnet sind und zum Antrieb beider Drehschieber (1,2) Zahnräder (7,8) vorgesehen sind (Fig. 10 bis 13).

5. Mehrfachschiebersteuerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Drehschieber (2) eine größere Wandstärke aufweist als der äußere (1) (Fig. 12).

6. Mehrfachschiebersteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb über zwei voneinander unabhängig zu bewegende Zahnräder (7,8) erfolgt (Fig. 10, 11, 13).

7. Mehrfachschiebersteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb über zwei auf einer gemeinsamen Achse (11) befestigten Zahnräder (9, 10) erfolgt (Fig. 12).

8. Mehrfachschiebersteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine strömungstechnisch gelöste Schichtladung, wobei durch Fliehkraftseparation, noch während des Einströmvorganges, durch einen Strömungsteiler (25) die fetteren Gemischanteile in die unmittelbare Nähe der Zündkerze (23) durch die Öffnung (24) gebracht werden.