DE19933925C2 - Drehschieber zur Gaswechselsteuerung bei Brennkraftmaschinen - Google Patents
Drehschieber zur Gaswechselsteuerung bei BrennkraftmaschinenInfo
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Abstract
Bei der Drehschieberanordnung zur Gaswechselsteuerung bei Brennkraftmaschinen ist ein Drehschieber (8) auf der dem Brennraum zugewandten Seite des Zylinderkopfes so eingebaut, daß dieser durch Öffnen und Schließen von Kanälen den Gaswechsel steuert. Der Drehschieber wird über seinen Schaft schrittweise so angetrieben, daß nur bei Taktwechsel eine Verstellung erfolgt. Damit sind die Steuerzeiten unabhängig von der Form der Öffnungen in Schieber und Kanälen. Die Schrittbewegung wird durch ein entsprechend ausgebildetes und von der Kurbelwelle angetriebenes Schrittgetriebe (7, 9, 10, 11, 16) erzeugt, das eine unabhängige Beeinflussung der Schritte AÖ, AS/EÖ, ES zuläßt.
Description
Es ist bekannt, Drehschieber für die Steuerung des Gaswechsels bei Brennkraftmaschinen einzusetzen,
Bekannt sind Drehschiebermotoren mit kontinuierlich angetriebenem Schieber, beispielsweise aus DE 195 35 920 A1
und DE 197 15 888 A1. Schieberkonstruktionen mit einem auf der dem Brennraum
zugewandten Seite angeordneten Drehschieber haben meist den Nachteil, daß diese während der
Verbrennung eine Relativbewegung zum Zylinder aufgrund des Antriebes dieser Schieber ausführen
und sehr oft mit Verschleißerscheinungen, Dichtigkeitsproblemen und einer hohen Reibleistung
behaftet sind. Aufgrund des Antriebs dieser Schieber ist es auch nur eingeschränkt möglich, die
Steuerzeiten zu variieren und die Brennraumfläche optimal in Dicht- und Kanalfläche aufzuteilen.
Thermodynamisch von Nachteil ist bei diesen Konstruktionen, daß die Brennräume zerklüftet sind, was
hohe Wandwärmeverluste und eine lange Durchbrennzeit zur Folge hat. Des Weiteren sind hohe HC
und CO Emissionen zu erwarten. Aufgrund der Erzeugung der Steuerzeiten aus den geometrischen
Verhältnissen an Schieber und Gegenlauffläche ergeben sich häufig kleine Kanalquerschnitte mit
hohen Strömungswiderständen. Auch bei Verwendung von Dichtelementen an den Dichtkanten treten
durch die kontinuierliche Bewegung während der Hochdruckphase erhebliche Materialbelastungen auf,
die zu den bekannten Problemen führen. Bei diskontinuierlich bewegten Schiebern besteht das
Problem des hochdynamischen Antriebs, weshalb die Kanalanzahl erhöht wird, um den Schrittwinkel zu
verkleinern und damit die Beschleunigungen zu reduzieren. Damit ergeben sich Nachteile, wie eine
komplizierte Kanalführung im Zylinderkopf, hohe Strömungsverluste und ein verstärktes
Abdichtproblem. Die Tatsache, daß die heißen Abgase bei Öffnung des Auslasskanals AÖ zunächst
durch einen durch die endliche Öffnungsgeschwindigkeit des Schiebers nur langsam größer werdenden
Querschnitt mit Schallgeschwindigkeit strömen, was wegen des großen Wärmeübergangs zur
maximalen thermischen Belastung führt, bleibt oft unbeachtet.
Drehschiebermotoren mit schrittweise angetriebenem Schieber sind aus der DE 839 575 C bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehschiebersteuerung für Brennkraftmaschinen mit
einem oder mehreren Zylindern so auszubilden, daß eine optimale Nutzung der Brennraumfläche
möglich wird und die thermische Belastung des Schiebers bei Öffnung des Auslasskanals AÖ durch
einen steilen Öffnungsgradient reduziert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Drehschiebersteuerung gemäß dem Patentanspruch 1
gelöst, bei der der Drehschieber eine schrittweise Bewegung ausführt, die durch ein im
Grundgedanken dem Malteserkreuzgetriebe entsprechendes Getriebe erzeugt wird. Durch eine
besondere Anordnung von drei Treiberrädern, die jeweils mit einem Stift versehen sind, der in zwei um
180° versetzt angeordnete Öffnungen der am Drehschieberschaft angebrachten Gabel eingreift, wird
eine Abfolge von Einzelschrittbewegungen erreicht mit einer Periode von 720° Kurbelwinkel, wobei die
Treiberräder synchron zur Kurbelwelle, also mit einer Übersetzung von 1 : 1, angetrieben werden. Jedes
Treiberrad kommt nur bei jeder zweiten vollständigen Umdrehung zum Eingriff mit der Gabel. Für jede
Taktfunktion (ES, AÖ, AS/EÖ) wird ein eigenes Treiberrad verwendet.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind eine freie Ausgestaltung der zur Verfügung stehenden
Brennraumfläche mit Kanälen und Zündkerzen, und damit einer Festlegung des für die Dichtwirkung
wichtigen Flächenverhältnisses von druckbelasteter Fläche zu Dichtfläche. Dies wurde erreicht mit
einem nach den Ansprüchen 2-5 gekennzeichneten schrittweisen Antrieb des Drehschiebers, der
zudem den entscheidenden Vorteil bringt, daß während der Hochdruckphase keine Relativbewegung
zum Zylinder und damit kein Verschleiß entsteht. Dadurch ergibt sich, daß der vollständig freigegebene
Kanalquerschnitt (bei EÖ oder ES/AÖ) für den Zeitraum des Austritts des einen Treiberrades bis zum
Eintritt des nächsten zum Gaswechsel zur Verfügung steht. Bei Verwendung eines Phasenverstellers
für jedes Treiberrad können die Startpunkte für die Schritte AÖ, AS/EÖ und ES unabhängig
voneinander verstellt werden. Es werden außerdem hohe Schrittgeschwindigkeiten bei moderaten
Beschleunigungen erreicht. Der rotationssymmetrische und kompakte Brennraum erlaubt eine
wirkunsgradgünstige kurze Durchbrennzeit und geringe HC und CO-Emission. Die Klopfneigung ist
gering wegen der relativ glatten Brennraumform und dem Fehlen von Bauteilen mit sehr hohen
Temperaturen. Die hier ausgeführte Variante mit einem konstanten Schrittwinkel von 60° stellt die
einfachste Lösung dar im Bezug auf das Getriebe. Dabei reduziert sich auch das
Beschleunigungsmoment gegenüber einem Schrittwinkel von 120°, was der Laufruhe und der
Drehzahlfestigkeit zugute kommt. Die Drehzahlgrenze wird nur durch die Bauteilfestigkeit bestimmt.
Zur weiteren Optimierung des Ladungswechsels kann der Schrittwinkel ungleich aufgeteilt werden, z. B.
Auslaß/Einlaß/Arbeit 40°/70°/70°. Durch die Ausführung mit jeweils zwei Ein- und Auslaßkanälen und
zwei Zündkerzen wird eine gezielte Strömungsbewegung (Tumble und/oder Drall) ermöglicht, sowie
eine kurze Durchbrennzeit erreicht.
Das nachfolgend näher beschriebene Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 1 bis 9 der Zeichnung
dargestellt.
In den Fig. 1-6 sind charakteristische Punkte des Bewegungsablaufs des Schiebers ersichtlich. Die
Treiberräder 7, 9, 11 werden mit Kurbelwellendrehzahl in gleichsinniger Drehrichtung bewegt. Der
Schieber wird nur beim Eingriff eines der drei Treiberräder in entgegengesetztem Drehsinn bewegt. Die
mit dem Schieber fest verbundene Gabel 10 ist in Fig. 1 in geschlossener Stellung positioniert
(Arbeitstakt). Als erstes kommt nun das Treiberrad AÖ 11 zum Eingriff. Der Schieber öffnet dabei die
Auslasskanäle und bleibt zum Zeitpunkt von Fig. 2 stehen. Währenddessen läuft Treiberrad ES 7, ohne
in Eingriff zu kommen, um. Für den Abschnitt zwischen Fig. 2 und 3 bleiben die Auslasskanäle in voller
Größe geöffnet, um dann durch die in Fig. 3 einsetzende Drehbewegung des Schiebers geschlossen zu
werden, gegen Ende dieses Vorgangs werden die Einlasskanäle geöffnet (= Ventilüberschneidung),
hervorgerufen durch das Treiberrad AS/EÖ 9. Nach Beendigung dieses Schrittes steht der volle
Einlaßquerschnitt für die Zeit zwischen Fig. 4 und Fig. 5 zur Verfügung. Treiberrad ES 7 startet in Fig. 5
die Schließbewegung des Schiebers, die in Fig. 6 beendet wird. Dabei führt das Treiberrad AÖ 11 seine
Leerdrehung aus. Zwischen Fig. 6 und Fig. 1 findet der Arbeitstakt statt, während dem Treiberrad AS/EÖ
9 seine Leerdrehung ausführt.
In Fig. 7 ist die Ansicht von der Brennraumseite dargestellt. Hierin sind die Einlaßkanäle 12 und die
Auslaßkanäle 13 angedeutet, deren Öffnungen in der dargestellten Stellung des Schiebers 8
verschlossen sind. Zu sehen sind die Zündkerzen 14, die in dem Zylinderkopf so eingebaut sind, daß
sie nicht über die Dichtfläche hinausragen. Die Aufteilung der Brennraumfläche in Kanal- und
Dichtfläche kann dieser Figur entnommen werden.
In Fig. 8 ist sind alle bewegten Teile dargestellt. Das von der Kurbelwelle angetriebene Ritzel 16 bewegt
die Treiberräder 7, 9, 11 im Übersetzungsverhältnis 1 : 1 zur Kurbelwelle, die die bereits erwähnten
Schrittbewegungen der Gabel 10 und damit des Schiebers 8 erzeugen (siehe Fig. 1-6).
Fig. 9 ist eine Schnittdarstellung des Konstruktionsbeispiels. Dem Kraftfluß folgend wird durch einen um
90° umgelenkten Zahnriemen und durch ein Zahnriemenrad 18 das Ritzel 16 und damit die
dargestellten Treiberräder 7 und 11 angetrieben, deren Stifte 22 mit der Gabel 10 in Eingriff kommen.
Die Gabel ist auf dem Schaft des Schiebers 8 befestigt, die diesen antreibt. In der gezeichneten
Schieberstellung sind die Einlaßkanäle 12 geöffnet. Eine unter der Gabel angeordnete Wellfeder 15
bringt die zum ständigem Kontakt des Schiebers mit dem Zylinderkopf notwendige Axialkraft auf. Die
Drehachse von Ritzel 16 und Schieber 8 sind gleich, weshalb die Lagerung beider Bauteile ineinander
erfolgt. Die Ritzellagerung übernimmt ein Wälzlager 19, das in einem Flansch befestigt ist, der
seinerseits auf den drei Treiberradachsen mit jeweils einer Schraube befestigt ist. Die Lagerungen der
Treiberräder sind identisch und exemplarisch an Rad 7 zu sehen, das auf seiner Achse mit einem
Gleitlager gelagert ist. Der Schieberschaft ist ebenfalls mit einem Gleitlager 17 im Zylinderkopf geführt.
Die Lauffläche des Schiebers wird vorzugsweise mit einem keramischen Werkstoff beschichtet und die
Gegenlauffläche aus einem ebensolchen Material als Einlage für den Zylinderkopf hergestellt. Die
Kühlmittelkanäle können bis auf die Durchführung des Schieberschafts und die Aufnahme der
Treiberradachsen frei gestaltet werden.
7
Treiberrad Es
8
Drehschieber
9
Treiberrad AS/EÖ
10
Gabel
11
Treiberrad AÖ
12
Einlaßkanäle
13
Auslaßkanäle
14
Zündkerze
15
Wellfeder
16
Antriebsritzel
17
Gleitlager
18
Zahnriemenrad
19
Wälzlager
20
Lagerflansch
21
Treiberradachse
22
Treiberstift
23
Kühlmittelkanäle
EÖ Einlaß öffnet
ES Einlaß schließt
AÖ Auslaß öffnet
AS Auslaß schließt
EÖ Einlaß öffnet
ES Einlaß schließt
AÖ Auslaß öffnet
AS Auslaß schließt
Claims (5)
1. Drehschieberanordnung zur Gaswechselsteuerung bei Brennkraftmaschinen durch Öffnen und
Schließen von Kanälen (12, 13), wobei der Drehschieber (8) eine annähernd in Zylinderachse
stehende Drehachse besitzt und an der dem Brennraum zugewandten Seite des Zylinderkopfes
angeordnet ist und mit einem Schrittantrieb zur schrittweisen Drehung bei einem Taktwechsel
versehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schrittantrieb durch eine Anordnung von drei Treiberrädern (7, 9, 11) ausgebildet ist, die
jeweils einen Stift (22) für den Eingriff mit einer Gabel (10) des Drehschiebers (8) besitzen, wobei
die Achsen der drei Treiberräder (7, 9, 11) konzentrisch um die Drehachse des Drehschiebers (8),
und in relativ zueinander gleichem Winkelabstand bezogen auf die Drehachse des Drehschiebers
(8) angeordnet sind.
2. Drehschieberanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Stift (22) nur bei jeder zweiten vollständigen oder jeder vielfach zweiten Umdrehung des
jeweiligen Treiberrades (7, 9, 11) mit der Gabel (10) in Eingriff kommt und damit eine schrittweise
Drehung des Drehschiebers (8) bewirkt.
3. Drehschieberanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ausschließlich während der Schrittbewegung des Drehschiebers (8) eine formschlüssige
Verbindung zwischen Schrittantrieb und Drehschieber (8) besteht, und in den Stillstandsphasen
ausschließlich eine kraftschlüssige Verbindung (15) zwischen dem Zylinderkopf und dem
Drehschieber (8) besteht, um die Winkellage des Drehschiebers (8) zu sichern.
4. Drehschieberanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Treiberräder (7, 9, 11) in ihrer Winkellage relativ zueinander durch einen Phasenversteller
an mindestens einem Treiberrad (7, 9, 11) verstellt werden.
5. Drehschieberanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein gemeinsames Antriebsritzel (16) der Treiberräder (7, 9, 11) von der Kurbelwelle
angetrieben wird.
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