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Die
Erfindung betrifft ein Ventil und einen Ventiltrieb mit selbsthaltenden
Endpositionen des Ventilschafts in der geschlossenen und der geöffneten
Stellung. Das Ventil ist zum Beispiel geeignet zur Regulierung der
Ansaugluftmenge im Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors. Besonders
bei der Impulsaufladung von Verbrennungsmotoren wird im Ansaugtrakt
des Verbrennungsmotors ein schaltbares Einlassventil, ein sogenanntes
Lufttaktventil, benötigt,
um eine Aufladung der Brennräume
des Verbrennungsmotors erreichen zu können. Für den Einsatz als Lufttaktventil
zur resonanten Aufladung von Verbrennungsmotoren ist das erfindungsgemäße Ventil besonders
gut geeignet.
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Die
Erfindung geht aus von einem Ventil und einem Ventiltrieb wie er
beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 199 18 260 A1 offenbart
wurde. Aus der
DE
199 18 260 A1 ist es bekannt, bei einem Ventil, den Ventilschaft über eine
Schraubenfeder mit einer Aktuatorstange als Ventiltrieb zu verbinden.
Grundgedanke hierbei war es, die Kopplung zwischen Ventil und Aktuator
flexibel auszuführen,
so dass beim Auftreffen des Ventilkörpers auf den Ventilsitz der Auftreffimpuls
abgefedert werden kann. Man verspricht sich davon eine längere Haltbarkeit
von Ventil und Ventilsitz.
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Die
Abfederung des Auftreffimpulses in einer Endlage der Ventilstellung
hat den Nachteil, das zur Fixierung des Ventils in seiner Endlage
von einem elektromagnetischen Aktor über die Aktuatorstange permanent
eine Haltekraft aufgebracht werden muss, die gegen die rückstellend
wirkende Federkraft das Ventil in seiner Endlage behält. Dies
führt zu
einem permanenten Energieverbrauch im elektromagnetischen Aktor
als Ventiltrieb.
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Andererseits
sind Ventilkonstruktionen bekannt, die mit einer Schließfeder den
Schließkörper auf
den Ventilsitz drücken
und die zum Öffnen
einen Aktor brauchen, der gegen die Kraft der Schließfeder das
Ventil in seine geöffnete
Stellung bringt. Ein derartiges Ventil ist z.B. aus der deutschen
Patentschrift
DE 101
49 004 C1 bekannt. Das Ventil ist hierbei ein Kraftstoffeinspritzventil
und muss daher lediglich nur für
sehr kurze, dafür
aber sehr präzise,
Zeitintervalle geöffnet
werden. Der Energieaufwand für
das Öffnen des
Ventils, bei dem während
der gesamten Öffnungsdauer
eine Kraft gegen die Kraft der Schließfeder aufgebracht werden muss,
hält sich
daher in Grenzen. Für
Ventile, deren geöffnet
Zeiten im Vergleich zu deren geschlossen Zeiten nicht sehr kurz sind,
ist die dauerhafte Kraftaufwendung gegen die Kraft einer Schließfeder nicht
sinnvoll.
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Erfindungsgemäße Aufgabe
war es daher, ein Ventil zu schaffen, dass in seinen beiden Endstellungen
Offen und Geschlossen den Schließkörper jeweils gegen den Ventilsitz
presst, ohne dass in den beiden Endstellungen eine aktive Haltekraft
von einem elektrischen Aktor aufzubringen ist.
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Die
Lösung
gelingt hauptsächlich
mit einem Ventil, bei dem der Ventilschaft in seinen beiden Endlagen
mit einer Federanordnung abgefedert ist. Die Energie-Weg Kennlinie
der an den Ventilschaft angreifenden Federanordnung hat hierbei
ein absolutes Minimum in der unbetätigten Stellung des Ventilschafts
und jeweils ein relatives Minimum in der Nähe jeder Endlage des Ventilschafts.
Je nach konstruktiver Auslegung der Federanordnung, lässt sich über den
Federweg und die Potentialbarriere zwischen den energetischen Minima,
die Energie einstellen, die benötigt
wird, um den Ventilschaft aus einer Endlage heraus zu bewegen. Über den
Federweg und die Positionierung des relativen Minimums im Ventilhub
in Bezug auf die Endlagen lässt
sich die Haltekraft der Federanordnung einstellen, mit der der Schließkörper des
Ventils auf den Ventilsitz gedrückt wird.
Die Betätigung
des Ventils erfolgt mit einem elektromagnetischen Aktor, der vorzugsweise
als sogenannte Tauchspule ausgebildet ist.
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Der
mit der Erfindung hauptsächlich
erzielte Vorteil wird darin gesehen, dass die Endpositionen in beiden
Endlagen abgefedert werden können,
ohne dass zur Fixierung des Schließkörpers des Ventils in den beiden
Endlagen von einer Aktorik Kraft aufgebracht werden muss. Es bedarf
für die
Fixierung des Ventilschließkörpers in
den beiden Endlagen auch keiner mechanischen Fixierungen durch Sperren oder ähnliches.
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Ein
weiterer Vorteil liegt in der Energierückgewinnung und damit im geringen
Energieverbrauch für
die Schaltvorgänge
mit dem Ventil. Die relativen Energieminima zur Fixierung des Ventilschließkörpers in
den beiden Endlagen liegen auf höherem
Potential als das zwischen ihnen befindliche absolute Energieminimum
an der Mittelstellung des Ventilschließkörpers zwischen geöffnet und
geschlossen. Damit kann bis auf minimale Reibungsverluste und einen
Energieverlust durch den nichtelastischen Stoß beim Auftreffen des Ventilschließkörpers auf den
Ventilsitz, bzw. bei Fixierung des Ventilschafts in einer seiner
beiden Endlagen, die gesamte Energie, die notwendig war, um den
Ventilschaft in die eine Endlage zu bringen, dazu benutzt werden,
um den Ventilschaft in die jeweils andere Endlage zu bringen. Von
dem elektromagnetischen Aktor muss lediglich der friktive Energieverlust
nachgeführt
werden. Zur Auslösung
des Schaltvorgangs wird ebenfalls ein relativ kleiner Energiebetrag
benötig,
der im wesentlich der eingestellten Potentialbarriere entspricht,
die überwunden
werden muss, um die Potentialmulde der relativen Energieminima in
der Nähe
der Endlagen des Ventilschaftes durch einen Schaltvorgang verlassen
zu können.
Dieser für
die Schaltung benötigte
Vorgang wird initial von dem elektromagnetischen Aktor aufgebracht,
kann jedoch durch die Zwischenspeicherung in der Federanordnung
für den Transfer
des Ventilschaftes von der ersten Endlage in die zweite Endlage
wiedergewonnen und genutzt werden. Damit kann der Energieeintrag
zur Auslösung
eines Schaltvorganges zur Kompensation der Reibungsverluste beim
Schaltvorgang selbst benutzt werden.
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Dadurch,
dass von dem elektromagnetischen Aktor nur relativ geringe Schaltenergien
und keine Haltekräfte
in den Endlagen aufgebracht werden müssen, kann der Aktor in seiner
elektromagnetischen Dimensionierung klein ausfallen. Insbesondere
kann auf magnetische Armierungen auf dem Ventilkörper verzichtet werden. Hierdurch
verringert sich die bewegte Masse im Vergleich zu bekannten elektromagnetischen
Ventilen erheblich, was ein besseres dynamisches Verhalten des Ventils
bei den Schaltvorgängen
bewirkt. Je nach Auslegung der Kennlinie der Federanordnung werden
damit hochdynamische Schaltvorgänge möglich. Außerdem erlaubt
der relativ kleine elektromagnetische Aktor eine kostengünstige,
kompakte Bauweise und ein geringeres Gewicht des gesamten Ventilsystems.
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Bei
der Verwendung einer Tauchspule als elektromagnetischer Aktor ist
eine Nachfuhr der Verlustenergie durch eine kleine stromproportionale Kraft über den
gesamten Stellweg des Ventilschaftes von einem Endanschlag bis zum
zweiten Endanschlag möglich.
Dies erlaubt eine bessere Ausregelung von Störeinflüssen während des Schaltvorgangs.
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Durch
Auslegung der Federn lässt
sich die Haltekraft durch die Federanordnung in den Endlagen des
Ventilschaftes einstellen. Außerdem
lässt sich
mit der gleichen Maßnahme
die Auftreffgeschwindigkeit des Ventilkörpers auf den Ventilsitz konstruktiv
voreinstellen. Bei Bedarf kann die Auftreffgeschwindigkeit unter
Zuhilfenahme des elektromagnetischen Aktors noch genauer eingestellt
und ausgeregelt werden. Insbesondere kann mit dem elektromagnetischen
Aktor ein Abbremsen des Ventilkörpers,
bzw. des Ventilschaftes vor Erreichen der Endlage erfolgen, so dass
die Auftreffgeschwindigkeiten in den Endlagen gegen Null geht.
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Ein
Ausführungsbeispiel
für eine
Federanordnung mit den vorbezeichneten Eigenschaften besteht aus
zwei vorgespannten gegeneinander wirkenden Spiralfedern und zwei
Kippfedern, die so angeordnet sind, dass jeweils kurz vor Erreichen
einer Endlage des Ventilschaftes eine Kippfeder umkippt und durch
den Umkippvorgang eine Richtungsumkehr der resultierenden Federkraft
in Bewegungsrichtung des Ventilstellweges bewirkt. Die Richtungsumkehr
ist hierbei in beiden Endlagen so gerichtet, dass sich in jeder
Endlage eine Kraft in Richtung der Endlage ergibt, die als Haltekraft
für die
Fixierung des Ventilschaftes in seiner jeweiligen Endlage dient.
Die Spiralfedern mit einer reinen Kraftkomponente entlang des Stellweges
des Ventilschaftes dienen lediglich der Energiespeicherung, damit
nach einem Schaltvorgang und nach Überwindung der Potentialbarriere
die kinetische Energie aus dem vorhergehenden Schaltvorgang, die
in Form von potentieller Energie in den Spiralfedern gespeichert
wurde, für den
nachfolgenden Transfer des Ventilschaftes in die jeweils andere
Endlage wieder freigesetzt und genutzt werden kann.
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In
einer vereinfachten Ausführungsform
besteht die Federanordnung lediglich aus zwei kippfähig gelagerten
und an den Ventilschaft angelenkten Spiralfedern. Damit wird zwar
der konstruktive Aufwand gering gehalten, jedoch ergeben sich weniger Möglichkeiten
hinsichtlich der Auslegung verschiedener Federparameter und damit
weniger Möglichkeiten,
dass dynamische Verhalten des Ventils einzustellen. Bei lediglich
2 Federn, lassen sich die beiden Funktionen Energiespeicherung und
Aufbringen der Haltekraft nicht trennen.
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Besser
ist ein drittes Ausführungsbeispiel, bei
dem die Federanordnung aus zwei Spiralfedern und zwei Tellerfedern
besteht. Die Spiralfedern sind hierbei entlang des Ventilschaftes
angeordnet. Sie sind vorgespannt, definieren die Mittelpunktslage
des Ventilkörpers
und sind gegenwirkend. Sie dienen der Speicherung der kinetischen
Energie aus dem Translationsprozess des Ventilkörpers von der einen Endlage
in die andere. Die Tellerfedern greifen ebenfalls an dem Ventilschaft
an und definieren die relativen Energieminima in der Nähe der beiden
Endlagen des Ventilschaftes. Mit der Energie, die zum Umklappen der
Tellerfedern benötigt
wird, kann die Potentialbarriere zur Fixierung des Ventilschaftes
in seinen Endlagen optimal eingestellt werden. Auch kann mit den Tellerfedern
die verbleibende Haltekraft in den Endlagen auf einfache und sehr
präzise
Weise durch geeignete kon struktive Anbringung der Tellerfedern am Ventilschaft
optimal eingestellt werden. Tellerfern sind dann von Vorteil, wenn
auf einem relativ kurzen Stellweg des Ventilsystems eine möglichst
genaue Kraft-Weg-Kennlinie mit Umkehr der Stellkraft eingestellt
werden soll. Bei großen
Stellwegen hingegen sind die Tellerfedern ungeeignet. Dann sind
angelenkte, kippbare Spiralfedern besser.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im folgenden anhand von Skizzen näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 ein Ventil mit einer Federanordnung aus
4 Spiralfedern, wobei zwei Spiralfedern als Kippfedern an den Ventilschaft
angelenkt sind,
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2 ein Ventil mit einer Federanordnung aus
zwei kippbar gelagerten Spiralfedern,
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3 einen
Ventiltrieb mit einer Federanordnung aus zwei Spiralfedern und zwei
Tellerfedern,
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4 ein
Energie-Federweg-Diagramm und ein Kraft-Federweg-Diagramm einer für den Ventiltrieb
benötigten
Federanordnung,
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1 zeigt exemplarisch ein mögliches
Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Dargestellt ist ein aufgeschnittenes Lufttaktventil 1 für eine resonante Aufladung
eines Verbrennungsmotors. In einem stromlinienförmig geformten Träger 2,
der sich inmitten des Strömungsquerschnitts
des Lufttaktventils befindet, ist ein als Ringschieber ausgebildeter Schließkörper 3,
der über
einen Ventilschaft 4 von einem Ventiltrieb betätigt werden
kann. Der Ventiltrieb ist ebenfalls in dem Träger 2 angeordnet und
besteht aus einem elektromagnetischen Aktor in Form mindestens eines
Tauchspulenstellers 5, der direkt oder indirekt an den
Ventilschaft 4 kraftschlüssig angreift. Der Tauchspulensteller
besteht aus einer zylinderförmigen
Ankerspule 6, die je nach Bestromung in einem Luftspalt
eines magnetischen Rückschlusses hin
und her bewegt wird. Durch die Hin- und Her-Bewegung des Tauchspulenstellers
kann das Ventil geöffnet
und geschlossen werden. In Teildarstellung a) ist die unbestromte
Mittelstellung des Ringschiebers 3 dargestellt, während in
Teildarstellung b) die geschlossene Position des Ringschiebers 3 dargestellt ist.
Das Erreichen einer Endlage aus einer Mittelposition erfolgt hierbei
vorzugsweise durch resonantes Aufschwingen.
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Außer dem
elektromagnetischen Aktor greifen noch die Kräfte einer Federanordnung an
dem Ventilschaft an. Der Ventilschaft 4 ist in einem Lager 8 verschiebbar
gelagert. An den beiden Enden des Ventilschaftes ist jeweils eine
scheibenförmige
Erweiterung 9 des Ventilschaftes angebracht. Zwischen jeder
scheibenförmigen
Erweiterung des Ventilschafts und dem Lager des Ventilschafts befindet sich
eine vorgespannte Linearfeder 10a, 10b, d.h. eine
Spiralfeder mit linearem Kraft-Weg-Gesetz. Die beiden Spiralfedern stützen sich
damit gegen das Lager 8 des Ventilschaftes ab und sind
in ihrer Kraftwirkung auf den Ventilschaft selbst gegenwirkend.
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An
dem vom Ringschieber 3 abgewandten Ende des Ventilschafts
sind zwei weitere Spiralfedern, d.h. zwei weitere Spiralfedern mit
linearem Kraft-Weg-Gesetz, kippbar angelenkt. Die beiden Federn
werden im folgenden als Kippfedern bezeichnet. Die beiden Angriffspunkte
der Kippfedern 11a, 11b auf dem stromlinienförmigen Träger 2 sind
hierbei in Längsausrichtung
zum Ventilschaft voneinander beabstandet und auf verschiedenen Seiten
des Ventilschaftes und ermöglichen
ebenfalls eine Drehbewegung der Kippfedern, wenn dies durch die
Hin- und Her-Bewegung des Ventilschaftes notwendig wird. In der
unbe stromten Mittelstellung des Ventiltriebs befinden sich die Anlenkpunkte 13 der
Kippfedern auf dem Ventilschaft in Achsenlängsrichtung zum Ventilschaft
zwischen den beiden Anlenkpunkten 14 der Kippfedern auf
dem Träger 2 des
Ventiltriebes.
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Die
Beabstandung der Anlenkpunkte 14 auf dem Träger 2 des
Ventiltriebes und die Vorspannung der Kippfedern sind hierbei vorzugsweise
so gewählt, dass
beim Verfahren des Ventilschaftes in eine seiner beiden Endlagen
die Anlenkpunkte am Ventilschaft jeweils einen der Anlenkpunkte
auf dem Träger
passieren, so dass bei Erreichen einer Endlage immer alle Kippfedern
und Spiralfedern auf Druck beansprucht sind. Die geometrische Anordnung
der Anlenkpunkte und die Vorspannungen der Federn in der unbetätigten Mittelstellung
des Ventiltriebs werden hierbei so gewählt, dass die Druckkräfte in Achsrichtung
zum Ventilschaft in der Resultierenden den Wert Null ergeben.
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In
der Teildarstellung b) der 1 ist hierbei die
untere Kippfeder 11a stärker
auf Druck belastet, während
die obere Kippfeder 11b weniger auf Druck belastet ist.
Die beiden Spiralfedern 10a, 10b auf dem Ventilschaft
können
in der geschlossenen Endstellung des Ventilschaftes so eingestellt
sein, dass die linke Linearfeder 10a in dieser Stellung
gerade entspannt ist, während
die rechte Linearfeder 10b auf Druck gespannt ist und die
kinetische Energie des Stellvorgangs durch Verfahren des Schließkörpers als
potentielle Energie gespeichert hat. Insgesamt sind die einzelnen
Kennlinien aller vier Federn der gesamten Federanordnung so auszulegen
und die konstruktive Gestaltung der Federanordnung so aufeinander
abzustimmen, dass sich in Achsrichtung zum Ventilschaft ein Kraft-Weg-Verlauf
und ein Energie-Weg-Verlauf
mit den Charakteristiken nach 4 ergibt.
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Einen
vereinfachten Ventiltrieb zeigt das Ausführungsbeispiel der 2. Bei diesem Ventiltrieb ist die Anzahl
der an den Ventilschaft angreifenden Federn auf zwei kippbar gelagerte
Spiralfedern, in dieser Beschreibung als Kippfedern 11a, 11b bezeichnet,
reduziert. Die Funktionsweise und die konstruktive Gestaltung der
beiden Kippfedern mit ihren Anlenkpunkten ist grundsätzlich identisch
mit der konstruktiven Gestaltung im vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel
der 1. Es fehlen jedoch die beiden
Spiralfedern auf dem Ventilschaft. Die Speicherung von kinetischer
Bewegungsenergie des Ventilkörpers
kann daher lediglich in eingeschränktem Umfang durch die beiden
Kippfedern erfolgen. In der Teildarstellung b) zu 2 ist
das Ventil in seiner geschlossenen Stellung gezeigt. Der Ringschieber 3 wurde
von dem Tauchspulensteller 5 auf seinen Ventilsitz 15 ausgefahren
und schließt
mit den radial wirkenden Dichtflächen 16 den
Einlass des Lufttaktventils ab. Der Tauchspulensteller 5,
der Ringschieber 3 sowie die an den Ventilschaft angreifenden
Kippfedern 11a, 11b sind in einem im Strömungsquerschnitt des
Ventils fixierten Träger 2 angeordnet.
Der Träger wird
hierbei z.B. mit Verschraubungen 17 im Strömungsquerschnitt
des Ventils gehalten.
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Die
geöffnete
Stellung des Ventils ist in Teildarstellung a) zu 2 skizziert.
Die Tauchspule 6 des Tauchspulenstellers ist in die magnetische
Rückführung eingefahren
worden und hat den Ringschieber von seinem Ventilsitz zurückgezogen
und in seine geöffnete
Endlage gebracht. Hierbei sind beiden Kippfedern 11a, 11b umgeklappt
und fixieren nun den Ventilschaft in seiner geöffneten Endlage. Die Fixierung
kommt dadurch zu Stande, dass die Anlenkpunkte der Kippfedern an
dem Träger 2 und
an dem Ventilschaft so gewählt
werden müssen,
dass die Federwege in Abhängigkeit
von der Vorspannung der Kippfedern und deren Kraft-Weg-Kennlinien
in den beiden Endlagen, offen und geschlossen, jeweils eine ausreichende
Haltekraft ergeben. Die Richtungsumkehr der Haltekraft wird hierbei
durch das Umkippen der Kippfedern bewirkt, wenn die Anlenkpunkte
auf dem Ventilschaft 4 die Anlenkpunkte auf dem Träger 2 in
Folge der Bewegung des Ventilschafts beim Öffnen oder Schließen des
Ventils mit dem Tauchspulensteller 5 passieren.
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Eine
mögliche
konstruktive Gestaltung, um diese eben definierte Funktionaltität zu erreichen
ist z.B. dann gegeben, wenn Federvorspannungen und Anordnung der
Anlenkpunkte der Kippfedern so gewählt werden, dass in der geschlossenen
Stellung des Ringschiebers in Teildarstellung b) der 1 und 2 die
Kippfeder 11b voll entlastet ist und die Kippfeder 11a auf
Druck belastet ist. In der vollständig geöffneten Stellung des Ringschiebers
müssen
dann nach Umkippen der beiden Kippfedern die Kippfedern ihre Rollen
tauschen. D.h. die zuvor entlastete Kippfeder muss nach dem Kippen
auf Druck belastet sein und die zuvor belastete Kippfeder muss nach dem
Kippen entlastet sein. Die zuletzt genannten Verhältnisse
sind in Teildarstellung a) zu 2 skizziert.
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Durch
die Verwendung von Federanordnungen mit 4 Federn, durch die Verwendung
von Tellerfedern, durch die Verwendung von Federn mit nichtlinearen
Kraft-Weg-Gesetzen, durch die Variation der Lage der Anlenkpunkte
lassen sich eine Vielzahl weiterer Gestaltungsmöglichkeiten finden, um die
oben definierte Funktionalität
der Federanordnung zu realisieren. Eine allgemeine Lehre, wie die
oben bezeichnete Funktionalität
realisiert werden kann, wird im Zusammenhang mit den Diskussion
zu 4 weiter unten offenbart.
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In 3 ist
ein Ventiltrieb skizziert, der die erfindungsgemäße Funktionalität mit einer
Federanordnung aus 2 Spiralfedern 10a, 10b mit
Kraftwirkung entlang der Achse des Ventilschafts 4 und
2 Tellerfedern 18a, 18b, die die Funktion der
Kippfedern aus den vorbeschriebenen Beispielen übernehmen, realisiert. Die
beiden Spiralfedern 10a, 10b übernehmen zusammen mit den
beiden Tellerfedern analog zu dem Ausführungsbeispiel der 1 die Speicherung der kinetischen Bewegungsenergie
des Ventilkörpers beim Öffnen und
Schließen.
Die beiden Tellerfedern 18a, 18b greifen ebenfalls
am Ventilschaft 4 an und klappen je nach Stellung des Ventilschafts
in den Endlagen des Ventils in zwei verschiedene Stellungen mit
Richtungsumkehr der auf den Ventilschaft ausgeübten Kraft um. Tellerfedern,
Spiralfedern und Ventilschaft sind in diesem Beispiel kraftschlüssig verbunden.
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Beispielsweise
kann die mit durchgezogenen Linien skizzierte Stellung der Tellerfedern 18a, 18b der
geöffneten
Stellung des Ventils entsprechen, während die mit unterbrochenen
Linien skizzierte Stellung der Tellerfedern 19a, 19b der
geschlossenen Stellung des Ventils entspricht. Die Haltekraft in den
Endlagen wird dann jeweils von den Tellerfedern aufgebracht. Zweckmäßiger Weise
wurden zwei Tellerfedern gewählt,
um die am Ventilschaft angreifenden Kräfte besser verteilen zu können. Es
sind jedoch mit gleicher Funktionalität auch Ventiltriebe mit mindestens
einer Tellerfeder, die an den Ventilschaft angreift und beim Verfahren
des Schließkörpers von der
offenen in die geschlossene Stellung umklappt, möglich und von der erfinderischen
Lehre dieser Beschreibung mit umfasst. Bei der Verwendung lediglich
einer Tellerfeder kann sogar auf die Spiralfedern auf dem Ventilschaft
verzichtet werden.
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Um
die vorbeschriebenen Funktionalitäten der verschiedenen Ausführungsbeispiele
erfüllen
zu können,
sind bei allen konstruktiven Gestaltungen der an den Ventilschaft angreifenden
Federanordnung bei Annäherung
des Ventilschafts in jede seiner beiden Endlagen jeweils eine Richtungsumkehr
der resultierenden Federkraft in Achsrichtung zum Ventilschaft zu
bewirken. Die Richtungsumkehr der resultierenden Federkraft muss
hierbei derart erfolgen, dass in der Endlage des Ventilschafts der
Ventilschaft durch die resultierende Federkraft in seiner Endlage gehalten
wird, d.h. dass die resultierende Federkraft in der Endlage den
Ventilschaft in seine Endlage drückt.
Dies kann mit jeder vorbeschriebenen Federanordnung aus den Ausführungsbeispielen
erfolgen. Allgemein kann dieses Erfordernis mit jeder Federanordnung
erfolgen, deren Energie-Federweg-Kennlinie einen Verlauf hat, wie
er in 4 skizziert ist.
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Über dem
Hub des Ventilschaftes, der im wesentlichen identisch ist mit dem
Anteil des Federweges in Achsrichtung des Ventilschaftes, ist der
Verlauf der in der Federanordnung gespeicherten potentiellen Energie
aufgetragen. Die örtliche
Ableitung dieser potentiellen Energie nach dem Hub des Ventilschaftes
ist mit einer unterbrochenen Linie in dem Diagramm des 4 eingetragen.
Die örtliche
Ableitung der potentiellen Energie ergibt bekanntlich die Federkraft
in Richtung der Ortkoordinate. Die Ortkoordinate ist hierbei der
Hub oder der Stellweg des Ventilschaftes. Der reale Hub des Ventilschaftes
endet natürlich
an den beiden Endlagen Endlage1 und Endlage2. Im Diagramm ist zu
Berechnungszwecken der Hub des Ventilschaftes ein wenig über die
beiden Endlagen hinaus verlängert.
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Eine
Federanordnung, mit der die erfindungsgemäße Funktionalität erfüllt wird,
hat einen potentiellen Energieverlauf über dem Hub des Ventilschaftes,
der in jeder der beiden Endlagen des Ventilschaftes eine lokale
Potentialmulde mit einem relativen Energieminimum hat. Die relativen
Energieminima sollen hierbei energetisch höher liegen , als ein absolutes
energetisches Minimum möglichst
in der Nähe
der Mittelstellung des Ventilhubes. Wenn die beiden relativen Energieminima
höher liegen
als das absolute Energieminima, kann die Energie, die notwendig
ist, um die dazwischenliegende Potentialbarriere PB1, PB2 zu überwinden,
und die für
einen Schaltvorgang mit einem Aktor zugeführt werden muss, für die Translation
des Ventilkörpers
von der einen Endlage in die andere Endlage aus dem Federsystem
zurückgewonnen
werden und zur Kompensation von Reibungsverlusten während des
Ventilhubes genutzt werden.
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Die
Kraft, mit der der Ventilkörper
jeweils in seiner Endlage gehalten wird, lässt sich durch Festlegung des
Ventilhubes, sprich durch Begrenzungen des Ventilhubes durch mechanische
Anschläge,
insbesondere durch den Ventilsitz selbst, einstellen. Der Abstand
der Endlage von dem relativen Energieminimum X1, X2 , bzw. gleichbedeutend
vom Nulldurchgang der Federkraft, in Bezug auf den Ventilhub bestimmt
hierbei die Haltekraft, mit der die Federanordnung den Ventilschaft
in der Endlage hält.
Durch Variation dieses Abstandes X1, X2 und durch die Auslegung
der Federn kann die Haltekraft der Federanordnung eingestellt werden.
Zusätzlich
kann durch aktorischen Eingriff über
die Tauchspulen die Auftreffgeschwindigkeit des Ventilkörpers, insbesondere
des Ringschiebers, auf dem Ventilsitz der Endlage beeinflusst werden.
Insbesondere kann bei Annäherung
in die Endlage die Geschwindigkeit des Ventilkörpers bis nahe an den Idealwert
0 herabgebremst werden, so dass ein möglichst schonendes Auftreffen
des Ventilkörpers
in seinen Endlagen eingestellt werden kann.