DE19630407A1

DE19630407A1 - HVS - Motor

Info

Publication number: DE19630407A1
Application number: DE19630407A
Authority: DE
Inventors: Walter Diener
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-07-18
Filing date: 1996-07-18
Publication date: 1998-01-22

Description

Der HVS-Motor ist ein Viertakt-Diesel oder Benzinmotor ohne Nockenwelle Kipphebel und Ventilfedern. Die Ventilsteuerung und Öffnung erfolgen hydraulisch,bzw. elektrohydraulisch oder pneumatisch. Hier werden drei Systeme beschrieben die teilweise baugleich sind.

System A ist ein hydraulisches System welches sich für Motoren eignet deren Höchst drehzahl unter 6000 U./min liegt.

System B eignet sich für schnell drehende Motoren bis 20 000 U./min und mehr. Die Ventilfedern werden bei beiden Versionen durch Elemente ersetzt welche aus einem Zylinder und einem Kolben bestehen. Der Kolben kann mit dem Ventil verschraubt werden. Es besteht auch die Möglichkeit den Kolben zu durchbohren und das Ventil auf eine andere schon bekannte Art mit dem Kolben zu verbinden. Der Zylinder, welcher am oberen Rand innen einen Bund aufweißt ist oben offen damit das Ventil durchgeführt werden kann. Der Zylinder wird über den Kolben gestülpt und auf dem Zylinderkopf befestigt.

Sofern der Zylinderkopf mehrere Zylinder abdeckt, was in der Regel der Fall ist, können die einzelnen Elemente in einer Leiste zusammengefaßt werden. Von der Ölpumpe des Motors wird Öl von unten in die Zylinder gedrückt und somit alle Ventile geschlossen. Für die Zufuhr des Öles können Kanäle eingearbeitet oder Rohrleitungen verlegt werden. Außerdem muß ein Rückschlagventil, ein Überdruckventil und ein Federspeicher eingebaut werden damit nach längerem Stillstand beim Start schon Öldruck an den Ventilen vorhanden ist. Dieser Aufwand ist nur dann notwendig, wenn die Ventile nur hydraulisch geschlossen werden sollen und eine mecha nische Ölpumpe verwendet wird, welche vom Motor angetrieben wird.

Es können jedoch auch herkömmliche oder verstärkte Ventilfedern zum Schließen der Ventile verwendet werden; Diese können jedoch auch hydraulisch unterstützt werden. Es ist daher zu überlegen ob nicht die mechanische Ölpumpe des Motors durch eine elektrische zu ersetzen ist. Eine elektrische Ölpumpe bietet überdies den Vorteil, daß in allen Drehzahlbereichen ein gleich bleibend hoher Öldruck vorhanden ist. Es wäre auch möglich eine Schaltung anzubringen welche den Motor abschaltet sobald ein gewisser Öldruck unterschritten wird. Damit können kostspielige Schäden verhindert werden. Vorstehende Technik ist bei beiden Systemen baugleich.

Es ist mir bekannt, daß in Formel 1 Motoren bereits hydraulische Systeme die Ventilfedern ersetzen. Einzelheiten dieser Systeme sind mir jedoch nicht bekannt.

Beide Systeme benötigen ferner eine Ölpumpe die hohen Druck erzeugt. Wahrscheinlich kann dieser Druck von der Hydraulikpumpe der Lenkhilfe entnommen werden, so daß bei den meisten Fahrzeugen keine zusätzliche Pumpe erforderlich ist.

Über den Ventilen befinden sich Elemente welche ebenfalls aus einem Zylinder und einem Kolben bestehen. Auch diese Elemente können in einer Leiste zusammengefaßt werden und sind bei beiden Systemen baugleich. Hier empfiehlt sich jedoch eine zusätzliche Abdichtung, durch welche verhindert wird, daß sich das Öl aus der Hochdruckpumpe mit dem Motoröl vermischt.

System A

Hier wird das aus der Hochdruckpumpe entnommene Öl einem mechanischen Verteiler zugeleitet. Dieser Verteiler besteht aus einem starren Unterteil in welchem sich Ventile befinden die den Zustrom des Öles zu den Ventilen freigeben bzw. absperren. Über einen Rotor im Oberteil des Verteilers werden die Ventile im Unterteil gesteuert. Der Rotor wird über einen verzahnten Riemen, eine Kette oder Zahnradantrieb von der Kurbelwelle angetrieben. Der Rotor ist so ausgelegt, das er zuerst den Zustrom des Öles freigibt und in der zweiten Phase den Rücklauf ermöglicht. Solange der Rotor das Ventil nicht berührt ist das Ventil geschlossen und sperrt den Durchfluß in beiden Richtungen. Bei dieser Konstruktion ist es möglich mehrere Ventile im Zylinderkopf über ein Ventil im Verteiler zu betätigen. Durch die doppelte drei oder vierfache Anzahl der Ventile im Verteiler läßt sich die Drehzahl des Rotors im Verhältnis zur Motordrehzahl sehr gering halten. Eine einfachere Lösung ist ebenfalls möglich. Dabei sind die Ventile im Verteiler so ausgelegt, daß sie bei Berührung mit dem Rotor den Zufluß öffnen. Der Rückfluß bleibt geschlossen. Besteht keine Berührung mit dem Rotor bleibt der Rückfluß offen und der Zufluß gesperrt. Dabei benötigt der Rotor nur einen Berührungspunkt.

Nun läuft zum Beispiel folgender Vorgang ab:
Der Rotor berührt in der Phase 1 Ventil Nr. 1 im Unterteil des Verteilers. Dadurch wird das Öl mit hohem Druck zu den Zylindern in der Leiste über den Ventilen zu einem Einlaß und einem auslaß Ventil geleitet. Die Kolben öffnen nun diese beiden Ventile da der Druck von oben wesentlich höher ist als der Druck der die Ventile geschlossen hält. Der Rotor dreht sich nun weiter und berührt dasselbe Ventil im Verteiler jedoch nur soweit daß der Rückfluß möglich ist. Die beiden Ventile im Zylinderkopf schließen sich nun wieder, da der Druck von oben entfallen ist.

Während der Rotor weiter dreht bleibt nun das Ventil Nr. 1 im Verteiler in beiden Richtungen geschlossen. Dieser Vorgang wiederholt sich nun bei einem Vierzylin dermotor vier mal, da ja acht Ventile zu betätigen sind. Werden nun die Ventile im Verteiler mehrfach angebrach läßt sich die Drehzahl des Rotors entsprechend senken. Durch einen einfachen Fliehkraftregler im Verteiler wie er von Zündverteilern bekannt ist wird sich der gleiche Effekt wie bei einer verstellbaren Nockenwelle erzielt.

System B

Bei System B wird an Stelle des mechanischen Verteilers ein elektrischer Verteiler, ähnlich einem Zündverteiler verwendet. Im Gegensatz zu einem Zündverteiler ist der hier verwendete Verteiler so ausgelegt, daß der Kontakt über einen kurzen Zeitraum erhalten bleibt.

Oben am Zylinderkopf (möglichst außerhalb) befindet sich eine Verteilerleiste oder einzelne Elemente bestückt mit elektronischen Ventilen. (Brauchbare Ventile werden von der Industrie bereits produziert und angeboten so daß diese nicht Bestandteil der Patentanmeldung sein können sondern lediglich ihr Verwendungszweck). Das Öl aus der Hochdruckpumpe wird über eine Leitung der Verteilerleiste oder den einzelnen Elementen zugeleitet. Durch einen Impuls des elektrischen Verteilers öffnet sich ein elektronisch gesteuertes Ventil und gibt den Weg zu einem oder mehreren Kolben die sich über den Ventilen befinden frei so daß diese Ventile geöffnet werden. Ist kein Impuls vorhanden bleibt das elektronische Ventil für den Zufluß von Hochdrucköl geschlossen der Rückfluß ist jedoch frei. Durch einen Fliehkraftregler läßt sich auch hier der gleiche Effekt wie mit einer verstellbaren Nockenwelle erzielen.

Auch hier ist ein Federspeicher zu empfehlen um einen konstanten Druck in allen Drehzahlbereichen zu erreichen.

Neben vielen anderen Vorteilen die an anderer Stelle noch erwähnt werden wäre es mit dieser Technologie möglich Hochleistungsmotoren mit einzelnen Zylinder köpfen für jeden Zylinder zu bauen. Der Vorteil dieser Bauart liegt darin, daß ein Hersteller für eine beliebig große Zahl verschiedener Motoren nur noch ein oder zwei Modelle von Zylinderköpfen benötigt was die Fertigungskosten erheblich reduziert. Daher soll hier als Zusatzpatent noch eine neue Zylinderkopfdichtung angemeldet werden. Der Zylinder wird am oberen Rand bis zu einer Tiefe von 5 mm aufgebohrt oder es wird eine runde Nute in gewissem Abstand von der Zylinderbohrung in den Motorblock eingefräst. Hier wird ein Ring aus Keramik oder Titan eingesetzt der den Zylinder um ca. 5 mm überragt. Im Zylinderkopf befindet sich eine runde Nute in welche der aus dem Zylinder herausragende Ring eingreift. Dadurch wird der Druck und die Hitze im Zylinder weitgehend oder ganz von der eigentlichen Zylinderkopfdichtung welche naturgemäß ein größere Bohrung benötigt ferngehalten. Damit beschränkt sich die Aufgabe der Zylinderkopfdichtung im wesentlichen darauf Öl und Wasserkreislauf abzudichten. Die Zylinderkopfdichtung wird dabei wesentlich geringeren Belastungen ausgesetzt. Die Folge davon ist, daß die Zylinderkopfdichtung auch bei hoher Belastung nicht mehr erneuert werden muß.

System C

Im Prinzip ist es auch möglich System A sowie System B anstatt mit Öldruck durch Luft druck zu betätigen. Dazu muß der Motor mit einem Kompressor bestückt werden. Am Fahrzeug muß außerdem ein Druckbehälter angebracht werden. Sinnvoll wäre ein zusätzlicher kleiner Elektro-Kompressor der nach längerem Stillstand des Fahrzeuges vor dem Starten des Motors für den nötigen Luftdruck sorgt. So würde auch verhindert, daß bei Ausfall des Kompressors durch einen gerissenen Keilriemen z. B. Motorschäden entstehen. System C kann mit einem mechanischen oder mit einem elektrischen Verteiler ausgestattet werden. Entscheidend bei der Auswahl ist die Motor drehzahl.

Sofern zum Antrieb des Verteilers ein flacher verzahnter Riemen verwendet wird wie er von BMW, Peugeot und anderen Firmen bereits seit langem verwendet wird sollte eine Sicherung eingebaut werden. Es handelt sich hierbei um ein Gehäuse bestehend aus einen Zylinder und einen Kolben an dessen Unterseite sich eine Rolle befindet. Der Kolben wird durch eine ausreichend starke Feder nach unten gedrückt.

Im Oberteil des Gehäusen befinden sich zwei verschieden lange Stifte deren Schäfte isoliert sind. Diese Stifte sind mit einem stromführenden Kabel verbunden. Wird durch die Feder im Gehäuse der Kolben nach unten gedrückt wird der Stromkreislauf zuerst an einem Stift danach an beiden Stiften geschlossen. Das Gehäuse wird so angebracht, daß der Kolben mit der Rolle auf den Zahnriemen vor der Spannvorrichtung drückt. Sobald die Spannung des Zahnriemens aus irgend einem Grunde nachläßt schließt sich zuerst der erste Stromkreislauf. Der Fahrer wird durch eine Kontrolleuchte gewarnt. Verringert sich die Spannung des Zahnriemens weiter wird der Kontakt zur Zündung oder Kraftstoffzufuhr (beim Diesel) und zum Anlasser unterbrochen.

Eine einfache Halterung mit einer an einem Pendelarm befindlichen Rolle, welche durch eine Feder nach unten d. h. auf den Zahnriemen gedrückt wird erfüllt den gleichen Zweck wenn sich dabei das andere Ende des Pendelarmes hebt und dabei nacheinander auf zwei Kontakte drückt und zuerst den einen und dann den anderen Stromkreis schließt. Solche Kontakte werden auch in der Fahrgastzelle angebracht damit sich beim öffnen der Tür die Innenbeleuchtung einschaltet.

So wird zuverlässig verhindert, daß sich die Spannung des Zahnriemens soweit verringert, daß der Zahnriemen z. B. um einen Zahn überspringen kann und dadurch teuere Motorschäden entstehen können. Diese Sicherung kann auch in alle bereits in der Produktion befindlichen Motoren eingebaut werden.

Welche Vorteile bietet der HVS-Motor:
Im Gegensatz zum Nockenwellenmotor öffnen und schließen die Ventile des HVS- Motors sich schlagartig und sind nicht von der Form eines Nocken abhängig. Das bedeutet, daß sich die Ventile früher komplett öffnen und später schließen. Das Ergebnis ist eine bessere Füllung der Zylinder, höhere Leistung durch, höhere PS- Leistung und vor allem eine flachere Drehmomentkurve.

Das bedeutet ein hohes Drehmoment im gesamten Drehzahlbereich, jedoch vor allem hohes Drehmoment im unteren Drehzahlbereich. Daraus ergeben sich niedrige Verbrauchswerte. Der Motor ermöglicht eine entspannte Fahrweise.

Beim sportlichen Einsatz ist die hohe Durchzugsbeschleunigung im unteren Drehzahlbereich vorteilhaft. So kann mit maximaler Kraft beschleunigt werden, was besonders hohe Durchschnittsgeschwindigkeiten ergibt.

Bezugszeichenliste

1 Motorblock (4 Zylinder-Motor)
2 Zylinder
3 Kolben
4 Zylinderkopf (Ein- und Auslaßkanäle nicht eingezeichnet)
5 Ventile (Ein- und Auslaß)
6 Ventilteller (Der normalerweise die Ventilfedern fest hält)
7 Ölkissen das die Ventile schließt (kann auch durch herkömmliche Ventilfedern ersetzt werden
8 Ölleitung welche die Ölkissen mit Öldruck versorgt mind. 4 bar
9 Kontermuttern zum Einstellen des Ventilspiels
10 Kolbenstange
11 Kolben zur Ventilbetätigung
12 Zylinder in der Sammelleiste
13 Sammelleiste in der die Zylinder eingearbeitet sind (kann auch durch einzelne Elemente mit jeweils 2 Zylindern je Zylinder des Motors ersetzt werden)
14 Elektrische Ventile
15 Hochdruckölleitung
16 Elektrischer Verteiler der das Öffnen und Schließen der elektrischen Ventile und somit auch der Ein- und Auslaßventile des Motors steuert; Der elektrische Verteiler ist mit Kabeln (nicht eingezeichnet) mit den elektrischen Ventilen verbunden.

Der elektrische Verteiler kann durch einen mechanischen Verteiler ersetzt werden welcher über Rohrleitungen mit den Zylindern in der Sammelleiste verbunden ist.

Die elektrischen Ventile können dann entfallen.

Der Antrieb kann bei beiden Verteilern über eine Steuerkette oder einen verzahn ten flachen Riemen erfolgen.

Claims

1. Die Elemente bestehend aus Zylinder und durchbohrtem Kolben bzw. die Leiste solcher Elemente welche die Ventile geschlossen halten d. h. die Ventilfedern ersetzen.

2. Die Elemente oder Leiste von Elementen bestehend aus Zylinder und Kolben welche die Ventile betätigen, d. h. öffnen.

3. Der mechanisch-hydraulische Verteiler wie in der Beschreibung erwähnt.

4. Der elektrische Verteiler wie er in der Beschreibung erwähnt wird.

5. Die als Zusatzpatent bezeichnete Zylinderkopfdichtung mit Dichtungsring aus Keramik oder Titan.

6. Die Sicherung welche verhindert, daß der verzahnte Flachriemen überspringen kann in den beiden beschriebenen Versionen.

7. Die Verwendung von Federspeichern zur Druckstabilisierung.