DE3241723A1

DE3241723A1 - Drehschieberanordnung zur steuerung des ladungswechsels einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3241723A1
Application number: DE19823241723
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr. 3180 Wolfsburg Krüger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1982-11-11
Filing date: 1982-11-11
Publication date: 1984-05-17
Also published as: US4517938A

Description

O L K S V/ AGE-NWERK

AKTIENGESELLSCHAFT

3180 Wolfsburg

. - t - K 3340/1702pt-hu-sa

Drehschieberanordnung zur Steuerung des Ladungswechsels einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Drehschieberanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

i Die Verwendung von Drehschiebern zur Steuerung des Gaswechsels von Brenn- j

kraftmaschinen hat gegenüber der üblichen Verwendung von Hubventilen mehrere ;

Vorteile grundlegender Art. Ein Vorteil ist in dem Fehlen der Hubventilmassen- ι

kräfte und -stoße und damit in der Geräuschfreiheit und der Drehzahlunabhän- !

gigkeit der Arbeitsweise von Drehschiebern zu sehen. Bei Drehschiebersteuerung ^!

lassen sich ferner große und strömungsgünstige Steuerquerschnitte erzielen, was sich günstig hinsichtlich der erreichbaren Maschinenleistung auswirkt. Um eine derartige verbesserte Leistung bei Hubventilen zu erzielen, ist es erforderlich, eine größere Anzahl von Einlaßventilen, beispielsweise bis zu vier Ventilen, je Zylinder vorzusehen. Insbesondere bei Drehschiebern der Walzendrehschieberbauart läßt sich in vorteilhafter Weise ein kompakter, nicht zerklüfteter, frischgasdurchströmter Brennraum vorsehen.

Der allgemeinen Einführung der Drehschieber zur Steuerung des Ladungswechsels bei Brennkraftmaschinen steht bislang das Dichtproblem entgegen. Aus der eine

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: · ' ; ■■·,-.: i , SiU ocf C.PSel'scl'B': V.oMiburg " Amisgericht Wolfjbutg HRB 215

Drehschieberanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs besehreibenden DE-OS 29 28 k5Q ist, wie auch aus weiterer Patentliteratur, soweit diese überhaupt diesbezügliche Einzelheiten angibt, im Bereich der Dichtmittel eine Ölschmierung vorgesehen. Unabhängig davon, ob die Dichtmittel bei diesem bekannten Walzendrehschieber ferner längs Mantellinien desselben verlaufende Dichtleisten oder gemäß der DE-OS 25 10 005 mit Dichtungen versehene, gegen den Drehschieber gepreßte Gegenflächen enthalten, wobei ebenfalls eine Ölschmierung vorgesehen ist, ergeben sich als grundlegende Nachteile der Drehschiebersteuerung ein hoher Ölverbrauch und dennoch eine hohe Reibleistung, die den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine nachteilig beeinflußt.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Drehschieberanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dahingehend zu verbessern, daß trotz Fortfalls des unerwünschten Ölverbrauchs die Reibleistung verringert ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Betrachtet man im folgenden zur Veranschaulichung den bevorzugten Einsatzfall der Erfindung, nämlich bei Walzendrehschiebern, so übernimmt die Erfindung die an sich bekannte Anordnung von den Drehschiebern längs Umfangslinien umschließenden Gasdichtringen, die in axialer Richtung die Oberflächenbereiche des Drehschiebers zwischen sich einschließen, auf denen die Kanalenden, also die Kanalöffnungen, liegen. Damit schließen diese Gasdichtringe zwischen sich auch die Einmündungsstellen der Zu- und Abführungskanäle im Drehschiebergehäuse ein, so daß sie eine vollkommene Abdichtung dieser verschiedenen Öffnungen in axialen Richtungen sicherstellen. Bei einer mehrere Brennräume^ alsn beispielsweise Zylinder, enthaltenden Brennkraftmaschine, deren Drehschieberanordnung mehrere axial aufeinanderfolgende, jeweils einem der Brennräume zugeordnete Bereiche aufweist, bedeutet dies also bei den außenliegenden Bereichen

. BAD ORIGINAL

eine Abdichtung gegen das Äußere, bei den innenliegenden Bereichen eine Abdichtung zwischen einander benachbarten Drehschieberbereichen.

Im Gegensatz zum Stand der Technik verzichtet die Erfindung aber bewußt auf eine Ölschmierung dieser Gasdichtringe, d.h. bei in Nuten des Drehschiebers festgelegten Gasdichtringen zwischen diesen und der Innenfläche des Drehschiebergehäuses, im umgekehrten Falle zwischen den Dichtringen und der Oberfläche des Drehschiebers.

Während weiterhin beim Stand der Technik, wie oben dargelegt, zur Abdichtung der definierten Oberflächenbereiche in Umfangsrichtung (damit sich zwischen Drehschieber und Drehschiebergehäuse und damit letztlich zwischen Brennraum und Ansaugrohr bzw. Abgasrohr keine Bypässe befinden) zusätzliche Dichtringe, Dichtleisten oder dergleichen vorgesehen sind, die ebenfalls eine Ölschmierung erfordern, sieht die Erfindung hier eine Spaltdichtung vor, die angesichts der üblichen Umfangsabmessungen von Drehschiebern bei geeigneter Wahl der Spaltweite, nämlich etwa gleich dem Lagerspiel in den Drehschieber-Gleitlagern, eine für die Dichtwirkung hinreichende Länge besitzt. Infolge der Verbindung zwischen diesem Dichtspalt einerseits und dem Zu- bzw, Abführungskanal im Drehschieber andererseits wird die so aufgefangene Leckgasmenge dem betreffenden Kanal zugeführt. Sofern die mit dem Saugrohr und dem Abgasrohr verbundenen Kanäle in dem Drehschiebergehäuse den zum Brennraum führenden Kanälen diametral gegenüberliegen, ergibt sich eine maximale Länge für den jeweiligen Dichtspalt.

Damit eine Spaltdichtung mit definiertem Querschnitt, insbesondere definierter Spaltweite, bei allen Betriebsbedingungen sichergestellt ist, wird man zweckmäßigerweise zumindest einen Teil der in den Patentansprüchen 5, 6, 7, 12 und 13 angegebenen Maßnahmen treffen, die letztlich alle zum Ziel haben, thermisch bedingte Änderungen der Weite des Dichtspalts in Grenzen zu halten. Die Merkmale des Anspruchs 12 sind für sich aus der DE-OS 25 10 005 bekannt.

Die Merkmale der Patentansprüche 8 und 9 wirken einem Festfressen des Drehschiebers im Drehschiebergehäuse bei sehr klein gewählter Weite des Dichtspalts

BAD ORIGIiSIAL

entgegen, d.h. einer Gefahr, wie sie beispielsweise bei Verschleiß in den Drehschieberlagern auftreten kann.·

Die Ausbildung nach Patentanspruch 10 berücksichtigt die Tatsache, daß bei der Erfindung die die Spaltdichtung einschließenden Oberflächenbereiche sehr hohen Abgastemperaturen über längere Zeit ausgesetzt sein können, so daß es zweckmäßig ist, dort der Gefahr der Bildung von Anschmelzungen durch die Abgase entgegenzuwirken. ;

Dieser Gefahr können verständlicherweise auch die Gasdichtringe unterliegen, weshalb es zweckmäßig sein kann, dafür zu sorgen, daß sich zwischen diesen und den zum Brennraum führenden Kanälen im Drehschiebergehäuse ein relativ langer Dichtspalt als "Feuersteg" erstreckt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung für den Fall eines Walzendrehschiebers erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen senkrechten Mittellängsschnitt durch

den hier interessierenden Bereich einer Vierzylinder-Hubkolben-Brennkraftmaschine und

Fig. 2 die in Fig. 1 bei H-II angedeutete Schnittan

sicht.

Die Zylinder 1, 2, 3 und k der Brennkraftmaschine, in denen nicht dargestellte, auf eine gemeinsame Kurbelwelle arbeitende Kolben laufen, bildet zusammen mit den Kolben Brennräume, die in Richtung nach oben durch das mit dem Zylinderblock 5 ein einstückiges Gußteil bildende Drehschiebergehäuse 6 abgeschlossen sind. Das Drehschiebergehäuse 6 enthält eine Vielzahl allgemein mit 7 bezeichneter Kühlflüssigkeitskanäle und -räume in solcher Anordnung, daß sie den in dem Drehschiebergehäuse 6 mittels geschmierter Gleitlager 8 drehbar gelagerten Drehschieber 9 umschließen, soweit dies die im einzelnen noch zu beschrei-

benden Kanäle im Drehschiebergehäuse zulassen. Der Drehschieber 9 wird über die Antriebswelle JO, die beispielsweise über einen Zahnriementrieb mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in Drehverbindung steht, mit einer Drehzahl angetrieben, die in einem vorgegebenen Verhältnis -hier 1:2- zur jeweiligen Drehzahl der Brennkraftmaschine steht.

Betrachtet man weiterhin den Aufbau des Drehschiebers, so ist dieser in vier Schieberbereiche 11 bis If unterteilt, von denen jeder einem der Zylinder 1 bis Ψ j

zugeordnet sind und die -abgesehen von einer anderen Ausrichtung der in ihnen ι

vorgesehenen Zu- und Abführungskanäle- identisch aufgebaut sind, so daß im ι

folgenden nur der Drehschieberbereich 11 oberhalb des Zylinders 1 im einzelnen beschrieben wird.

Der Drehschieberbereich enthält den Zuführungskanal 15 für Frischgas, bei einer Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung in die Zylinder also Luft, und den Abführungskanal 16 für Abgase, die durch die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Zylinder 1 entstanden sind. In der dargestellten Drehlage des Drehschiebers 9 verbindet der Abführungskanal 16 den Brennraum des Zylinders 1 über den Kanal 17 im Drehschiebergehäuse 9 mit dem ebenfalls gehäusefesten Kanal 18, an den sich das in der Figur nicht dargestellte Abgas- ,

rohr anschließt. Dieser Abführungskanal verläuft geradlinig, wobei seine Achse j

die Längsachse des Drehschiebers schneidet, und in der gezeichneten Stellung j

fluchten seine Kanalenden 16' und 16" mit den Gehäusekanälen 17 und 18.

Betrachtet man demgegenüber den Zuführungskanal 15, der -vgl. auch Fig. 2-eine bogenförmige Achsausrichtung besitzt, so sind seine Enden 15' und 15" von Wandbereichen des Drehschiebergehäuses 9 abgedeckt, so daß dieser Kanal wirkungslos ist. Erst wenn nach Drehung um ca. 90° in Fig. 2 im Uhrzeigersinn das Kanalende 15' mit dem Gehäusekanal 17 und das Kanalende 15" mit dem Gehäusekanal 19 (siehe Fig. 2), an den sich das Ansaugrohr anschließt, fluchtet, erfolgt während des Ansaugtakts des Zylinders 1 die Frischgaszufuhr zu diesem Zylinder.

Im Rahmen der Erfindung interessieren nun in erster Linie die Dichtmaßnahmen im Bereich des Drehschiebers 9. Auch hier kann sich die Beschreibung infolge der identischen Verhältnisse in den Drehschieberbereichen 12, 13 und 14 auf den Bereich 11 beschränken.

In sich jeweils über einen Umfang des Drehschiebers 9 erstreckenden Nuten sind trockenlaufende Gasdichtringe 20, 21 und 22 angeordnet, die, wie Fig. 1 zeigt, geschlitzt und in diesem Ausführungsbeispiel radial vorgespannt sind. Es kann zweckmäßig sein, durch zusätzliche Maßnahmen am Drehschiebergehäuse 6 die Lage der Schlitze 20', 21¹ und 22' etwa diametral gegenüber dem zum Brennraum führenden Gehäusekanal 17 zu fixieren. Der Gasdichtring 20 hat dabei im wesentlichen die Aufgabe, den Zutritt von Öl oder Schmierfett vom Lager 8 zu dem benachbarten Gasdichtring 21 zu unterbinden. Die beiden Gasdichtringe 21 und 22 sollen dafür sorgen, daß trotz der sehr unterschiedlichen Gasdrücke in den Gehäusekanälen 17, 18 und 19 -Brennraumdruck, Abgasgegendruck und Saugrohrdruck (Unterdruck bei Saugbetrieb, Überdruck bei Aufladebetrieb)- keine gleichsam Bypässe zu den Drehschieberkanälen 15 und 16 darstellenden Undichtigkeiten auftreten. Diese Aufgabe lösen die Gasdichtringe im Zusammenwirken mit den Spaltringdichtungen 24, 25 und 26, deren Spaltweiten verständlicherweise in der Zeichnung übertrieben dargestellt sind. Zusätzlich kann am oberen Ende des Gehäusekanals 17 ein weiterer trockenlaufender, gasdruck- und/oder federkraftbelasteter, diesen Kanal umschließender Dichtkörper vorgeschaltet sein.

Für die Dichtwirkung der Spaltdichtungen ist verständlicherweise die Weite des Dichtspalts im Betrieb der Brennkraftmaschine, d.h. auch bei sehr hohen Abgastemperaturen, von entscheidender Bedeutung. Daher ist es zweckmäßig, außer der bei 7 angedeuteten Flüssigkeitskühlung des Gehäuses, die gleichsam den gesamten Drehschieber 9 umschließt, durch geeignete Materialwahl für den Drehschieber 9 dafür zu sorgen, daß er außer hoher Warmfestigkeit auch eine geringe Wärmedehnung und eine geringe Wärmeleitung besitzt. Hier kommen hochlegierter Stahl, Kohlenstoff, Keramik, Metall-Keramik-Verbundmaterial, wie Keramik-

- ίο -

fasermetall oder Kohlefasermetall, und Keramik-Kohlefaser-Verbundmaterial in Frage. Außerdem können zur Verbesserung der thermischen Isolation im Drehschieber isolierende Einschlüsse in Form von Keramikkörpern oder Lufträumen vorgesehen sein.

Die Erfindung ist verständlicherweise auch dann einsetzbar, wenn das Drehschiebergehäuse 6 nicht einstückig mit dem Zylinderblock 5 hergestellt ist. In jedem Fall ergibt sich eine Drehschiebersteuerung mit den eingangs angegebenen Vorteilen gegenüber einer Hubventilsteuerung und günstigen Eigenschaften hinsichtlich Ölverbrauch und Reibleistung.

BAD ORIGiMAL

- M -. Leerseite

Claims

V O 1 V C, "W ΐ. C* T '·ϊ V⁷
V ⁽ν^ L· Iv ο νν r\ Kj L· iS Vv

A Π I [ N G E S Π L C C H A F

3180 Wolfsburg

K 33*0/1702pt-hu-sa 09. November 1982

PATENTANSPRÜCHE

f IJ Drehschieberanordnung zur Steuerung des Ladungswechsels einer Brennkraftmaschine mit einem in einem maschinenfesten Drehschiebergehäuse laufenden, Zu- und Abführungskanäle für Frischgas und Abgase, deren Enden drehwinkelabhängig zeitweilig in entsprechende Kanäle im Drehschiebergehäuse einmünden, enthaltenden Drehschieber, sowie mit axial neben Oberflächenbereichen desselben, die von Kanalenden belegt sind, in Nuten im Drehschieber oder im Drehschiebergehäuse gehaltenen, den Drehschieber umschließenden Gasdichtringen, dadurch gekennzeichnet, daß trockenlaufende Gasdichtringe (20,21,22) vorgesehen sind, die zumindest an ihren Gleitflächen aus einem Gleitwerkstoff bestehen, und daß die Gasabdichtung innerhalb der zwischen den Gasdichtringen (20,21,22) liegenden Oberflächenbereiche durch zumindest eine trockene Spaltdichtung (2^,25,26) erfolgt.
2. Drehschieberanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber (9) im Drehschiebergehäuse (6) mittels ölgeschmierter Lager (8) gelagert ist und die Lager (8) durch trockenlaufende Gasdichtringe (20) gegen die Oberflächenbereiche abgedichtet sind.

Vors'Uonat"
3. Drehschieberanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdichtringe (20,21,22) zumindest an ihren Gleitflächen aus Sintermaterial bestehen.
4. Drehschieberanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdichtringe (20,21,22) Kohleringe sind.
5. Drehschieberanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Drehschiebergehäuse (6) den Drehschieber (9) weitgehend umschließende Kühlkanäle (7) vorgesehen sind.
6. Drehschieberanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber (9) aus einem Material mit kleinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und kleiner Wärmeleitfähigkeit besteht.
7. Drehschieberanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber (9) aus einem Material der Gruppe hochlegierter Stahl, Kohlenstoff, Keramik, Metall-Keramik-Verbundmaterial oder Keramik-Kohlefaser-Verbundmaterial besteht.
8. Drehschieberanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Spaltdichtung (24,25,26) der Drehschieber (9) oder das Drehschiebergehäuse (6) mit einer Schicht aus abrasivem Material belegt ist, die bei Kontakt mit der Gegenfläche diese ausschleift.
9. Drehschieberanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Spaltdichtung (24,25,26) der Drehschieber (9) oder das Drehschiebergehäuse (6) mit einer Schicht aus trockenschmierendem Material, wie Kohle, belegt ist.
10. Drehschieberanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Spaltdichtung (24,25,26) der Drehschieber (9) und/oder das Drehschiebergehäuse (6) hochschmelzendes Material enthält.
11. Drehschieberanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Spaltdichtung (24,25,26) der Drehschieber (9) oder das Drehschiebergehäuse (6) mit einer Notlaufgleitschicht versehen ist.
12. Drehschieberanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber (9) wärmeisolierende Einschlüsse, wie Lufträume und Keramikkörper, besitzt.
13. Drehschieberanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abführungskanäle (16) im Drehschieber (9) wärmeisolierend ausgeführte Wände (Keramikschichten, luftspaltisolierte Metallschichten) besitzen.
14. Drehschieberanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein zum Brennraum führender abgasbeaufschlagter Kanal (17) im Drehschiebergehäuse (6) von einem trockenlaufenden Dichtkörper, umschlossen ist.
15. Drehschieberanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Spaltweite der Spaltdichtung (24,25,26) etwa gleich dem Lagerspiel der Lager (8) des Drehschiebers (9) gewählt ist.