DE3832137C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Axialkolben-Brennkraft­ maschine mit in einer rotierenden Trommel angeordneten Zylinderräumen für die über eine Führungseinrichtung auf eine zentral angeordnete Maschinenwelle wirkenden Kolben gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es handelt sich dabei speziell um die Steuerung des Gaswechsels, insbesondere um die Veränderung der Steuerzeit für "Ein­ laß schließt".

Axialkolbenmaschinen und ihre Wirkungsweise sind in ver­ schiedenen Ausführungsformen bekannt. Wesentlich für alle Axialkolbenmaschinen ist eine Trommel mit den darin vor­ gesehenen Zylinderräumen, in denen sich die Kolben in axialer Richtung hin- und herbewegen. Die Umsteuerung der Maschine erfolgt üblicherweise durch eine Steuer­ scheibe oder Steuerspiegel in der Stirnseite der Zylin­ dertrommel, wobei die Steuerscheibe bzw. der Steuerspie­ gel relativ zur Trommelstirnseite verdrehbar ist und kreisbogenförmige Kanäle enthält, welche in zyklischer Folge die einzelnen Zylinderräume mit den saug- und druckseitigen Anschlüssen verbinden. Die Steuerscheibe wird vielfach auch als Zylinderdeckel bezeichnet.

So ist z. B. aus der DE-AS 24 06 871 eine hydraulische Ma­ schine bekannt, die einen Steuerspiegel mit zwei Steuer­ öffnungen enthält, nämlich eine sogenannte Saugniere und eine Druckniere. Diese Steueröffnungen erstrecken sich kreisbogenförmig und sind so angeordnet, daß die zu den Zylinderräumen führenden Ausmündungen erst nach einem Vorkompressionswinkel mit der Druckniere und nach einem Nachexpansionswinkel mit der Saugniere in Überdeckung kommen. Um harte Druckstöße zu vermindern und die sich daraus ergebende Geräuschentwicklung zu verringern, hat man schon den Steuerspiegel im Bereich des Vorkompressi­ onswinkels und des Nachexpansionswinkels mit Drosselker­ ben versehen, welche die jeweilige Ausmündung des Zylin­ derraumes mit der folgenden Steueröffnung, das heißt mit der Saugniere bzw. Druckniere, verbindet. Da es sich bei dieer Anordnung um eine nicht veränderbare Umsteuerungs­ geometrie handelt wird der erstrebte Effekt nur teil­ weise erreicht. In der DE-AS 24 06 871 wird daher eine Umsteuereinrichtung vorgeschlagen, die mit einer kontinu­ ierlich veränderbaren Umsteuergeometrie in Abhängigkeit vom Betriebszustand arbeitet. Zu diesem Zweck ist im Steuerspiegel an einem Ende einer Steueröffnung eine mit ihr in Verbindung stehende Bohrung vorgesehen, deren Achse quer zur Steuerspiegelfläche steht und in der ein als Drehschieber ausgebildeter Stift verdrehbar angeord­ net ist. Die Stirnfläche des Drehschiebers liegt in der Stirnfläche des Steuerspiegels und enthält eine Ausneh­ mung, die durch Verdrehen des Stiftes eine Vergrößerung oder Verringerung der Steueröffnung um ein bestimmtes Maß bewirkt. Die Aussparung ist am Rande mit einer Abfasung versehen, die als Drosselkerbe wirkt.

Die Verstellung des Drehschiebers erfolgt selbsttätig in Abhängigkeit von einem Betriebswert der Maschine, z. B. vom Arbeitsdruck auf der Hochdruckseite.

Diese bekannte Einrichtung zum förderdruckabhängigen Druckausgleich während des Umsteuerns ist nur für Über­ brückung des Vorkompressionswinkels bzw. des Nachexpansi­ onswinkels bei Pumpen gedacht, also für den Beginn des Überstreichens der Steueröffnung durch die Zylinderaus­ mündung. Der Verstellbereich ist nur gering und z. B. für die Steuerzeiten bei Brennkraftmaschinen nicht ausrei­ chend. Die Einrichtung ist aufwendig und störanfällig.

Auch in der DE-OS 26 01 970 wird eine Axialkolbenmaschine mit einem Steuerspiegel beschrie­ ben, die eine Einrichtung zum förderdruckabhängigen Druckausgleich während des Umsteuerns aufweist. Der Steu­ erspiegel enthält kreisbogenförmige Kanäle als Steueröff­ nungen. An einem Ende einer Steueröffnung ist am Übergang zu einer Drosselkerbe eine Bohrung mit zur Zylinderachse parallelen Achse vorgesehen und in dieser Bohrung ein Bolzen oder Stift verschiebbar angeordnet. Der Bolzen ist mit einer Kolbenfläche versehen, die vom Druck in der Steueröffnung beaufschlagt wird. Dadurch wird die Bolzen­ oberfläche in Abhängigkeit vom in der Steueröffnung herr­ schenden Steuerdruck mehr oder weniger der Steuerspie­ geloberfläche genähert und ein enger Drosselspalt gebil­ det, der in Verbindung mit der obengenannten Drossel­ kerbe steht. Dadurch wird eine Erhöhung der Vorkompres­ sion bewirkt und die Geräuscherzeugung vermindert. Auch bei dieser bekannten Anordnung ist der Verstellbereich nur gering und z. B. für eine Veränderung der Steuerzeiten bei Brennkraftmaschinen nicht ausreichend. Außerdem er­ fordert die Einrichtung erheblichen Aufwand.

Bei den oben beschriebenen Axialkolbenmaschinen mit för­ derdruckabhängigen Einrichtungen zum Druckausgleich ist zwar eine Geräuschverminderung erreichbar, aber eine bei Bedarf willkürliche zeitliche Verschiebung des Zeitpunk­ tes "Einlaß schließt" bei Brennkraftmaschinen ist dabei nicht möglich.

Eine weitere Axialkolbenmaschine ist aus der DE-PS 2 59 069 bekannt. Hier ist eine umlaufende Steuerscheibe vor­ gesehen. Die Dauer der Einlaßperiode hängt auch hier von der Bogenlänge einer kreisbogenförmigen Öff­ nung ab. Um die Dauer der Einlaßperiode verändern zu kön­ nen, sind in der Steuerscheibe zwei ebenfalls kreisbogen­ förmige Hilfsöffnungen von unterschiedlicher Länge vorge­ sehen. Diese Hilfsöffnungen stehen jeweils durch eine Bohrung mit der Zufuhrkammer des Triebmittels in Verbin­ dung, wobei diese Bohrungen durch besondere, verschieden lange Stifte verschlossen werden können, die auf einer sogenannten Entlastungskappe angeordnet sind.

Die Entlastungskappe ist relativ zur Steuerscheibe axial verschiebbar, wodurch nacheinander die Stifte in die zu­ geordneten Bohrungen eindringen oder aus ihnen herausge­ zogen werden und dabei die Bohrungen verschließen bzw. freigeben. Durch das bedarfsweise Zu- bzw. Abschalten der Hilfsöffnungen ist eine stufenweise Verlängerung der Ein­ laßperiode möglich. Nachteilig bei dieser Anordnung ist der aufwendige Aufbau von Steuerscheibe und Entlastungs­ kappe und der Umstand, daß nur stufenweise und keine kon­ tinuierliche Änderung der Einlaßperiode möglich ist. Für Brennkraftmaschinen ist diese Art der Steuerung nicht ge­ eignet.

Bei der Steuerung des Gaswechsels an Brennkraftmaschinen kommt es darauf an, durch geeignete Steuerzeiten eine möglichst optimale Anpassung der Verbrauchs- und Lei­ stungsdaten für alle Betriebszustände zu erreichen. Dies ist aber nur möglich, wenn die Steuerzeiten wenigstens teilweise während des Betriebes veränderbar sind.

Es ist bekannt, daß bei 4-Takt-Hubkolbenmotoren zur Gas­ wechselsteuerung nahezu ausschließlich die Ventilsteue­ rung benutzt wird, während bei Trochoidenmaschinen diese über Ein- und Auslaßschlitze am Umfang oder an der Seite erfolgt. Eine Verstellung der Steuerzeiten während des Betriebes ist beim Ventiltrieb dadurch realisiert, daß anstelle der Nockenwelle jedes einzelne Ventil elektroma­ gnetisch bewegt wird. Gemäß einer Literaturstelle, siehe Bensinger "Steue­ rung des Gaswechsels an schnellaufenden Verbrennungsmoto­ ren", 2. Auflage, 1961, Springer-Verlag, Seite 4, genügt es, die wichtigste Steuerzeit, nämlich "Einlaß schließt" (E _s ) zu verändern, da diese das Verbrauchs- und Leistungsverhalten des Motors am wesentlichsten beein­ flußt.

Jeder Zylinder bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen mit 4-Takt-Betrieb hat mindestens ein Einlaß- und ein Auslaß­ ventil. Zur Veränderung der Steuerzeiten müssen die Ein­ laßventile meistens sehr aufwendig elektromagnetisch ex­ akt einzeln angesteuert werden, weshalb sich solche Steuerungen bis jetzt auch nicht durchgesetzt haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Axialkol­ ben-Brennkraftmaschinen die Steuerscheibe so auszubilden, daß die der Einlaßöffnung zugeordnete Steuerkante während des Betriebes auf einfache Weise stufenlos verstellbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Axialkolben-Brennkraft­ maschine durch die im kennzeichnenden Teil des Pa­ tentanspruchs 1 enthaltenen Merkmale gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Un­ teransprüchen hervor.

Der durch die Erfindung erzielbare Vorteil besteht darin, daß durch die kontinuierliche Veränderung der Steuerzeit "Einlaß schließt" während des Betriebes die Drehmomentcharakteristik eines Axialkolbenmotors ent­ scheidend beeinflußt werden kann. Da diese je nach Be­ triebszustand (z. B. kalt oder warm) und Leistungsbedarf stark schwankend sein kann, bietet diese kontinuierlich veränderbare Steuerzeit von "Einlaß schließt" (E _s ) die Möglichkeit der optimalen Anpassung an die Betriebsver­ hältnisse des Motors.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt A-A in Längsrichtung der Motor­ welle,

Fig. 2 je einen Schnitt B-B in Längsrichtung des Einlaß­ kanals und

Fig. 3 die Draufsicht auf den Zylinderdeckel bzw. Steu­ erspiegel.

In den einzelnen Figuren sind nur für das Verständnis der Er­ findung wesentliche Teile dargestellt. Dabei zeigt insbesondere der obere Teil der Fig. 2 die Verhältnisse für eine spät liegende Steuerzeit E _s , wohingegen der untere Teil der Figur einen zum Einlaß hin verschobenen früheren Steuerzeitpunkt E _s ′ darstellt.

Ein feststehendes Motorgehäuse 1 ist oben durch einen Zy­ linderdeckel 2 abgedeckt. Dieser Zylinderdeckel 2 ist gleichzeitig als Steuerscheibe ausgebildet und enthält die dazu notwendigen Einrichtungen, wie Strömungskanäle für das Antriebsmittel, Zündkerzen usw. In der Fig. 3 ist ein kreisbogenförmig verlaufender Einlaßkanal 8 und ebenso ein kreisbogenförmig verlaufender Auslaßkanal 11 eingezeichnet. Eine Zündkerze ist mit 10 bezeichnet. Wie aus den Fig. 2 und 3 hervor­ geht, befindet sich am Beginn des Einlaßkanals 8 eine Einlaßöffnung 9, durch die in Pfeilrichtung das Arbeits­ medium zugeführt wird. Lage und Ausbildung des Auslaßka­ nals 11 brauchen hier nicht näher beschrieben zu werden. Im feststehenden Zylinderdeckel 2 ist eine zentrale Ma­ schinenwelle 3 drehbar gelagert. Um diese Welle 3 herum sind trommelartig eine Anzahl von Zylindern 4 angeordnet, deren Bohrung parallel zur Achse der Maschinenwelle 3 verläuft und in deren Bohrung Kolben 5 in axialer Rich­ tung auf- und abbewegt werden. Die Trommelanordnung der Zylinder 4 ist mit der Maschinenwelle 3 drehfest verbun­ den und dreht gemeinsam mit ihr. Wie Fig. 1 zeigt, sind die stirnseitigen Enden der Zylinder 4 mit Dichtein­ richtungen, z. B. Kolbenringen, versehen, durch die eine Abdichtung der Zylinder gegenüber der Innenseite des Zy­ linderdeckels 2, genauer gesagt gegenüber der Abschluß­ seite der Steuerscheibe abgedichtet sind. Die Trommel mit den Zylindern 4 rotiert gemäß Fig. 3 in Pfeilrichtung unter der feststehenden Steuerscheibe 2, wobei die Steu­ erkanäle der Steuerscheibe nacheinander über die Füllöff­ nungen der Zylinder 4 weggleiten. Im gewählten Beispiel entsprechen die Innenbegrenzungen 4 a der Zylinderwände den genannten Füllöffnungen für die Zylinder. Die Fig. 3 läßt für das gewählte Beispiel einer 4-Takt-Brennkraft­ maschine die Verhältnisse erkennen, wenn die Zylinder zwischen den unteren Totpunktslagen UT und den oberen Totpunktslagen OT unter der Steuerscheibe 2 mit ihren Steuerkanälen 8 bzw. 11 hinweggleiten.

Die Umsetzung der Auf- und Abbewegung der Kolben 5 in eine Drehbewegung der Maschinenwelle 3 wird als bekannt vorausgesetzt und braucht hier nicht näher beschrieben zu werden. Es sei hier noch erwähnt, daß die Anzahl der kreisenden Zylinder 4 im gewählten Beispiel nicht zwin­ gend ist, sondern daß auch eine andere Anzahl von Zylin­ dern eingesetzt werden kann.

Die Füllung der Zylinderräume mit Arbeitsmedium erfolgt während des Umlaufens der Zylinder 4 solange Teile der Füllöffnung 4 a und Teile des Einlaßkanals 8 einander überdecken. Der Füllvorgang ist beendet zum Zeitpunkt "Einlaß schließt", wenn die Zylinderfüllöffnung 4 a den Einlaßkanal 8 vollständig überstrichen hat.

Um den Zeitpunkt "Einlaß schließt" veränderlich zu ma­ chen, ist im Einlaßkanal 8 eine besondere Vorrichtung vorgesehen, die am Ende des Einlaßkanals 8 eine beson­ dere Steuerkante bildet. Diese Vorrichtung besteht hier aus einem Federblechstreifen 7, der flach in den Einlaß­ kanal 8 so eingelegt ist, daß er von der Eintrittsöffnung 9 bis ans Ende des Einlaßkanals 8 sich erstreckt. Der Streifen 7 folgt in seinem Grundriß im wesentlichen der Kreisbogenform des Einlaßkanals 8. Außerdem weist der Streifen 7 eine S-förmige Abkröpfung auf. Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, wird der Federblechstreifen 7 so in den Einlaßkanal 8 eingelegt und darin befestigt, daß sein An­ fang 7 a in der Nähe der Eintrittsöffnung 9 an der Kanal­ rückwand befestigt ist, während das andere Ende 7 b am Ende des Einlaßkanals 8 so festgehalten wird, daß es in einer Ebene zur Stirnfläche der Steuerscheibe 2 liegt und vor allen Dingen nicht übersteht und in die Bahn der dre­ henden Stirnseite der Zylindertrommel ragt. Die Art der Befestigung an den Stellen 7 a und 7 b kann in beliebiger Weise erfolgen, wobei es unter Umständen genügt, das Ende 7 b nicht zu fixieren, sondern dort in eine Führung aufzu­ nehmen. Der Blechstreifen 7 kann zum Beispiel an seinen Rändern gemäß Fig. 1 abgeschrägt sein und sich an lei­ stenartige Vorsprünge oder Schienen 8 a im untersten Teil der Kanalseitenwände anlegen. In der Steuerscheibe 2, das heißt im Zylinderdeckel, ist in einer Bohrung ein längs­ verschiebbarer Stift 6 vorgesehen, dessen Ende sich etwa in der Mitte des gekrümmten Teiles des Federstreifens 7 anlegt und dem Streifen 7 eine Vorspannung gibt. Der Blechstreifen 7 bildet an seinem Übergang vom gekrümmten Teil zum geführten ebenen Teil am Ende 7 b eine Steuer­ kante E _s "Einlaß schließt". Die Fig. 2 läßt in ihrem un­ teren Teil durch den Pfeil P noch erkennen, daß der Stift 6 von außen her verstellbar und dadurch die Vorspannung des Blechstreifens veränderbar ist. Dies hat eine Verän­ derung der S-förmigen Krümmung zur Folge, wodurch sich das Ende des Federstreifens 7 in einem längeren Bereich in der vorbestimmten Ebene geradlinig abstützt und daß der als Steuerkante wirkende Übergang vom geraden zum ge­ krümmten Teil des Blechstreifens 7 sich in Richtung zur Eintrittsöffnung 9 hin verschiebt. Diese kontinuierliche Verschiebung der Steuerkante von der Lage E _s in eine neue Lage E _s ′ bewirkt eine entsprechende kontinuierliche Ver­ lagerung des Steuerzeitpunktes "Einlaß schließt" vom Ende des Einlaßkanals 8 in Richtung zur Eintrittsöffnung 9 hin. Dabei bleibt das Ende 7 b des Blechstreifens stets in seiner ebenen Lage und stellt keine Gefährdung für die mit der Trommel umlaufenden Zylinder 4 dar.

Die Anordnung mit ihrer stufenlos verstellbaren Steuer­ kante gewährleistet eine für alle Betriebsverhältnisse ausreichende Verstellbarkeit der Steuerzeit "Einlaß schließt" während des Betriebes. Selbstverständlich läßt sich das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip, nämlich die Bildung einer Steuerkante durch einen abgebogenen, unter Vorspannung stehenden Blechstreifen und die Verla­ gerung der Steuerkante durch Änderung der Vorspannung, in vielerlei Abwandlung auch für die Veränderung von Steuer­ zeiten in anderen Fällen verwenden.

Claims (3)

1. Axialkolben-Brennkraftmaschine mit in einer rotieren­ den Trommel angeordneten Zylinderräumen für die über eine Führungseinrichtung auf eine zentral angeordnete Maschi­ nenwelle wirkenden Kolben und mit einer relativ zur Zy­ lindertrommel verdrehbaren Steuerscheibe, wobei die Steu­ erscheibe kreisbogenförmig gekrümmte und von den in der Zylindertrommel angeordneten Füllöffnungen der Zylinder überstrichene Ein- und Auslaßkanäle für das Arbeitsmedium enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in Längsrichtung der Ein­ laßkanäle (8) sich erstreckende, mit S-förmiger Krümmung abgekröpfte, flache Blechstreifen (7) an ihrem einen Ende (7 a) an der Kanalrückwand befestigt sind und an ihrem an­ deren Ende (7 b) in der den drehenden Trommelteilen zuge­ wandten Abschlußebene der Steuerscheibe (2) unter Vor­ spannung gehalten werden und mit ihrer von der Vorspan­ nung abhängigen Krümmung eine Steuerkante (E _s ) für die Zufuhr des Arbeitsmediums zu den Zylindern (4) bilden, wobei von außen einstellbare Mittel zur bedarfsweisen Veränderung der Vorspannung eines jeden Blechstreifens (7) und dadurch zur stufenlosen Verlagerung der Steuer­ kante (E _s ; E _s ′) innerhalb des Kanales (8) vorgesehen sind.

2. Axialkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuerscheibe (2) im Bereich der S-förmigen Biegung der Blechstreifen (7) je­ weils ein axial verstellbarer und die Vorspannung der Blechstreifen (7) beeinflussender Stift (6) vorgesehen ist.

3. Axialkolben-Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Steuerkante (E _s ) bil­ dende Ende (7 b) der Blechstreifen (7) an seinen Rändern (7 c) im zugeordneten Kanal (8) in vorbestimmter Ebene ge­ führt ist.