DE2639536A1

DE2639536A1 - Steuerungsvorrichtung fuer brennkraftmaschinen, insbesondere ottomotoren

Info

Publication number: DE2639536A1
Application number: DE19762639536
Authority: DE
Inventors: Benno Kaltenegger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-09-02
Filing date: 1976-09-02
Publication date: 1978-03-16

Description

VON KREISLER SCHÖNWALD MEYER EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING

PATENTANWÄLTE
Dr.-Ing. von Kreisler + 1973

Dr.-Ing. K. Schönwald, Köln
Dr.-Ing. Th. Meyer, Köln
Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden
Dr. J. F. Fues, Köln
Dipl.-Chem. AIek von Kreisler, Köln
Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln
Dipl.-Ing. G. Selting, Köln

5 Köln ι 31.8.1976 Sch/Sd

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

Benno Kaltenegger, Auf dem hohen Ufer 14, 5205-St. Augustin j5

Steuerungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen,
insbesondere Ottomotoren

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren, im Viertaktsystem, bei der eine Ventilanordnung für das Ansaugen und Ausstoßen der Gase durch eine von der Kurbelwelle angetriebene
Nockenwelle betätigt wird.

PUr die Steuerung des Ladewechsels von Brennkraftmaschinen
als Ottomotoren ist die Verwendung einerseits von Schiebern
und andererseits von Ventilen bekannt. Die Schiebersteuerung
hat den Vorteil einer größeren Geräuscharmut, jedoch den Nachteil, daß Abdichtungsproblerne auftreten, so daß hohe Verdichtungsverhältnisse im Brennraum nicht angewendet werden können. Konstruktionen mit Schwing- und Drehschiebern konnten deshalb der althergebrachten Ventilsteuerung keine ernsthafte Konkurrenz machen. Das Problem der Abdichtung und Schmierung in den

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heißen Zonen konnte bisher zufriedenstellend nicht gelöst werden.

Beim gegenwärtigen Stand im Motorenbau hat der Kurbeltrieb seine Leistungsgrenze noch nicht erreicht, während der Zylinderkopf mit seiner Steuerungsmechanik für die Ventile in der heutigen Form in der Entwicklung praktisch am Ende ist. Die Hauptursachen sind zum einen die zu hohen Temperaturen im Zylinderkopf, hervorgerufen durch das glühend heiße Auspuffventil, und zum anderen die zu kleinen Einlaßquerschnitte, die bei hohen Drehzahlen einen schlechten FUllungsgrad ergeben. Das derzeitige System der Ventilsteuerung ermöglicht eine Erhöhung der Querschnitte nicht. Mit ca. 30% zur Kolbenfläche ist auch die Verwendung von vier Ventilen beim Maximum angelangt.

Bei dem vorhandenen Entwicklungsstand weisen die Ottomotoren Leistungen von 50 bis 65 PS je Liter Zylinderinhalt auf. Diese Literleistungen sind jedoch nur bei Verwendung von Superbenzin mit Verdichtungsverhältnissen von 1 : 8,5 bis 1 : 9,5 zu erreichen. Motore für die Verwendung von Normalbenzin haben geringere Literleistungen und können nicht über 1 : 7,5 verdichtet werden. Bei höheren Verdichtungsverhältnissen arbeiten diese Motoren nicht mehr klopffrei.

Das Superbenzin enthält jedoch als Antiklopfmittel dienende Zusätze, wie hochgiftiges Bleitetraäthyl und Brom- oder Chlorverbindungen. Diese Zusätze verursachen eine erhebliche Luftverschmutzung durch die Abgase. Das Weglassen der Zusätze bedeutet bei den zur Zeit gegebenen Voraussetzungen eine Verminderung der Literleistung durch Herabsetzung der Verdichtungsverhältnisse auf einen Stand, in dem die

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Motoren klopffrei arbeiten. Andere umweltfreundlichere Zusätze zu dem Brennstoff vermögen das Problem jedoch nicht restlos zu lösen, insbesondere wird dabei die durch die Ventile bedingte Steuerungsmechanik: zur Verbesserung der Literleistung des Ottomotors in keiner Weise besser gestaltet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuerungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen, insbesondere Ottomotoren, zu schaffen, die unter Beibehaltung eines hohen Verdichtungsgrades und damit einer hohen Literleistung die Umweltprobleme in bezug auf die Luftverschmutzung zugleich mitlöst. Die Steuerungsvorrichtung zeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch aus, daß als Steuerelemente für den Ladewechsel des Motors Ventil und Schieber zusammenwirken, und daß für den Einlaß und den Auslaß dasselbe Ventil vorgesehen ist und die Steuerung des Einlaß- und Auslaßvorganges mittels Schieber erfolgt.

Durch eine solche Ausbildung der Steuerungsvorrichtung wird erreicht, daß jedes Steuerorgan nur die Funktion zu erfüllen hat, die für das betreffende Steuerorgan optimal ist. Das Ventil übernimmt lediglich die Abdichtung während des Kompressions- und des Arbeitstaktes. Der Schieber steuert die Einlaß- und Auslaßquerschnitte, wobei das Abdichtungsproblem keine Rolle mehr spielt. Das gemeinsame Ventil für Einlaß und Auslaß wird beim Ladewechsel durch das Prischluftgemisch jedesmal abgekühlt, so daß die bisherigen heißen Zonen eines rot glühenden Auspuffventils (ca. 800° C) wegfallen. Damit ist die Klopffestigkeit auch bei höheren Verdichtungsverhältnissen mit Normalbenzin gegeben. Durch die Anordnung von nur einem Ventil für Ein- und Auslaß kann dieses mit einem erheblich größeren Durchmes-

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ser des Ventiltellers gewählt werden. Es ergeben sich hierdurch automatisch größere Einlaß- und Auslaßquerschnitte, z.B. bis zu etwa 40$£ zur Kolbenfläche des Zylinders. Die größeren Querschnitte ergeben einen größeren volumetrisehen Lieferungsgrad, was höhere Drehzahlen als bisher ermöglicht und mehr Leistung ergibt. Da der Schieber keinerlei Abdichtungsaufgaben zu übernehmen hat, kann dieser so gewählt werden, daß er bei der Arbeit an der Wandung des Zylinderkopfes Spiel hat. Man benötigt somit an den Steuerungsflächen keine Schmierung. Motoren mit der Steuerungsvorrichtung gemäß der Erfindung können mit normalem Benzin betrieben werden, und zwar unter Verdichtungsverhältnissen, die bisher nur bei Superbenzin möglich waren und noch darüber hinausgehen können. Zusätze zu dem Benzin zur Erzielung der Klopffreiheit können entfallen.

Das Ventil ist vorteilhaft axial in der Verlängerung der Zylinderachse angeordnet. Als Schieber dient vorzugsweise ein Drehschieber auf der dem Ventil abgekehrten Seite des Zylinders. Zweckmäßig ist der Drehschieber koaxial zum Ventilschaft gelagert und weist einen zur Seite abgewinkelten Strömungskanal für die Gase auf. Man erzielt hierbei zugleich eine verhältnismäßig einfache Bauart.

Der Drehschieber kann durch ein Zahnradgetriebe mit der Nockenwelle im Verhältnis 1 : 2 in Antriebsverbindung gehalten werden. Hierbei kann das Ventil ebenfalls von der Nockenwelle angetrieben werden. Dabei weist die Nockenwelle einen Nocken auf, durch den das Ventil über den Auslaß- und Einlaßtakt in der Offenstellung gehalten wird. Man kann aber auch den Nocken zur Betätigung des Ventils an dem Drehschieber anordnen und die Steuerung des Ventils

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mittels eines Hebelmechanismus von dem an dem Drehschieber befindlichen Nocken ableiten.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann je ein Schieber, vorzugsweise ein Drehschieber, auf jeder Seite des Ventilschaftes vorgesehen sein. Hierbei können die Drehschieber um eine in senkrechter Richtung zur Ventilachse verlaufenden Achse drehbar gelagert sein. Dies gilt insbesondere bei Motoren mit einem größeren Kolbendurchmesser, der beispielsweise etwa 200 mm überschreitet. Hierbei können auch mehrere Ventile gleicher Art nebeneinander angeordnet sein. Diese sind zweckmäßig in der Kolben-Mittenebene vorgesehen.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele nachstehend erläutert.

Fig. 1 zeigt den Aufbau und die Steuerungsvorrichtung des Zylinders eines Motors im Längsschnitt und im Schema.

Fig. 2a,b,c und d veranschaulichen die Phasen des Drehschiebers im Viertakt in der Querebene II-II der Fig. 1 schematisch.

Fig. 3 stellt ein Diagramm der Öffnungszeiten des Ventils und des Drehschiebers während eines vollständigen Viertaktes des Motors dar.

Fig. 4 ist eine abgeänderte Ausführungsform der Steuerungsvorrichtung gemäß der Erfindung im Schnitt entsprechend Fig. 1.

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Pig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Steuerungsvorrichtung gemäß der Erfindung unter Verwendung von zwei Drehschiebern im Schema und im Ausschnitt.

Der Motor 1 weist ein Motorgehäuse 2 auf, in dessen Zylinder 3 ein Kolben 4 mittels einer Pleuelstange 5 mit einer (nicht dargestellten) Kurbelwelle hin und her bewegt wird, wobei der Kolben 4 in üblicher Weise mit Kolbenringen 6 ausgerüstet ist. Das Motorgehäuse 2 ist mit einem Deckelgehäuse 7 versehen, das seinerseits durch einen Deckel 8 abgeschlossen ist. In dem Deckelgehäuse 7 ist ein Ventil 9 axial in der Verlängerung der Zylinderachse angeordnet. Der Schaft 9a des Ventils 9 ist in einer Buchse 10 des Deckels 8 geführt und am oberen Ende mit einer Widerlagerscheibe 11 versehen, zwischen der und dem Absatz 8a des Deckels 8 eine Feder 12 angeordnet ist, die das Ventil 9 in Schließstellung hält. Der Ventilschaft 9a ist von einer Kappe 13 umgeben, mit der ein Nocken 14 einer Nockenwelle 15 zusammenwirkt.

Auf der dem Zylinder 3 abgekehrten Seite des Ventils 9 ist ein Schieber als Drehschieber 16 gelagert, und zwar koaxial zur Achse des Ventils 9. Dieser Drehschieber 16 weist einen Strömungskanal I7 auf, der zur Seite radial abgewinkelt verläuft. Der Drehschieber 16 ist in einem Träger 18 mit einem Hülsenstück 18a drehfest verbunden, wobei der Träger 18 an einem Kragen 8b unter Zwischenschalten einer Gleitbuchse I9 drehbar gelagert ist. Statt der Gleitbuchse 19 kann auch eine Wälzlagerung vorgesehen sein. Der Träger

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18 ist an geeigneter Stelle mit einem Zahnrad 20 versehen. Dieses Zahnrad 20 wird von der Nockenwelle 15 durch geeignete Getriebeteile angetrieben. Das Verhältnis der Drehzahlen von Kurbelwelle zum Drehschieber und zur Nockenwelle ist 2:1. Mit 21 ist eine Zündkerze bezeichnet.

In den Figuren 2a bis 2d sind die einzelnen Phasen des Drehschiebers 16 im Viertaktsystem veranschaulicht. In dem Deckelgehäuse 7 ist der Auslaßkanal 27) für die Abgase und der Einlaßkanal 24 für das Frischluftgemisch angeordnet. Wie das Diagramm der Fig. 3 zeigt, wird das Ventil 9 (gestrichelte Linie) bei öffnung des Auslaßkanals 27) durch den Drehschieber 16, 17 durch den Nocken 14 aufgestoßen und verbleibt in der Offenstellung, während der Drehschieber 16 von dem Auslaßkanal 23 sich zu dem Einlaßkanal 24 weiterbewegt. Wenn der Einlaßkanal durch den Drehschieber 16 verschlossen ist, wird das Ventil 9 ebenfalls geschlossen, worauf das Ventil 9 und der Auslaßkanal 27) sowie der Einlaßkanal 24 während des Kompressionshubes und des Arbeitstaktes des Kolbens 4 geschlossen bleiben. Bei dem Diagramm der Fig. 3 versinnbildlicht die Abszisse die Kurbelgrade der Kurbelwelle von zweimal J56o°, während die Ordinate sich auf den freigegebenen Querschnitt des Einlaß- und Auslaßkanals bezieht. Das Ventil 9 bleibt von dem Beginn des Austoßvorganges der Abgase bis zum Ende des AnsaugeVorganges des Frischluftgemisches ununterbrochen offen und für die restliche Zeit ununterbrochen geschlossen.

Der Nocken 14 verläuft konstant über einen Winkelabschnitt,

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der vom Beginn des Ausstoßes der Abgase bis zum Schließen des Einlaßkanals reicht. Dies führt zu einer ruhigen Bewegung des Ventils und der Feder 12. Die Feder bleibt eine Zeitlang zusammengepreßt. Es tritt kein Hopsen oder Schwingen der Feder wie bei den bisherigen, verhältnismäßig spitz zulaufenden Nockenformen auf. Die Feder kann sich während des Hin- und Herganges des Motorkolbens K vollkommen ausruhen. Dadurch ergibt sich auch ein ruhiges Arbeiten des Steuerungssystems. Der Drehschieber läuft gleichförmig um und unterliegt keinen Beschleunigungskräften.

Er erlaubt außerdem das Steuern von Öffnungsquerschnitten. Das Ventil vermittelt eine absolute Dichtigkeit während des Kompressions- und Arbeitstaktes. Zusammenfassend ergeben sich folgende wesentliche Vorteile: niedrigere Temperaturen im Zylinderkopf, höheres Verdichtungsverhältnis, größerer Volumenverdichtungsgrad, höhere Klopffestigkeit, größere Literleistung, Möglichkeit der Erhöhung der Drehzahl, Vergrößerung des Einlaßquerschnittes um ca. J$> und darüber, verbesserter FUllungsgrad, Gemischwirbelung durch Drehschieber, kompakter verbrennungstechnisch günstiger Verbrennungsraum und geringerer Brennstoffverbrauch. Ein weiterer Vorteil liegt in der Verwendung einer nicht mehr so wärmeempfindlichen Zündkerze. Der Durchmesser des Ventiltellers des Ventils 9 kann größer bzw. wesentlich größer als der Radius des Motorkolbens sein.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. ^, bei dem die entsprechenden Bezugsziffern wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 gelten, ist der Träger 18, 18a mit einer Daumenscheibe 22 versehen, die oberhalb des Zahnrades 20 angeordnet ist und mit diesem und dem Träger 18 in drehfester Verbindung steht. Mit der Daumenscheibe 22 wirkt ein Hebelmechanismus 25 zusammen, der um die Achse 26 drehbar ge-

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lagert ist. Der Arm 25a liegt an der Daumenseheibe 22 an, während der Arm 25b des Hebelmechanismus 25 auf das Kopfstück 9b des Ventils 9 einwirkt. Die Daumenscheibe 22 ist so ausgebildet, daß das Ventil 9 während des Auslaß- und Einlaßtaktes des Drehschiebers 16 unverändert geöffnet bleibt und während der beiden anderen Taktzeiten das Ventil durch die Feder 12 geschlossen ist. Zwischen dem Kragen 8b des Deckels 8 und dem Zahnrad 20 sowie der Daumenscheibe 22 kann eine Rollenlagerung 27 vorgesehen sein. Das Zahnrad 20 wird von der Nockenwelle angetrieben.

Bei der weiteren AuSführungsform der Fig. 5 arbeiten mit dem gemeinsamen Ventil 9 zwei Drehschieber 28 und 29 zusammen, die durch die Nockenwelle synchron angetrieben werden. Der Drehschieber 28 dient für den EinlaßVorgang, während der Drehschieber 29 den Auslaßvorgang steuert. Die Drehschieber 28 und 29 sind zweckmäßig um eine in senkrechter Richtung zur Ventilachse verlaufenden Achse drehbar gelagert. Die Drehschieber 28 und 29 sind so zueinander abgestimmt, daß bei Beginn des öffnens des Einlaßquerschnittes der Auslaßquerschnitt des anderen Drehschiebers 29 geschlossen wird, wobei das Ventil 9 unverändert offengehalten wird. Eine solche Anordnung mit zwei Drehschiebern kann bei größeren Motoren von Vorteil sein. Hierbei ist es zweckmäßig, bei größeren Kolben, beispielsweise von etwa I80 mm aufwärts, statt eines Ventils 9 mehrere Ventile gleicher Art, z.B. zwei Ventile, vorzusehen. Diese befinden sich hierbei in einer Flucht längs der Kolben-Mittenebene, wobei beide Ventile in gleicher Weise durch die Nockenwelle gesteuert werden.

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Claims

Ansprüche

1. ,/Steuerungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen, insbe- _*/ sondere Ottomotoren im Viertaktsystem, bei der eine Ventilanordnung für das Ansaugen und Ausstoßen der Gase durch eine von der Kurbelwelle angetriebene Nockenwelle betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerelemente für den Ladewechsel Ventil (9) und Schieber (16;28,29) zusammenwirken, und daß für den Einlaß und den Auslaß dasselbe Ventil (9) vorgesehen ist und die Steuerung des Einlaß- und Auslaßvorganges mittels Schieber (16;28,29) erfolgt.

2. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (9) axial in der Verlängerung der Achse des Zylinders (3) angeordnet und der Schieber als Drehschieber (16) auf der dem Zylinder (3) abgekehrten Seite des Ventils (9) vorgesehen ist.

3. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (9) und der Drehschieber (l6; 28/29) von der Nockenwelle (I5) angetrieben sind, und daß die Nockenwelle (I5) einen Nocken (14) aufweist, durch den das Ventil (9) über den Einlaß- und Auslaßtakt in der Offenstellung gehalten ist.

4. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber (16) durch ein Zahnradgetriebe (20) mit der Nockenwelle (I5) im Verhältnis 1 : 2 in Antriebsverbindung steht.

5. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis ~5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber (16) mit

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ORSGlNAL INSPECTED

einer Daumenscheibe (22) versehen ist, und daß das Ventil (9) durch einen an der Daumenscheibe (22) des Drehschiebers angreifenden Hebelmechanismus (25) betätigbar ist.

6. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber (16) koaxial zum Ventilschaft gelagert ist und einen zur Seite radial abgewinkelten Strömungskanal (17) für die Gase aufweist.

7. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber (16) in einem Träger (I8,l8a) gelagert ist, der mit einem Zahnrad (20) für den Antrieb versehen ist.

8. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Tellers des Ventils (9) größer als der Radius des Zylinderkolbens (4) ist.

9. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Drehschieber (28,29) auf jeder Seite des Ventils (9,9a) vorgesehen ist, und daß die Drehschieber (28,29) um eine in senkrechter Richtung zur Ventilachse verlaufenden Achse drehbar gelagert sind.

10. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ventile gleicher Art nebeneinander in Kolben-Mittenebene angeordnet sind.

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