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Die
Erfindung betrifft eine Ventilbetätigungseinrichtung für ein Hubventil,
für eine
Brennkraftmaschine, mit einer ersten Ventilfeder, welche auf das Hubventil
in zumindest einer Stellung eine Schließkraft ausübt, mit einer zweiten Ventilfeder,
welche auf das Hubventil zumindest in einer Stellung eine Öffnungskraft
ausübt,
mit zumindest einer Halteeinrichtung, welche das Hubventil in einer
stabilen Schließstellung
und/oder einer stabilen Öffnungsstellung hält, wobei
in der Öffnungsstellung
die erste Ventilfeder gespannt und die zweite Ventilfeder entlastet,
in der Schließstellung
die erste Ventilfeder entlastet und die zweite Ventilfeder gespannt
ist.
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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 aufgebracht werden muss. Die Öffnungskraft
wird beispielsweise durch eine mit der Kurbelwelle wirkverbundene
Nockenwelle bereitgestellt. Diese Art der Ventilbetätigung 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.
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Frei
ansteuerbare Ventilsteuereinrichtungen haben meist einen großen Energiebedarf
oder aber prinzipbedingte Nachteile. Den geringsten Energiebedarf
haben Systeme nach dem Prinzip des Feder-Masse-Schwingers.
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Aus
der
DE 30 24 109 A1 ist
eine elektromagnetisch arbeitende Ventilbetätigungseinrichtung mit einem
Federsystem mit zwei Ventilfedern bekannt. Die Gleichgewichtslagen
für das
Hubventil werden durch drei elektrische Stellmagneten definiert.
Durch einen elektrischen Stellmagneten kann der Ort der Gleichgewichtslage
des Federsystems verlegt werden. Insbesondere kann ein Ort der Gleichgewichtslage
der Schließstellung
des Hubventiles zugeordnet werden, so dass in der stromlosen Ruhestellung
der Stellmagnete das Hubventil geschlossen ist.
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Die
US 5,673,658 A beschreibt
eine mechanisch-hydraulisch arbeitende Steuerung für Gaswechselventile
mit zwei gegeneinander wirkenden Druckfedern, die mit dem Gaswechselventil
verbunden sind, von denen die eine das Ventil in Öffnungsrichtung
und die andere in Schließrichtung
betätigt. Das
Ventil ist in den beiden Endstellungen über eine in das Ventil eingearbeitete
oder an diesem befestigte Kurvenbahn von jeweils einem auf die Kurvenbahn wirkenden
Hydraulikzylinder gefangen und festgehalten. Durch eine hydraulische
Koppelung der Hydraulikzylinder wird erreicht, dass das Ventil insbesondere
bei Fehlfunktionen stets in die Ausgangsstellung zurückkehrt.
Nachteilig ist, dass zusätzlich
zu den Ventilfedern noch durch die Hydraulikzylinder gebildete separate
Fangeinrichtungen für
das Gaswechselventil vorgesehen sind, welche dieses in jeder der beiden
Einstellungen halten.
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Aus
dem Dokument
US 5,245,957
A ist eine Ventilbetätigungseinrichtung
für ein
Hubventil bekannt, welches einen Federschnappmechanismus aufweist, über welchen
das Hubventil durch Federkraft in der Öffnungsstellung oder der Schließstellung gehalten
wird. Mittels eines mechanischen Aktuators wird die Hubbewegung
ausgelöst,
wobei das Hubventil bis zum Überwinden
eines Federkraftmaximums bewegt werden muss. Auch die
DE 197 18 038 C1 beschreibt
eine ähnliche
Ventilbetätigungseinrichtung,
bei der das Hubventil durch eine Tellerfeder in die Öffnungsstellung
oder der Schließstellung
gehalten wird. Mittels eines elektromagnetischen Aktuators wird
die Hubbewegung bis zur Überwindung
des Federkraftmaximums der Tellerfeder eingeleitet, wobei das Hubventil
mindestens um den halben Hubweg des Hubventiles bewegt werden muss.
Nachteilig ist, dass der Aktuator relativ hohe Betätigungskräfte aufbringen
muss.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Ventilbetätigungseinrichtung zu
schaffen, bei der der Betätigungsaufwand
möglichst
gering gehalten werden kann.
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Erfindungsgemäß wird dies
dadurch erreicht, dass die Halteeinrichtung durch die erste und/oder zweite
Ventilfeder gebildet ist, wobei die zweite Ventilfeder in der Schließstellung
und/oder die erste Ventilfeder in der Öffnungsstellung eine stabile
Haltekraft auf das Hubventil ausübt.
Das Hubventil wird in jeder seiner beiden Endlagen der Ventilbewegung
durch die Verspannung der ersten bzw. der zweiten mechanischen oder
pneumatischen Ventilfeder – ohne
weitere energieverzehrende Hilfskräfte – gehalten.
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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.
Die erste und/oder zweite Ventilfeder kann dabei beispielsweise
als Tellerfeder ausgeführt sein.
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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 vorzugsweise beweglich
mit dem Hubventil verbunden ist.
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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
durch die Ventilfeder an eine Kulissenführungsfläche des Schaftes des Hubventiles
gedrückt
ist. Die Kulissenführungsfläche weist
dabei zumindest eine rampenartige 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
Kulissenfläche
geführt,
bis er in der Senke einrastet und das Hubventil in dieser Lage festhält. Während der
Bewegung über
die Rampe der Erhebung wird die Ventilfeder vorgespannt und dabei
die Bewegung des Hubventiles abgebremst. Wird das Hubventil aus
seiner Ruhelage gebracht, so wird die Ventilfeder entspannt während der Übertragungsteil
die Rampe passiert, was eine deutliche Beschleunigung der Bewegung
des Hubventiles bewirkt.
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Um
das Hubventil aus seiner jeweiligen Ruhelage zu bringen, ist weiters
eine Hilfskrafteinrichtung vorgesehen, mit welcher das Hubventil
jeweils aus einer stabilen Endposition und vorzugsweise in die andere
stabile Endposition gebracht werden kann. Die Hilfskrafteinrichtung
kann dabei pneumatischer, hydraulischer, elektromechanischer, elektromagnetische
oder mechanischer Art sein.
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Die
Hilfskrafteinrichtung dient dabei dazu, um bei Betätigung des
Hubventiles das Federkraftmaximum zu überwinden und die andere Ventilfeder vorzuspannen.
Die Veränderung
der Vorspannung der Ventilfeder kann aber auch durch eine eigene pneumatische,
hydraulische, elektromagnetische oder mechanische Vorspanneinrichtung
erfolgen.
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Die
erste und die zweite Hubfeder müssen nicht
unbedingt identisch ausgelegt sein. Vielmehr kann im Rahmen der
Erfindung vorgesehen sein, dass die Kraft- und Wegverhältnisse
der ersten und der zweiten Ventilfeder unterschiedlich sind.
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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. Zufolge Reibarbeitsverlusten und/oder ungleicher Kraft- und
Wegverhältnissen
der beiden Ventilfedern reicht mitunter die Beschleunigungsarbeit
der einen Ventilfeder nicht aus, um die andere Ventilfeder bis zur
anderen stabilen Endposition vorzuspannen. Um dies zu vermeiden
ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung
vorgesehen, dass die Hilfskrafteinrichtung oder eine auf die beschleunigende
oder verzögernde
Ventilfeder wirkende Vorspann einrichtung vor oder während einer
Hubbewegung des Hubventils solange aktiviert wird, bis die durch
die Hilfskrafteinrichtung bzw. die Vorspanneinrichtung geleistete
Arbeit und die Beschleunigungsarbeit der beschleunigenden Ventilfeder
abzüglich
Reibarbeitsverlusten mindestens der Verzögerungsarbeit der verzögernden
Ventilfeder entspricht.
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Besonders
einfach lässt
sich mit der erfindungsgemäßen Ventilbetätigungseinrichtung
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 Loslagers entweder individuell
für jedes
Hubventil oder für
alle korrespondierenden Hubventile einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine
gemeinsam auf einem oder mehreren Schlitten erfolgen. Die Betätigung erfolgt über eine
mechanische, elektromechanische, elektromagnetische, hydraulische
oder pneumatische Betätigungseinrichtung.
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Die
Erfindung wird in der Folge anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung
der erfindungsgemäßen Ventilbetätigungseinrichtung
in einer ersten Ausführungsvariante,
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2 ein Diagramm, in welchem
die Federkraft der Hubventile über
dem Hubventilweg aufgetragen ist und
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3 eine schematische Darstellung
der erfindungsgemäßen Ventilbetätigungseinrichtung
in einer zweiten Ausführungsvariante.
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In 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 Ventilfeder 5, 6 ein
Federkraftmaximum ausbildet.
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In 1 ist die Ventilbetätigungseinrichtung 1 mit
voll ausgezogenen Linien in ihrer Schließposition A und mit strichlierten
Linien in ihrer Öffnungsposition
B dargestellt.
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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.
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In
der Öffnungsposition
B kann das Hubventil 2 nun durch die sich in der stabilen
Lage 5B befindliche, gespannte erste Ventilfeder 5 gehalten
werden. Gegebenenfalls kann ein Anschlag 10 zur Definition des
maximalen Ventilhubes h vorgesehen 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.
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Der
Schließvorgang
des Hubventiles 2 wird durch Einwirkung der Hilfskraft
F in Schließrichtung eingeleitet.
Wird das Hubventil durch die Hilfskraft F aus der stabilen Öffnungsposition
B in Richtung der Schließposition
A bewegt, so leistet die sich entspannende erste Ventilfeder 5 eine
Beschleunigungsarbeit und unterstützt 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.
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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 Δh verschoben werden, wodurch
die Öffnungsposition
B des Hubventiles 2 um den gleichen Hubweg variiert werden
kann. In 1 ist die Öffnungsposition
des Hubventiles mit minimalen Ventilhub h mit Bmin bezeichnet.
Auf diese Weise ist sehr einfach eine variable Hubverstellung realisierbar.
Die Betätigung
der Loslagerverschiebung kann individuell oder für alle korrespondierenden Hubventile 2 einer
Mehrzylinderbrennkraftmaschine auf mehreren gemeinsamen Schlitten
erfolgen, wobei die Verschiebung der Loslager 8 durch einen
mechanischen, elektromechanischen, elektromagnetischen, hydraulischen
oder pneumatischen Aktuator kontinuierlich oder in diskreten Schritten
durchgeführt
werden kann.
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Die
Federkraft- und Federarbeitsverhältnisse der
Ventilbetätigungseinrichtung 1 während einer Öffnungsbewegung
sind in 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 S5 die
Federkraft der ersten Ventilfeder 5 dar. Mit S6v ist
die Vorspannkraft der zweiten Ventilfeder 6 und mit SSv 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.
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Der Öffnungshaltebereich
der ersten Ventilfeder 5 ist mit h5B und
der Schließhaltebereich
der zweiten Ventilfeder 6 mit h6A bezeichnet.
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Da
die Vorgänge
um die Ventilhubbewegung reibungsbehaftet sind, ist es notwendig
durch konstruktive Maßnahmen
die jeweils auf das Hubventil beschleunigend bzw. verzögernd einwirkende
Ventilfeder mittels der Hilfskrafteinrichtung 16 und/oder
einer separaten Vorspanneinrichtung 17 durch die Hilfskraft
F bzw. die Vorspannkraft Fv, Fv' soweit vorzuspannen,
dass die vom Hubventil 2 zu leistende Federspannarbeit,
welche der Verzögerungsarbeit W5v der ersten Ventilfeder 5 entspricht,
kleiner als die von der zweiten Ventilfeder 6 geleistete
Beschleunigungsarbeit W6a minus der Reibarbeitsverluste
ist. Die entsprechende Vorspannung mittels der Hilfskraft F bzw.
der Vorspannkraft Fv ist mit hF bezeichnet.
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Für die Vorspannung
mittels einer Vorspanneinrichtung 17 gibt es dabei prinzipiell
zwei Möglichkeiten,
welche beide in den 1 und 3 angedeutet sind. Die Vorspannkraft
Fv kann während eines Hubvorganges entlastend
auf das Hubventil 2 durch Vorspannen der verzögernd wirkenden
Ventilfeder 5, 6 einwirken, wie durch die strichpunktierten
Linien angedeutet ist. Im Extremfall wird der Anlenkpunkt der Ventilfeder 5, 6 am
Hubventil 2 abgehoben. Oder die Vorspannkraft Fv' wirkt
während
eines Hubvorganges belastend auf das Hubventil 2 durch
Vorspannen der beschleunigend wirkenden Ventilfeder 6, 5 ein,
wie durch die strichlierten Linien angedeutet ist. In 2 ist dieser Fall durch
die strichlierte Kurve S6' berücksichtigt.
Durch die zusätzliche
Beschleunigungskraft kann das Federkraftmaximum der verzögernden Ventilfeder 6, 5 überwunden
werden.
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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, in welche der Übertragungsteil 11 einrasten
kann. Jede Erhebung 13 samt Senke 14 definiert
eine stabile Lage des Hubventiles 2. Die Übertragungsteile 11 können als
Rollen oder Gleitstifte ausgebildet sein.
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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 Ventilfeder 5, 6 zunächst eine
Beschleunigung durch Entspannung der Ventilfeder 5, 6.
Mittels der Rampe 15 der entgegengesetzten Kulissenführungsfläche 12 wird
danach 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 Öffnungsposition
B und somit des Ventilhubes h erzielt werden.
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Mit
der beschriebenen Ventilbetätigungseinrichtung 1 kann
auf extern aufzubringende Haltekräfte verzichtet werden. Dadurch
lässt sich
der Energieaufwand zur Betätigung
der Hubventile 2 wesentlich verringern.