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Die
Erfindung betrifft ein Gaswechselventil für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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Aus
der
DE 198 26 047
A1 ist ein Gaswechselventil bekannt, bei dem das Ventilglied
zur Betätigung
an seinem vom Brennraum abgewandten Ende mit einem Kolben eines
Hydraulikzylinders verbunden ist, wobei der Kolben in axialer Richtung
zwei mit Hydraulikfluid beaufschlagbare Arbeitsräume des Zylinders voneinander
trennt. In den unteren Arbeitsraum des Zylinders ist eine Notfeder
eingesetzt, die am Kolben angreift und das Ventilglied bei einem Druckabfall
in den Arbeitsräumen
des Zylinders in eine obere Schließstellung drückt. Dadurch
wird vermieden, dass das Ventilglied bei einem Ausfall eines Druckversorgungssystems
oder infolge von geringen Leckagen bei einem längeren Abstellen der Brennkraftmaschine
in unbetätigtem
Zustand infolge seiner Schwerkraft eine untere Öffnungsstellung einnimmt, in
der beim anschließenden
Neustart der Brennkraftmaschine die Gefahr einer Kollision zwischen
einem Ventilteller des Ventilglieds und dem sich in seinen oberen
Totpunkt bewegenden Kolben besteht, was schwerste Schäden am Ventiltrieb
und an der Brennkraftmaschine selbst zur Folge haben könnte. Zwar ist
die Notfeder des bekannten Gaswechselventils nur so kräftig dimensioniert,
dass sie die Reibkräfte im
Gaswechselventil unter allen Bedingungen überwinden und das Ventilglied
aus jeder Stellung heraus in die Schließstellung bewegen kann. Da
die Feder jedoch bei jedem Öffnen
des Ventilglieds zusammengedrückt
und bei jedem Schließen
des Ventilglieds wieder entlastet wird, treten bei dem bekannten
Gaswechselventil spürbare
Reibungs- und damit Energieverluste auf. Außerdem werden die Ventilglieder von
der Notfeder in einer oberen Endstellung gehalten, in der sie vollständig geschlossen
sind, wodurch beim Neustart der Brennkraftmaschine vom Anlasser eine
große
Kompressionskraft überwunden
werden muss.
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Um
diese Probleme zu beseitigen, wurde in der
DE 101 07 698 C1 vorgeschlagen,
an Stelle der Feder einen Druckspeicher des Druckversorgungssystems
quer zur Bewegungsrichtung des Ventilglieds anzuordnen, so dass
das Ventilglied des Gaswechselventils vom Kolben des drucklosen
Druckspeichers auch in einer nicht vollständig ge schlossenen Stellung
blockiert werden kann. Bei diesem Vorschlag ist es jedoch erforderlich,
die Öffnungs-
und Schließbewegung
des Ventilglieds einerseits und die Arretierbewegung des Kolbens
des Druckspeichers andererseits sehr genau aufeinander abzustimmen, da
bei einer zu frühen
Bewegung des Kolbens das Schließen
des Ventilglieds behindert und das letztere in einer undefinierten
Stellung festgehalten werden kann. Diese Abstimmung wird dadurch
erschwert, dass der Kolben des Druckspeichers und andere zum Druckspeicher
zugehörige
Teile des Druckversorgungssystems nicht völlig leckagefrei gehalten werden
können.
Außerdem
sind zur Anbringung des Druckspeichers zusätzliche Bearbeitungsvorgänge erforderlich,
für deren
Ausführung
die Bearbeitungsrichtung gegenüber
der Bearbeitungsrichtung bei der Bearbeitung des Gaswechselventils
selbst geändert werden
muss.
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Aus
der
DE 37 39 775 A1 ist
bereits ein Gaswechselventil der eingangs genannten Art bekannt, bei
dem sich eine Ventilschließfeder
gegen einen am Schaft des Ventils angebrachten Ventilteller abstützt. Auf
den Ventilteller wirkt ein Stellkolben ein, der durch Beaufschlagung
eines darüber
angeordneten Druckbeaufschlagungsraums mit einem Druckmittel entgegen
der Kraft der Ventilschließfeder
nach unten bewegt und mittels einer Arretiervorrichtung in einer geöffneten
unteren Stellung des Ventils sowie in einer geschlossenen oberen
Stellung des Ventils arretiert werden kann. Da die Arretierung der
Ventilschließfeder
im gespannten Zustand allein mit Hilfe des Stellkolbens erfolgt,
der sich beim Öffnen
und Schließen
des Ventils zyklisch hin und her bewegt, wird die Ventilschließfeder während jedes Öffnungsvorgangs
des Ventils gespannt und während
jedes Schließvorgangs
des Ventils entspannt. Die führt
zu beträchtlichen
Reibungs- und Energieverlusten.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Gaswechselventil
der eingangs genannten Art Reibungs- und damit Energieverluste infolge
einer wiederholten Kompression und Entlastung der Feder zu vermeiden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Feder während
der Dauer der Auf- und Abbewegung des Ventilglieds im Betrieb der Brennkraftmaschine
in gespanntem Zustand arretierbar ist.
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Durch
die Arretierung der gespannten Feder während der Dauer der Auf- und
Abbewegung des Ventilglieds im Betrieb des Gaswechselventils kann die
wiederholte Kompression und Entlastung der Feder während der
Bewegung des Ventilglieds und damit ein reibungs- und verformungsbedingter
Energieverlust vermieden werden. Eine vollständige Vermeidung jeglichen
Energieverlusts durch Kompression und Entlastung der Feder setzt
dabei voraus, dass sich das obere Ende der gespannten und arretierten Feder
im Betrieb des Ventilgliedes außerhalb
von dessen Bewegungsweg befindet, das heißt nicht mit dem sich bewegenden
Ventilglied in Eingriff tritt.
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Zur
Arretierung der gespannten Feder ist zweckmäßig eine Arretiervorrichtung
vorgesehen, welche die Feder in Öffnungsrichtung
des Ventilglieds spannt und sie während des Betriebs der Brennkraftmaschine
gespannt hält,
wozu sie vorzugsweise mindestens ein hydraulisch oder elektromechanisch
betätigbares
Stellorgan umfasst. Ein hydraulisch betätigtes Ventilglied wird dabei
zweckmäßig mit
einem hydraulisch betätigten
Stellorgan, vorzugsweise mit einer Zylinder-/Kolben-Anordnung gepaart,
während
einem elektromechanisch betätigten Ventilglied
zweckmäßig mindestens
ein elektromechanisch betätigtes
Stellorgan zugeordnet wird, vorzugsweise in Form einer Magnetspule,
so dass das Ventilglied und das Stellorgan jeweils Teil eines gemeinsamen
Hydraulik- bzw. Stromkreises bilden können.
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In
axialer Richtung zwischen dem Stellorgan und der das Ventilglied
umgebenden Feder ist zweckmäßig ein
ringförmiges
Mitnehmerelement angeordnet, das zum einen die vom Stellorgan zum Spannen
der Feder ausgeübte
Kraft um das Ventilglied herum gleichmäßig auf den Umfang der Feder verteilt
und zum anderen das Ventilglied bei abgestellter Brennkraftmaschine
gleichmäßig um seinen gesamten
Umfang herum abstützt.
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Mit
der erfindungsgemäßen Maßnahme ist es
darüber
hinaus auch möglich,
das Ventilglied des Gaswechselventils während eines Stillstands der Brennkraftmaschine
in einer definierten Hubstellung zu halten, in der sein Ventilteller
in der oberen Endstellung einen geringen Abstand von seinem Ventilsitz
aufweist. Dieser Abstand wird vorzugsweise so gewählt, dass
einerseits keine Kollision mit den sich in den Brennräumen bewegenden
Kolben möglich ist,
andererseits jedoch die Brennräume
nicht gasdicht verschlossen sind, wodurch ein kompressionsloser
Neustart der Brennkraftmaschine mit deutlich verringerter Starter-Antriebsleistung
ermöglich
wird.
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Um
das Ventilglied in dieser definierten Hubstellung zu halten, wird
vorzugsweise der Bewegungsweg der Feder bzw. des Mitnehmerelements beim
Entspannen der Feder durch einen im Bewegungsweg der Feder oder
des Mitnehmerelements angeordneten Anschlag begrenzt. Der Anschlag kann
verstellbar sein, so dass die Größe eines
Ringspalt zwischen einem Ventilteller des Ventilglieds und dem zugehörigen Ventilsitz
nach Bedarf eingestellt werden kann.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert, bei
dem das Ventilglied hydraulisch betätigt wird. Es zeigen:
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1:
eine teilweise geschnittene Ansicht eines Gaswechselventils einer
Brennkraftmaschine in geschlossenem Zustand während des Betriebs der Brennkraftmaschine;
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2:
eine Ansicht entsprechend 1, jedoch
bei geöffnetem
Gaswechselventil während
des Betriebs der Brennkraftmaschine;
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3:
eine Ansicht entsprechend 1 und 2,
jedoch bei abgestellter Brennkraftmaschine.
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Das
in der Zeichnung dargestellte, als Einlassventil oder Auslassventil
ausgebildete Gaswechselventil 2 einer Brennkraftmaschine
dient zur Steuerung des Einlass- bzw. Auslassquerschnitts eines Brennraums 4 eines
Zylinders der Brennkraftmaschine.
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Das
Gaswechselventil 2 umfasst ein Ventilglied 6,
das einen langgestreckten Ventilschaft 8, einen radial über den
Ventilschaft 8 überstehenden Kragen 10 und
einen am unteren Ende des Ventilschafts 8 angeformten Ventilteller 12 aufweist.
Bei geschlossenem Gaswechselventil 2 (1)
verschließt
der Ventilteller 12 einen Ventilsitz 14 in einer Begrenzungswand 15 des
Brennraums 4, während er
bei geöffnetem
Gaswechselventil 2 (2) ein Stück weit
in den Brennraum 4 hinein übersteht.
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Zum Öffnen des
Gaswechselventils 2 ist ein hydraulischer Öffnungszylinder 16 vorgesehen,
der das Ventilglied 6 beim Öffnen des Ventils 2 nach
unten schiebt und dessen Kolben 18 von dem in einer Zylinderbohrung 20 geführten oberen
Ende des Ventilschafts 8 gebildet wird. Zum Schließen des
Ventils 2 sind zwei in Bezug zu der Bewegungsachse des Ventilsglieds 6 diametral
gegenüberliegende Schließzylinder 22 vorgesehen,
die jeweils einen in einer Zylinderbohrung 24 geführten Kolben 26 umfassen.
Die beiden Kolben 26 liegen von unten her gegen den Kragen 10 des
Ventilglieds 6 an, um dieses beim Schließen des
Ventils 2 nach oben zu schieben.
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Die
Zylinderbohrungen 24 der beiden Schließzylinder 22 sind
in einen nach oben überstehenden
zylindrischen Vorsprung 28 einer ortsfesten Ventilgliedführung 30 ausgespart,
die von unten her in eine Montagebohrung 32 in einem Zylinderkopf 34 der
Brennkraftmaschine eingesetzt ist. Die Ventilgliedführung 30 umschließt Fluidkanäle 36, über welche
die beiden Zylinderbohrungen 24 im Betrieb der Brennkraftmaschine
von einer Hydraulikpumpe (nicht dargestellt) mit unter Druck stehendem
Hydraulikfluid beaufschlagt werden.
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Die
Zylinderbohrung 20 des Öffnungszylinders 16 weist
eine Querschnittsfläche
auf, die größer als
die Querschnittsfläche
der beiden Schließzylinder 22 ist,
und ist über
einen Fluidkanal 38 mit einem Magnetventil (nicht dargestellt)
verbunden, das den Fluidkanal 38 abwechselnd mit der Hydraulikpumpe
verbindet und wieder drucklos macht, um das Ventilglied 6 alternierend
nach oben in seine Schließstellung bzw.
nach unten in seine Öffnungsstellung
zu bewegen.
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Um
den Vorsprung 28 herum ist eine Kammer 40 ausgespart,
die eine Schraubendruckfeder 42 beherbergt, welche sich
mit ihrem unteren Stirnende gegen die Ventilgliedführung 30 abstützt. Mit
ihrem oberen Stirnende liegt die Feder 42 gegen einen Mitnehmerring 44 an,
der axial verschiebbar in der Montagebohrung 32 geführt ist.
Der Mitnehmerring 44 weist einen winkelförmigen Querschnitt
auf, wobei sich sein radialer Schenkel 46 mit dem radial über den
Ventilschaft 8 überstehenden
Kragen 10 überlappt,
während
sein axialer Schenkel 48 einen dem Innendurchmesser der
Montagebohrung 32 entsprechenden Außendurchmesser aufweist, um
den Mitnehmerring 44 in der Bohrung 32 zu führen.
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Während der
Auf- und Abbewegung des Ventilglieds 6 beim Betrieb der
Brennkraftmaschine wird der Mitnehmerring 44 von zwei auf
seine Oberseite einwirkenden Deaktivierungszylindern 50 entgegen
der Kraft der Feder 42 in eine untere Endstellung (1 und 2)
gedrückt,
in der sich seine Oberseite unterhalb des Bewegungswegs der Unterseite
des Kragens 10 befindet und in der sich sein axialer Schenkel 48 mit
dem unteren Stirnende gegen den Boden der Kammer 40 abstützt, um
ein übermäßiges Ausfahren
von Kolben 54 der Deaktivierungszylinder 50 zu
vermeiden. In seiner unteren Endstellung hält der Mitnehmerring 44 die
Feder 42 in zusammengedrücktem Zustand fest, so dass
eine intermittierende Kompression und Entlastung der Feder 42 während des
Betriebs der Brennkraftmaschine vermieden werden kann. Die beiden
Deaktivierungszylinder 50 weisen jeweils eine Zylinderbohrung 52 auf,
die im Betrieb der Brennkraftmaschine jeweils durch einen Kanal
mit dem unter Druck stehendem Hydraulikfluid beaufschlagt werden,
um ihre Kolben 54 entgegen der Kraft der Feder 42 auszufahren
und den Mitnehmerring 44 in seiner unteren Endstellung
zu halten.
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Wenn
beim Abstellen der Brennkraftmaschine das Magnetventil im Fluidkanal
zum Öffnungszylinder 16 geschlossen
wird und der Systemdruck des Hydraulikfluids in den Zylinderbohrungen 52 der Deaktivierungszylinder 50 und
den Zylinderbohrungen 24 der Schließzylinder 22 auf null
absinkt, wird der Mitnehmerring 44 durch die Kraft der
Feder 42 zusammen mit den Kolben 54 der Deaktivierungszylinder 50 nach
oben geschoben, bis er an seinem äußeren Umfang mit seiner Oberseite
gegen die Unterseite eines in eine Ringnut der Montagebohrung 32 eingesetzten
Halterings 56 anliegt. In dieser obe ren Endstellung des
Mitnehmerrings 44 verhindert dieser, dass sich das Ventilglied 6 infolge
seiner Schwerkraft langsam nach unten bewegt, wenn aufgrund geringer
Leckageverluste Hydraulikfluid aus den Zylinderbohrungen 24 der
Schließzylinder 22 entweicht. Um
den Mitnehmerring 44 in seiner oberen Endstellung zu halten,
ist die Federkonstante der Feder 42 so gewählt, dass
diese in ihrer in 3 dargestellten teilweise entspannten
Stellung durch die Gewichtskraft der Kolben 54, des Mitnehmerrings 44 und
des Ventilglieds 6 nicht zusammengedrückt wird, wenn sich das letztere über den
auf der Oberseite des Mitnehmerrings 44 aufliegenden Kragen 10 mit
seinem gesamten Gewicht auf dem Mitnehmerring 44 abstützt.
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Bei
dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Lage
des vom Haltering 56 gebildeten Anschlags so gewählt, dass
der Ventilteller 12 des Ventilglieds 6 den Ventilsitz 14 nicht
dichtend verschließt,
wenn sich der Mitnehmerring 44 in seiner oberen Endstellung
befindet und sich der Kragen 10 des Ventilglieds 6 auf
dem Mitnehmerring 44 abstützt, jedoch einen ausreichenden
Abstand von dem im Brennraum 4 angeordneten Kolben aufweist, wenn
sich dieser beim Anlassen der Brennkraftmaschine in seinen oberen
Totpunkt bewegt. Andererseits kann die im Brennraum 4 befindliche
Luft durch den Spalt 58 zwischen dem Ventilteller 12 und
dem Ventilsitz 14 entweichen, wie in 3 dargestellt,
so dass ein kompressionsloser Start der Brennkraftmaschine ermöglicht wird.
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Als
Alternative ist es jedoch auch möglich, den
Anschlag 56 entweder etwas weiter oben anzuordnen, so dass
das Gaswechselventil 2 bei drucklosem System vollständig geschlossen
ist, oder einen verstellbaren Anschlag vorzusehen, dessen Lage zum
Beispiel von Hand oder mittels eines weiteren Stellorgans nach Bedarf
eingestellt werden kann.
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Da
bei dem in der Zeichnung dargestellten Gaswechselventil 2 die
Zylinderbohrungen 20, 24 und 52 des Öffnungszylinders 16,
der Schließzylinder 22 bzw.
der Deaktivierungszylinder 50 parallel zur Bewegungsrichtung
des Ventilglieds 6 ausgerichtet sind, kann die Bearbeitung
des Gaswechselventils 2 mit einer einzigen Bearbeitungsrichtung
erfolgen.
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Obwohl
das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel ein Gaswechselventil 2 mit
hydraulischer Betätigung
zeigt, kann die Erfindung auch bei Gaswechselventilen 2 mit
elektromagnetischer Betätigung
eingesetzt werden, wobei in diesem Fall zur Arretie rung der gespannten
Feder 42 zweckmäßig ein
Stellorgan in Form einer Magnetspule oder Tauchspule verwendet wird.
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- 2
- Gaswechselventil
- 4
- Brennraum
- 6
- Ventilglied
- 8
- Ventilschaft
- 10
- Kragen
- 12
- Ventilteller
- 14
- Ventilsitz
- 15
- Begrenzungswand
- 16
- Öffnungszylinder
- 18
- Kolben Öffnungszylinder
- 20
- Zylinderbohrung Öffnungszylinder
- 22
- Schließzylinder
- 24
- Zylinderbohrung
Schließzylinder
- 26
- Kolben
Schließzylinder
- 28
- Vorsprung
- 30
- Ventilgliedführung
- 32
- Montagebohrung
- 34
- Zylinderkopf
- 36
- Fluidkanäle
- 38
- Fluidkanal
- 40
- Kammer
- 42
- Schraubendruckfeder
- 44
- Mitnehmerring
- 46
- Schenkel
Mitnehmerring
- 48
- Schenkel
Mitnehmerring
- 50
- Deaktivierungszylinder
- 52
- Zylinderbohrung
Deaktivierungszylinder
- 54
- Kolben
Deaktivierungszylinder
- 56
- Haltering
- 58
- Spalt