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Die Erfindung betrifft eine Ventilbetätigungseinrichtung für ein Hubventil, insbe- sondere für eine Brennkraftmaschine, mit einer ersten Ventilfeder, welche das Hubventil in einer Schliessstellung hält.
Hubventile, insbesondere Gaswechselventile für Brennkraftmaschinen werden üblicherweise durch eine Ventilfeder in der Schliessposition gehalten. Die Öffnung erfolgt durch eine Betätigungseinrichtung entgegen der Kraft der Schliessfeder, wobei während der gesamten geöffneten Position des Hubventiles eine Kraft auf- gebracht werden muss. Die Öffnungskraft wird beispielsweise durch eine mit der Kurbelwelle wirkverbundene Nockenwelle bereitgestellt. Diese Art der Ventilbetä- tigung hat sich an sich zwar bewährt, hat aber den Nachteil, dass relativ hohe Kräfte zur Betätigung der Ventile erforderlich sind, was den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verschlechtert. Ein weiterer Nachteil ist, dass ein variabler Ventilhub nur mit vergleichsweise grossem konstruktivem Aufwand erzielbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Ventilbetäti- gungseinrichtung zu schaffen, bei der der Betätigungsaufwand möglichst gering gehalten werden kann.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass eine zweite Ventilfeder vorge- sehen ist, welche das Hubventil in einer Öffnungsstellung hält, wobei in der Öff- nungsstellung die erste Ventilfeder gespannt und die zweite Ventilfeder entlastet, in der Schliessstellung die erste Ventilfeder entlastet und die zweite Ventilfeder gespannt ist. Das Hubventil wird in jeder seiner beiden Endlagen der Ventilbewe- gung durch die Verspannung der ersten bzw. der zweiten mechanischen oder pneumatischen Ventilfeder - ohne weitere energieverzehrende Hilfskräfte - gehalten.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die erste und die zweite Ventilfeder als Schnappfedermechanismus ausgebildet sind. Die jeweilige Ventilfeder, die das Hubventil in einer seiner beiden Endpositionen hält, beschleunigt das Hubventil nach der Überwindung des entsprechenden Federkraftmaximums auf seinem Weg in die gegenüberliegende Endstellung.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist dabei vorgesehen, dass die erste und/oder zweite Ventilfeder in zumindest einer transienten Hubposition des Hubventiles etwa normal auf die Achse des Hubventiles einwirkt und vor- zugsweise drehbar mit dem Hubventil verbunden ist.
Eine weitere erfindungsgemässe Variante sieht vor, dass die erste und/oder zweite Ventilfeder normal auf die Achse des Hubventiles angeordnet ist und über einen Übertragungsteil auf das Hubventil einwirkt, wobei der Übertragungsteil
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durch die Ventilfeder an eine Kulissenführungsfläche des Schaftes des Hubventi- les gedrückt ist.. Die Kulissenführungsfläche weist dabei zumindest eine rampen- artige Erhebung mit einer Senke auf, in welche der Übertragungsteil einrastbar ist, wobei die Senke eine stabile Endposition des Hubventiles - je nach dem die Schliessstellung oder die Öffnungsstellung - definiert.
Bei einer Hubbewegung des Hubventiles wird der als Gleitstift oder Rolle ausgebildete, durch die Ventilfeder gegen den Schaft des Hubventiles gedrückte Übertragungsteil über die Kulissen- fläche geführt, bis er in der Senke einrastet und das Hubventil in dieser Lage festhält. Während der Bewegung über die Rampe der Erhebung wird die Ventilfe- der vorgespannt und dabei die Bewegung des Hubventiles abgebremst. Wird das Hubventil aus seiner Ruhelage gebracht, so wird die Ventilfeder entspannt wäh- rend der Übertragungsteil die Rampe passiert, was eine deutliche Beschleunigung der Bewegung des Hubventiles bewirkt.
Um das Hubventil aus seiner jeweiligen Ruhelage zu bringen, ist weiters eine Hilfskrafteinrichtung vorgesehen, mit welcher das Hubventil jeweils aus einer stabilen Endposition in die andere stabile Endposition gebracht werden kann. Die Hilfskrafteinrichtung kann dabei pneumatischer, hydraulischer, elektromechani- scher, elektromagnetische oder mechanischer Art sein.
Die Hilfskrafteinrichtung dient dabei dazu, um bei Betätigung des Hubventiles das Federkraftmaximum zu überwinden und die andere Ventilfeder vorzuspan- nen.
Wird das Hubventil durch die Hilfskraft aus seiner stabilen Schliessposition in Richtung seiner Öffnungsposition bewegt, so leistet die sich entspannende zweite Ventilfeder eine Beschleunigungsarbeit und unterstützt die Ventilbewegung. Im Gegenzug wird die erste Ventilfeder gespannt und verzögert das Hubventil durch Aufnahme dieser Federspannarbeit. In der Öffnungsposition kann das Hubventil nun durch die sich in der stabilen Lage befindliche vorgespannte erste Feder gehalten werden. Der Schliessvorgang des Hubventiles verläuft in analoger Weise.
Die erste und die zweite Hubfeder müssen nicht unbedingt ident ausgelegt sein.
Vielmehr kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Kraft- und Wegverhältnisse der ersten und der zweiten Ventilfeder unterschiedlich sind.
Besonders einfach lässt sich mit der erfindungsgemässen Ventilbetätigungsein- richtung eine variable Hubverstellung realisieren. Um dies zu bewerkstelligen ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass zumindest die erste Ventilfeder über ein vorzugsweise parallel zur Achse des Hubventiles verschiebbares Loslager im Gehäuse gelagert ist. Durch Verschieben des Loslagers lässt sich auf einfache Weise die Öffnungsposition verstellen. Dabei kann die Verschiebung des Losla- gers entweder individuell für jedes Hubventil oder für alle korrespondierenden Hubventile einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine gemeinsam auf einem oder
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mehreren Schlitten erfolgen. Die Betätigung erfolgt über eine mechanische, elektromechanische, elektromagnetische, hydraulische oder pneumatische Betä- tigungseinrichtung.
Die Erfindung wird in der Folge anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemässen Ventil- betätigungseinrichtung in einer ersten Ausführungsvariante, Fig. 2 ein Dia- gramm, in welchem die Federkraft der Hubventile über dem Hubventilweg auf- getragen ist und Fig. 3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemässen Ventilbetätigungseinrichtung in einer zweiten Ausführungsvariante.
In Fig. 1 ist schematisch die Ventilbetätigungseinrichtung 1 für ein Hubventil 2 dargestellt, welches im Ausführungsbeispiel ein Gaswechselventil für einen in einen Zylinderkopf 3 angeordneten Gaswechselkanal 4 einer Brennkraftmaschine ist. Auf das Hubventil 2 wirkt eine erste Ventilfeder 5 und eine zweite Ventilfeder 6 ein, wobei die beiden Ventilfedern 5, 6 einen Schnappfedermechanismus 7 ausbilden. Die erste und die zweite Ventilfeder 5,6 wirken in zumindest einer transienten Hubposition des Hubventiles 2 etwa normal auf die Achse 2a des Hubventiles 2 auf dessen Schaft 2b ein, wobei die entsprechende Ventiffeder 5,6 ein Federkraftmaximum ausbildet.
In Fig. 1 ist die Ventilbetätigungseinrichtung 1 mit voll ausgezogenen Linien in ihrer Schliessposition A und mit strichlierten Linien in ihrer Öffnungsposition B dargestellt.
In der Schliessstellung A des Hubventiles 2 ist die zweite Ventilfeder 6 gespannt und die erste Ventilfeder 5 entlastet. Wird das Hubventil 2 durch eine externe Hilfskraft F einer Hilfskrafteinrichtung 8 aus der stabilen Schliessposition A in Richtung der Öffnungsposition B bewegt, so leistet die sich entspannende zweite Ventilfeder 6 eine Beschleunigungsarbeit und unterstützt die Ventilbewegung. Im Gegenzug wird die erste Ventilfeder 5 gespannt und verzögert das Hubventil 2 durch Aufnahme dieser Federspannarbeit. Die stabilen Lagen der Ventilfedern 5, 6 in der Schliessstellung A bzw. der Öffnungsstellung B sind mit 5A, 5B, 6A und 6B bezeichnet.
In der Öffnungsposition B kann das Hubventil 2 nun durch die sich in der stabilen Lage 5B befindliche, gespannte erste Ventilfeder 5 gehalten werden. Gegebe- nenfalls kann ein Anschlag 10 zur Definition des maximalen Ventilhubes h vorge- sehen sein. Das Hubventil 2 kann ohne Einwirkung einer externen Hilfskraft F einer mechanischen, pneumatischen, hydraulischen, elektromechanischen oder elektromagnetischen Hilfskrafteinrichtung 16 in jeder der beiden stabilen Lagen, nämlich der Schliessposition A und der Öffnungsposition B gehalten werden.
Der Schliessvorgang des Hubventiles 2 wird durch Einwirkung der Hilfskraft F in Schliessrichtung eingeleitet. Wird das Hubventil durch die Hilfskraft F aus der sta-
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biien Öffnungsposition B in Richtung der Schliessposition A bewegt, so leistet die sich entspannende erste Ventilfeder 5 eine Beschleunigungsarbeit und unter- stützt die Ventilbewegung. Gleichzeitig wird die zweite Ventilfeder 6 gespannt und verzögert das Hubventil 2 durch Aufnahme dieser Federspannarbeit. In der Schliessposition A kann das Hubventil 2 nun alleine durch die sich in der stabilen Lage 6A befindende gespannte zweite Ventilfeder 6 gehalten werden.
Die erste Ventilfeder 5 ist über ein Loslager 8 im Gehäuse 9, beispielsweise dem Zylinderkopf 3, gelagert. Das Loslager 8 kann parallel zur Achse 2a um einen Weg Ah verschoben werden, wodurch die Öffnungsposition B des Hubventiles 2 um den gleichen Hubweg variiert werden kann. In Fig. 1 ist die Öffnungsposition des Hubventiles mit minimalen Ventilhub h mit Bmm bezeichnet. Auf diese Weise ist sehr einfach eine variable Hubverstellung realisierbar. Die Betätigung der Loslagerverschiebung kann individuell oder für alle korrespondierenden Hubven- tile 2 einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine auf mehreren gemeinsamen Schlit- ten erfolgen, wobei die Verschiebung der Loslager 8 durch einen mechanischen, elektromechanischen, elektromagnetischen, hydraulischen oder pneumatischen Aktuator kontinuierlich oder in diskreten Schritten durchgeführt werden kann.
Die Federkraft- und Federarbeitsverhältnisse der Ventilbetätigungseinrichtung 1 während einer Öffnungsbewegung sind in Fig. 2 dargestellt. In dem Diagramm ist die Federkraft S über dem Ventilhub h aufgetragen. Die Kurve S6 stellt dabei die Federkraft der zweiten Ventilfeder 6, die Kurve Ss die Federkraft der ersten Ven- tilfeder 5 dar. Mit S6v ist die Vorspannkraft der zweiten Ventilfeder 6 und mit S5v die Vorspannkraft der ersten Ventilfeder 5 bezeichnet. Das Bezugszeichen S6m bezeichnet die maximale Schliessfederkraft der zweiten Ventilfeder 6. Analog dazu ist S5m die maximale Öffnungskraft der ersten Ventilfeder 5.
Der Öffnungshaltebereich der ersten Ventilfeder 5 ist mit h5B und der Schliesshal- tebereich der zweiten Ventilfeder 6 mit h6A bezeichnet.
Da die Vorgänge um die Ventilhubbewegung reibungsbehaftet sind, ist es not- wendig durch konstruktive Massnahmen die jeweils entlastete Ventilfeder mittels der Hilfskraft F soweit vorzuspannen, dass die vom Hubventil 2 zu leistende Fe- derspannarbeit, welche der Verzögerungsarbeit W5v der ersten Ventilfeder 5 ent- spricht, kleiner als die von der zweiten Ventilfeder 6 geleistete Beschleunigungs- arbeit W6a minus der Reibarbeitsverluste ist. Die entsprechende Vorspannung mittels der Hilfskraft F ist mit hF bezeichnet.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsvariante einer Ventilbetätigungseinrichtung 1 für ein Hubventil 2, wobei erste und zweite Ventilfeder 5,6 normal auf die Achse 2a des Hubventiles 2 angeordnet sind und über einen Übertragungsteil 11 auf eine Kulissenführungsfläche 12 des Schaftes 2b des Hubventiles 2 einwirken.
Jede Kulissenführungsfläche 12 weist eine Erhebung 13 mit einer Senke 14 auf,
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in welche der Übertragungsteil 11 einrasten kann. Jede Erhebung 13 samt Senke 14 definiert eine stabile Lage des Hubventiles 2. Die Übertragungsteile 11 kön- nen als Rollen oder Gleitstifte ausgebildet sein.
Während einer Hubbewegung des Hubventiles 2 überfährt der Übertragungsteil 11 die Kulissenführungsfläche 12 des Schaftes 2b und gelangt über die Rampe 15 zur Erhebung 13, wo der Übertragungsteil 11 in die Senke 14 einklingt und somit durch die Anpresskraft der Ventilfeder 5,6 das Hubventil 2 in dieser Lage festhält. Durch die Hilfskraft F wird das Hubventil 2 wieder aus dieser stabilen Lage gebracht. Die Rampe 15 bewirkt zusammen mit der Federkraft der Ventilfe- der 5,6 zunächst eine Beschleunigung durch Entspannung der Ventilfeder 5,6.
Mittels der Rampe 15 der entgegengesetzten Kulissenführungsfläche 12 wird da- nach die Ventilbewegung durch Verspannen der anderen Ventilfeder 6,5 ge- bremst. Auch hier kann durch Verschieben des Loslagers 8 der ersten Ventilfeder 5 parallel zur Achse 2b des Hubventiles 2 eine einfache Variierung der Öffnungs- position B und somit des Ventilhubes h erzielt werden.
Mit der beschriebenen Ventilbetätigungseinrichtung 1 kann auf extern aufzubrin- gende Haltekräfte verzichtet werden. Dadurch lässt sich der Energieaufwand zur Betätigung der Hubventile 2 wesentlich verringern.