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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Verschlussvorrichtung für
Lufteinlasskanäle
in einem Mehrzylinder-Verbrennungsmotor.
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In den Mehrzylinder-Verbrennungsmotoren sucht
man nach einer Lösung,
die Verbrennung des Kraftstoffes in den Zylindern zu optimieren,
indem man das Gemisch aus Brennstoff und aus der als Sauerstoffträger verwendeten
Luft während
der Einlassphase verbessert. Bei den Einspritzmotoren ist dies ein
sehr ernsthaftes Problem im unteren Drehzahlbereich. Das Problem
wird im Allgemeinen dadurch gelöst,
indem eine Turbulenz in dem Gas, das jedem Zylinder des Motors zugeführt wird,
hervorgerufen wird. Eine häufig
verwendete Technik ist der "Swirl"-Effekt oder eine
Rotation des Gases, sobald dieses in den Zylinder eintritt, um so
eine Verwirbelung parallel zur Zylinderachse zu erzeugen, die sich günstig auf
die Verbesserung des Luft-Kraftstoff-Gemisches auswirkt. Um dies
zu erreichen, kann man zum Beispiel bei niedriger Drehzahl eines
von zwei Ansaugrohren bei Motoren mit zwei Ansaugrohren pro Zylinder
schließen.
Eine weitere Technik besteht darin, einen "Tumble"-Effekt zu erzeugen, d. h. eine Verwirbelung,
die senkrecht zur Zylinderachse verläuft. Dieser Effekt kann erzeugt
werden, indem man einen Zylinderkopfkanal vorsieht, der durch eine
Zwischenwand in zwei Teile unterteilt wird, wobei jeweils eines
der beiden Teile dieses Kanals geschlossen wird.
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Entsprechende Verschlussvorrichtungen,
die in der Lage sind, einen in seiner Intensität variablen "Tumble"-Effekt je nach Leistung
und Drehzahl des Motors zu erzeugen und die den Luftauslass in dem nicht
verschlossenen Teil nicht beeinträchtigen, wurden entwickelt.
Die Patentanmeldung
EP 480393 erläutert ein
Verschlusssystem für
Motoren, das ein Schieberventil enthält, mit dem ein partieller
Verschluss der Einlasskanäle
erreicht werden kann, ohne den Luftauslass in dem nicht verschlossenen Teil
zu beeinträchtigen.
Dieses sehr komplexe Schieberventil besteht aber aus einem Stück, was
seine Herstellung schwierig gestaltet, außerdem ist es nicht möglich, eventuelle
durch die Fertigung bedingte und/oder durch den Gebrauch hervorgerufene
Toleranzfehler zu korrigieren.
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Um diese Mängel zu beheben und um trotzdem
den Vorteil eines unbeeinträchtigten
Austritts in dem nicht verschlossenen Teil zu gewährleisten,
ist es das Ziel der Erfindung, eine einfache Verschlussvorrichtung
anzubieten, die aus mehreren Einzelteilen hergestellt werden kann,
wodurch die für
die gesamte Konstruktion notwendigen Toleranzen leichter eingehalten
werden können.
Außerdem
kann diese Vorrichtung leicht in einen Luftverteiler eingebaut werden,
der in einem Stück
ohne Bearbeitung hergestellt werden kann, was aus dieser Konstruktion
ein einziges Stück
macht, das in einem einzigen Arbeitsgang vom Motorenhersteller auf
den Zylinderkopf dieses Motors montiert werden kann.
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Die Erfindung betrifft eine Verschlussvorrichtung,
mit der ein Teil der Lufteinlasskanäle in einem Mehrzylinder-Verbrennungsmotor
verschlossen werden kann, die mit einem Schieberventil versehen
ist, das im Wesentlichen aus Verschlusselementen, welche durchgehend
eine parallel zur Achse der Lufteinlasskanäle verlaufende Bohrung aufweisen,
und die untereinander durch Stifte verbunden sind, die nicht durch
die Lufteinlasskanäle
laufen und eine gemeinsame Drehachse bilden, wobei die Verschlusselemente
eine asymmetrische Form im Vergleich zur Drehachse haben, und zwar
derart, dass sie nicht den Teil der Lufteinlasskanäle versperren,
den man nicht verschließen
möchte,
und dies in jeder Stellung des Schieberventils.
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Die Verschlussvorrichtung gemäß vorliegender
Erfindung erlaubt es, einen vordefinierten Teil mindestens eines
Teils der Lufteinlasskanäle
eines Verbrennungsmotors nach Belieben zu verschließen. Diese
Kanäle
sind die in jeder Wärmekraftmaschine vorhandenen
Kanäle,
die zum oberen Teil jedes Zylinders auf Höhe des Zylinderkopfes führen, dort,
wo sich ein Einlassventil befindet, und die von einem Verteiler
kommen, der die angesaugte Luft auf alle Zylinder verteilen soll.
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Mit Wärmekraftmaschine bezeichnet
man in diesem Fall einen Verbrennungs- oder Explosionsmotor, der
mindestens zwei Zylinder enthält,
in denen ein Kolben eine Vorwärts- und Rückwärtsbewegung ausführt, die
mittels eines Systems aus Pleuelstange und Kurbel in eine Drehbewegung
umgewandelt wird und in dem die chemische Verbrennungsenergie des Kraftstoffs
in die kinetische Drehenergie einer Welle umgewandelt wird.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung
befindet sich im Allgemeinen zwischen dem Luftverteiler und dem
Zylinderkopf, d. h. zwischen dem Teil, das zwischen den einzelnen
Zylindern die von dem Motor als Sauerstoffträger verwendete Luft verteilt
und dem Zylinderkopf des Motors.
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Er ist mit einem Schieberventil versehen,
das im Wesentlichen aus Verschlusselementen besteht, die dazu dienen,
einen Teil der Verschlusskanäle durch
Drehung um eine gemeinsame Achse zu verschließen. Um das Ausströmen der
Luft in dem nicht verschlossenen Teil der Kanäle, der sich je nach Stellung
des Schieberventils zwischen der Gesamtheit der Kanäle in geöffneter
Stellung und dem Teil, den man nicht verschließen möchte befindet, nicht zu beeinträchtigen,
sind die Verschlusselemente durchgehend mit einer parallel zur Achse
der Lufteinlasskanäle
verlaufenden Bohrung versehen, wobei die Verschlusselemente eine
asymmetrische Form im Vergleich zu ihrer Drehachse haben und untereinander durch
Stifte verbunden sind, die nicht durch die Lufteinlasskanäle laufen
und die die genannte Achse bilden. Ihre Form und speziell das interne
Profil ihrer Bohrung muss derart gebildet sein, dass das Ausströmen der
Luft in dem Teil des Kanals, den man nicht verschließen möchte, nicht
beeinträchtigt
wird, egal, in welcher Stellung sich das Schieberventil befindet.
Insbesondere, wenn sich das Schieberventil in geöffneter Stellung befindet,
sollen die Verschlusselemente nicht die Einlasskanäle insgesamt
versperren, und wenn sich das Schieberventil in geschlossener Stellung
befindet, sollen sie nicht den Teil versperren, den man nicht verschließen möchte.
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Beispiele asymmetrischer Formen,
für die Verschlusselemente
der Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung in Frage kommen, sind entweder hohle Teilkugeln oder hohle
Teilzylinder. Die Wahl der Form hängt selbstverständlich ab
von der Form der zu verschließenden
Kanalabschnitte.
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Um dem Schieberventil eine ausreichende Steifigkeit
zu geben, die den mechanischen Beanspruchungen und den Vibrationen
standhalten kann ohne die Stärke
der Verschlusselemente extrem zu erhöhen, ist es oft von Vorteil,
diese Elemente mit einer oder mehreren Verstärkungsrippen auf ihrer äußeren Oberfläche zu versehen,
die der inneren beanspruchten Oberfläche gegenüberliegt. Die Anzahl, die Geometrie
und die Anordnung dieser Verstärkungsrippen
sind so angepasst, dass sie das Trägheitsmoment während der
Biegung und Torsion des Teils erhöht. Vorzugsweise werden sämtliche
Verschlusselemente mit identischen Verstärkungsrippen ausgestattet.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind
die Verschlusselemente untereinander durch Stifte verbunden, die
nicht – um
nicht das Ausströmen
der Luft zu beeinträchtigen – durch
die Einlasskanäle,
welche eigentlich die Drehachse bilden, laufen. Unter „Stifte" versteht man die
Verbindungselemente, die einen beliebigen, im Allgemeinen aber kreisförmigen Querschnitt
haben (senkrecht zur Drehachse), und der bedeutend kleiner als ein
paralleler Querschnitt in den Verschlusselementen ist. Der Querschnitt
der Stifte ist im Allgemeinen kleiner als die Hälfte desjenigen der Verschlusselemente,
vorzugsweise kleiner als ein Viertel, und sogar kleiner als ein
Zehntel als desjenigen der Verschlusselemente. Die Tatsache, dass
man einen kleineren Querschnitt bei den Stiften hat, erlaubt es,
an dieser Stelle (unter Berücksichtigung
des geringeren Raumbedarfs) Lagerungen für die Befestigungselemente
auf dem Zylinderkopf (oder Zylinderkopfdeckel) des Motors vorzusehen,
wodurch man ein von den Verschlusselementen unabhängiges Befestigungssystem
erhält
und somit Interferenzen zwischen den Befestigungen und dem Verschluss
entgegenwirkt.
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Das Schieberventil der Vorrichtung
gemäß der Erfindung
kann mittels jeder bekannten Methode hergestellt werden. Vorzugsweise
wird sie durch Gießen
hergestellt, eventuell sogar aus einem Stück. Allerdings ist es vorteilhafter,
wenn sie aus zwei separat gegossenen Teilen hergestellt und dann
zusammengebaut wird. Diese Art der Herstellung erlaubt es, gewisse
Toleranzfehler (bedingt durch die Herstellung und/oder durch den
Gebrauch hervorgerufene Expansion, vor allem, wenn die Teile aus
Plastik sind) zu kompensieren. Vorzugsweise sind die Verschlusselemente
separat angeordnete Teile, die mindestens einen Stift beinhalten,
mit dem der Zusammenbau bewerkstelligt werden kann.
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Die Verschlusselemente können aus
unterschiedlichen Materialien oder Zusammensetzungen hergestellt
werden, die mit der Umgebung des Motors und speziell mit der der
Lufteinlasskanäle
kompatibel sind. Man kann zum Beispiel Elemente aus Metall verwenden.
Man kann ebenfalls Elemente aus Stahl oder aus einer Aluminiumlegierung
verwenden. Und man kann außerdem
Verschlusselemente aus Plastik verwenden, zum Beispiel auf der Basis
von Thermoplasten oder Duroplasten. Aus Plastik hergestellte Verschlusselemente
werden vorgezogen. Die Plastikmaterialien, die gut geeignet sind,
sind zum Beispiel Polypropylen oder Polyamid, vorzugsweise mit Füllstoffen
(Glas- oder Kohlenstoff-Fasern, mineralische Füllstoffe).
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Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung kann ein einzelnes Teil sein, das der Hersteller zwischen
den Verteiler und den Zylinderkopf oder den Zylinderkopfdeckel des
Motors während
der Montage einbaut.
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Als bevorzugte Alternative wird die
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung in den Verteiler integriert. Es sei in diesem Fall darauf
hingewiesen, dass der Verteiler vorzugsweise ebenfalls einen Zylinderkopfdeckel
beinhaltet, wodurch die Anzahl der in den Motor einzubauenden Teile
auf ein Minimum reduziert werden kann. Folglich betrifft die vorliegende
Erfindung ebenfalls einen Verteiler, der eine wie oben beschriebene
Vorrichtung und vorzugsweise auch einen Zylinderkopfdeckel beinhaltet.
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Um die Montage und die Führung der
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung und insbesondere des Schieberventils vornehmen zu können, ist
die Geometrie der Teile, zwischen die sie eingebaut wird, zumindest
teilweise schon angepasst. Als Alternative ist es möglich, mindestens
ein Verbindungsstück
mit angepasster Form einzubauen. Vorzugsweise ist die Form der Grundplatte
des Verteilers angepasst, damit man dort das Schieberventil aufschieben
kann und seine Führung
zumindest teilweise gesichert ist. Gemäß dieser Variante wird das Schieberventil
vorzugsweise durch eine Platte gehalten, die auf dem Zylinderkopf
montiert ist und die die Kanäle
(Aussparungen) enthält,
die dazu dienen, die Lufteinlasskanäle und ihre Verlängerung
in dem Zylinderkopf zu verbinden. Diese Platte kann ebenfalls aus
mehreren Teilen, und vorzugsweise ebenfalls aus Plastik hergestellt
werden. Sie dient im Allgemeinen auch zumindest teilweise als Lagerung
und Führung
für das
Schieberventil und außerdem
auch als Zylinderkopfdeckel. Sie kann eventuell zumindest teilweise
in den Verteiler eingeführt
oder alternativ einfach nur mit einem geeigneten Mittel wie Clip, Schraube
o. ä. auf
dem Verteiler befestigt werden. Diese Platte kann eine beliebige
Geometrie haben. Sie kann zum Beispiel aus einer Ansammlung von Kanälen bestehen,
die durch so wenig Material wie möglich verbunden sind, um die
Struktur nicht unnötig
zu belasten. Um die Undurchlässigkeit
mit dem Zylinderkopf sicher zu stellen, ist diese Platte auf der Seite
des Zylinderkopfes mit Dichtungsmaterial um den äußeren Umfang der Aussparungen
versehen.
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Damit das Schieberventil rotieren
kann, ist diese im Allgemeinen mit Lagerungen, die aus einem Material
mit einem schwachen Reibungskoeffizienten bestehen (zum Beispiel
aus Polyamid, das mit Polytetrafluorethylen geschmiert wird) und
die auf ihrer Achse angeordnet sind, und mit Führungszapfen, die an ihren
beiden äußeren Enden
angeordnet sind, versehen. An einem äußeren Ende ist der Zapfen mit einem
Antriebsorgan verbunden, das von einer entsprechenden Vorrichtung
in Gang gesetzt wird, und am anderen äußeren Ende ist der Zapfen im
Allgemeinen in eine Lagerung eingeführt, die entweder in einer
Buchse integriert oder in einem separaten Teil untergebracht ist,
der als Pfropfen dient. Um die Reibung während der Drehung des Zapfens
in der Lagerung zu verringern, kann mindestens eines dieser Teile
wie Zapfen und/oder Lagerung zumindest auf der Oberfläche aus
einem Material mit einem schwachen Reibungskoeffizienten bestehen.
Als Alternative kann ein zusätzliches
Teil aus diesem Material zwischen den Zapfen und der Lagerung eingeführt werden.
Falls erforderlich, wird die Undurchlässigkeit nach außen mittels
Dichtungen verbessert, zum Beispiel als O-Ring oder als Lippendichtung.
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Gemäß der Erfindung erlaubt die
Vorrichtung einen partiellen Verschluss mehrerer Lufteinlasskanäle und der
Schließbefehl
erfolgt simultan für
alle Kanäle.
Vorzugsweise ist die Verschlussrate für jeden Kanal, die dem jeweiligen
Zylinder zugeordnet ist, identisch. In der Regel wird die untere
Hälfte
der Kanäle
verschlossen.
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Was die Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung betrifft, so kann die Drehbewegung des Schieberventils
um seine Achse durch übliche Mittel
angetrieben werden. Das Antriebsmittel kann direkt angeschlossen
sein, wenn der Platz es erlaubt. So kann zum Beispiel die Achse
an ihrem Ende mit einem pneumatischen Antriebsmittel versehen werden.
Alternativ kann das Antriebsmittel auf das Schieberventil über ein
System aus Schwingarmen wirken. Außerdem wird die Winkelposition
des Schieberventils vorzugsweise mit einer üblichen Vorrichtung gemessen,
zum Beispiel mittels eines Potentiometers, was einen ununterbrochen
variablen Betrieb erlaubt. Vorzugsweise ist das Antriebsmittel mit
einer Rückstellfeder
versehen.
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Um einen wirksamen „Tumble"-Effekt zu erzeugen,
können
die Verlängerungen
der Einlasskanäle
in dem Zylinderkopf mit einer Zwischenwand versehen werden, die
sie in zwei Teile unterteilt, wobei jeweils nur ein Teil durch die
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung verschlossen wird. In diesem Fall kann die Platte, welche
das Schieberventil am Verteiler hält, gemäß der Geometrie des Systems wie
Form der Kanäle
und der Verschlusselemente ebenfalls mit einer Zwischenwand versehen
werden, welche als Verlängerung
der in dem Zylinderkopf angebrachten Zwischenwand dient. Diese Zwischenwand
ist vorzugsweise mit einer Dichtung versehen, um ein Auslaufen in
geschlossener Position zu begrenzen. Besonders vorteilhaft ist es,
wenn diese Dichtung aus einem Stück
mit den Dichtungen, die auf dem Umfang der Verlängerung der Einlasskanäle in der
Platte angeordnet sind, geformt ist. Vorzugsweise wird diese Dichtung
auf der Platte geformt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ebenfalls einen Verteiler, der einen Zylinderkopfdeckel beinhaltet,
der mit Kanälen
versehen ist, welche eine Verbindung zwischen den Lufteinlasskanälen und
ihren Verlängerungen
im Zylinderkopf herstellen, und eine Zwischenwand, welche die Kanäle in zwei
Teile unterteilt, wobei der äußere Umfang
der Kanäle
und die Zwischenwand mit Dichtungen versehen sind.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
außerdem einen
Zylinderkopfdeckel, der derart in eine integrierte Vorrichtung oder
einen integrierten Verteiler eingebaut werden kann, wie dies oben
beschrieben worden ist, und der mit Kanälen versehen ist, welche eine
Verbindung zwischen den Lufteinlasskanälen und ihren Verlängerungen
im Zylinderkopf herstellen, und eine Zwischenwand, welche die Kanäle in zwei Teile
unterteilt. Vorzugsweise sind der äußere Umfang der Kanäle und die
Zwischenwand mit Dichtungen versehen.
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Die vorliegende Erfindung wird durch
die 1 bis 3 in einer Weise dargestellt,
die noch ausgebaut werden kann, und welche eine bevorzugte Variante
der Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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Insbesondere die 1 zeigt eine allgemeine Ansicht einer
Verschlussvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Die 2 und 3 stellen einen Schnitt in
der selben auf dem Verteiler montierten Vorrichtung dar, wobei dieser
Schnitt vertikal verläuft
und die Achse eines Kanals beinhaltet und senkrecht zur oberen Oberfläche des
Zylinderkopfes verläuft.
Die Vorrichtung ist in geöffneter
Stellung (2) bzw. in
geschlossener Stellung (3)
gezeigt
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Das Schieberventil, von dem ein Teil
als allgemeine Ansicht in 1 dargestellt
ist, besteht im Wesentlichen aus Verschlusselementen in Form von durchbohrten
Kugeln 1, die untereinander mit Stiften 2 verbunden
sind. Es ist vorgesehen, es in das äußere Ende eines Verteilers 3 einzufügen, der
zu diesem Zweck mit einer geeigneten Grundplatte 4 versehen ist,
die insbesondere teilweise kugelförmige Aussparungen 5 für die teilweise
Lagerung der Verschlusselemente sowie eine längliche Aussparung 6 enthält, in die
teilweise eine Platte 8 eingeführt werden kann, welche das
Schieberventil stützt
und führt.
Die Platte 8 besteht aus Kanälen 9, die untereinander
durch eine Substanz verbunden sind. Die Kanäle 9 bilden eine Verbindung
zwischen den Einlasskanälen
des Verteilers 10 und ihrer Verlängerung im Zylinderkopf 7,
und sie sind ebenfalls mit teilweise kugelförmigen Aussparungen 11 versehen,
um eine teilweise Lagerung der Verschlusselemente zu ermöglichen.
Die Platte 8 enthält
eine Zwischenwand 12, die jeden Kanal 9 nur über einen
Teil seiner Länge
durchquert (siehe 2 und 3) und die in ihrer Verlängerung eine
identische Zwischenwand 14 im Zylinderkopf bildet. Die
Kanäle 9 und
die Zwischenwand 12 sind mit einer Dichtung 13 versehen.
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Die gesamte Konstruktion Verteiler/Schieberventil/Platte
dient dazu, ein einziges integriertes und folgendermaßen zusammengebautes
Teil zu bilden: Das Schieberventil wird zuerst teilweise in die Platte 8 eingeführt, anschließend wird
die gesamte Konstruktion in die Grundplatte 4 des Verteilers 3 eingeführt. Der
so eingebaute Verteiler wird anschließend auf dem Zylinderkopf 7 mit
Befestigungsmitteln (nicht dargestellt) montiert, für die Lagerungen 15 in der
Grundplatte 4 vorgesehen sind. Diese Lagerungen sind in
der länglichen
Aussparung 6 angeordnet, die für die Stifte 2 vorgesehen
ist, um so eine Interferenz zwischen den Verschlusselementen und
dem Befestigungssystem zu vermeiden.
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In den 2 und 3 sind abgebildet von links nach
rechts:
- 1. der Zylinderkopf 7 mit seiner Zwischenwand 14,
- 2. die Dichtung 13, die zwischen der Platte 8 und
dem Zylinderkopf 7 gespannt ist,
- 3. die Platte 8, die aus Leitungsteilen 9 besteht,
die durch teilweise kugelförmige
Aussparungen 11 für die
teilweise Aufnahme der Verschlusselemente 1 verlängert werden,
- 4. der Verteiler 3 mit seinen Einlasskanälen 10 und seiner
Grundplatte 4, die eine längliche Aussparung 6 enthält, in welcher
die Platte 8 eingefügt
ist sowie teilweise kugelförmige
Aussparungen 5 für
eine teilweise Aufnahme der Verschlusselemente.
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Aus der 2 geht deutlich hervor, dass die Verschlusselemente 1 nicht
die Einlasskanäle 10 versperren,
wenn das Schieberventil geöffnet
ist.
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Und aus der 3 geht hervor, dass bei geschlossenem
Schieberventil, d. h. wenn der untere Teil der Einlasskanäle 10 geschlossen
ist, kein Leistungsverlust im oberen, nicht geschlossenen Teil auftritt.