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Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mehreren Ventiltrieben
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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In
Serienmotoren für
Kraftfahrzeuge werden bisher ausschließlich Schraubenfedern aus Stahl
als Ventilfedern verwendet. Aus dem Rennmotorenbau ist auch die
Verwendung von Titan bekannt. Bei Rennmotoren werden auch pneumatische
Ventilfedern eingesetzt, wobei die Druckversorgung dieser Luftfedern
durch externe Druckflaschen mit bis zu 300 bar Fülldruck bei einem Systemdruck
der Luftfedern von 15 bar erfolgt.
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Aus
der
DE 102 07 038
A1 ist auch bereits eine gattungsgemäße pneumatische Ventilfeder
als selbstpumpendes Element bekannt, in das ein hydraulisches Element
zum Ausgleich des Ventilspiels integriert ist. Bei diesem bekannten
Ventiltrieb sind der Kolbenmantel und die tassenförmige Druckplatte fest
miteinander verbunden, während
der Kolbenmantel und der Federteller lösbar miteinander verbunden
und mit einem Dichtelement gegeneinander abgedichtet sind. Da der
Kolbenmantel mit der Druckplatte fest verbunden ist, nimmt er an
der Nachstellbewegung des Ventilschaftes und des mit diesem axialfest
verbundenen Federtellers nicht teil. Die Lage des Kolbenmantels
im oberen und unteren Totpunkt wird daher von dem Nachstellvorgang
nicht beeinflußt.
Das hydraulische Spielausgleichselement wird vom Ölsystem
des Motors in der Schließstellung des
Ventils mit Öldruck
beaufschlagt, was zusammen mit einer Rückstellfeder im Spielausgleichselement während der
Grundkreisphase des Nockens zum Anliegen der tassenförmigen Druckplatte
am Grundkreis des Nockens führt.
Diese Bewegung der Druckplatte während
der Grundkreisphase wird aber durch die Reibung infolge der Abdichtung
zwischen dem Kolbenmantel und dem Federteller behindert. Ein nicht
vollständiges
Anliegen der Druckplatte am Grundkreis des Nockens führt jedoch
zu Fehlfunktionen des Ventiltriebs und damit zu Motorschäden.
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Mit
der Erfindung soll ein gattungsgemäßer Ventiltrieb geschaffen
werden, bei dem ein vollständiges
Anliegen des Stößels am
Grundkreis des Nockens gewährleistet
ist.
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Diese
Forderung wird dadurch erfüllt,
daß der
Federteller und der Kolbenmantel einstückig ausgebildet und von der
Druckplatte getrennt sind. Die Druckplatte kann sich daher nahezu
reibungsfrei in dem Gehäuse
bewegen. Dieser Vorteil wird allerdings mit dem Nachteil erkauft,
daß der
Kolbenmantel an der Längenänderung
des Ventilschaftes teilnimmt. Die unterschiedliche thermische Dehnung des
Gaswechselventils im Vergleich zum Zylinderkopf der Brennkraftmaschine
führt jedoch
zu einer entsprechenden Änderung
der sehr kleinen Kompressionshöhe
der von dem Ventiltrieb gebildeten Pumpe. Bei einer einstufigen
Verdichtung ist aufgrund des erforderlichen hohen Kompressionsverhältnisses
diese Änderung
nicht mehr hinnehmbar. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, daß die Gasauslaßleitung
eines ersten Ventiltriebs über
einen Speicher mit der Gaszuführleitung
eines zweiten Ventiltriebs verbunden ist, und daß die Gasauslaßleitung
des zweiten Ventiltriebs mit den Gasräumen des ersten und zweiten
Ventiltriebs verbunden ist. Es erfolgt somit eine zweistufige Verdichtung,
so daß auch mit
einem geringen Kompressionsverhältnis
jeder Stufe ein ausreichend großer
Enddruck im Gasraum jedes Ventiltriebs erreicht werden kann.
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Bei
Brennkraftmaschinen mit mehreren Zylindern ist es zweckmäßig, daß eine Anzahl
von Ventiltrieben zu einer ersten Gruppe zusammengefaßt sind,
deren Gasauslaßleitungen
mit einem Speicher verbunden sind, und daß eine kleinere Anzahl von Ventiltrieben
zu einer zweiten Gruppe zusammengefaßt sind, deren Gaszuführleitungen
mit dem Speicher verbunden sind und deren Gasauslaßleitungen mit
den Gasräumen
aller Ventiltriebe der zweiten Gruppe verbunden sind.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 zwei
Ventiltriebe einer Brennkraftmaschine bei geschlossenem Zustand
des Gaswechselventils, und
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2 die
beiden Ventiltriebe nach 1 in der Offenstellung der Gaswechselventile.
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In 1 der
Zeichnung sind zwei Ventiltriebe mit pneumatischer Ventilfeder dargestellt.
Die beiden Ventiltriebe sind von der selbstpumpenden Bauart und
in Reihe geschaltet, so daß eine
Verdichtung in zwei Stufen erreicht wird.
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Jeder
der beiden identisch ausgebildeten Ventiltriebe besteht im wesentlichen
aus einer Nockenwelle mit einem Nocken 1 sowie mehreren
in einer Ausnehmung eines angedeuteten Zylinderkopfes 18 angeordneten
Bauteilen, die im folgenden näher erläutert werden.
In der Ausnehmung des Zylinderkopfes 18 befindet sich ein
rohrförmiges
Gehäuse 5. Das
Gehäuse 5 besitzt
zwei zylindrische Bereiche mit unterschiedlichem Innendurchmesser,
wobei der dem Nocken 1 benachbarte obere Bereich einen
größeren Innendurchmesser hat. Der obere Bereich dient
als radiale Führung
für eine
tassenförmige Druckplatte 12 und
für einen
einstückigen
Kolben, der einen Federteller 3 und einen Kolbenmantel 8 umfaßt. Die
Druckplatte 12 ist mit einem Gleitstein 32, der
in einer in dem Gehäuse 5 ausgebildeten
axialen Nut geführt
ist, gegen Verdrehung gesichert.
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Der
Boden der Ausnehmung des Zylinderkopfes 18 hat eine zylindrische
Bohrung 29, die als Aufnahme für eine Ventilschaftführung 16 dient.
In der Ventilschaftführung 16 ist
der Schaft eines Gaswechselventils 4 geführt. Koaxial
zur Ventilschaftführung 16 ist
ein Absatz angeordnet, der zur Zentrierung einer mechanischen Ventilfeder 2 dient.
Die mechanische Ventilfeder 2 erstreckt sich in Richtung
des Nockens, und sie stützt
sich in dieser Richtung an dem Federteller 3 ab. Der Federteller 3 ist
mit Kegelelementen 17 gegen die Kraft der mechanischen Ventilfeder 2 lösbar am
Schaft des Gaswechselventils 4 befestigt. Das Gehäuse 5, der
Boden der Ausnehmung sowie der aus Federteller 3 und Kolbenmantel 8 bestehende
Kolben schließen
miteinander einen Gasraum 6 ein. Um die Dichtheit des Gasraumes 6 zu
gewährleisten,
ist dieser mit einem Dichtelement 15 abgedichtet, welches
am Schaft des Gaswechselventils 4 und an der Ventilschaftführung 16 radial
anliegt,.
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Im
Innenvolumen der tassenförmigen
Druckplatte 12 ist zwischen dieser und dem Ventilschaft des
Gaswechselventils 4 ein hydraulisches Spielausgleichselement 14 angeordnet.
Dieses Spielausgleichselement 14 wird durch ein Zentrierelement 25, das
Bestandteil der tassenförmigen
Druckplatte 12 ist, zentriert.
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Der
Kolbenmantel 8 hat drei Abschnitte mit unterschiedlichem
Außendurchmesser,
wodurch Steuerkanten gebildet werden. Der Kolbenmantel 8 und
das Gehäuse 5 bilden
gemeinsam einen Gassammelspalt 10, der bei geschlossenem
Gaswechselventil 4 (siehe 1) sein
größtes Volumen
besitzt. Der Gassammelspalt 10 ist im Bereich der Schließstellung
des Gaswechselventils 4 über eine Gasleitung 7,
die sich durch das Gehäuse 5 und durch
den Zylinderkopf 18 erstreckt, sowie ein schaltbares 2/2-Wegeventil 22 mit
dem umgebenden Luftdruck verbunden. Bei nahezu voll geöffnetem
Gaswechselventil 4 besitzt der Gassammelspalt 10 sein kleinstes
Volumen, und er steht, wie in 2 gezeigt, über eine
Gasauslaßleitung 20,
die durch das Gehäuse 5 und
den Zylinderkopf 18 geführt
ist, mit einem Speicher 28 in Verbindung. Der Gasraum 6 des Ventiltriebs
steht über
eine durch den Boden der Ausnehmung des Zylinderkopfes 18 geführte Druckluftzuführleitung 19 mit
einer Sammelleitung 26 in Verbindung, und er kann über ein
schaltbares 2/2-Wegeventil 33 mit dem umgebenden Luftdruck
verbunden werden.
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Bei
niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine ist nur die mechanische
Ventilfeder 2 aktiv. Die Gasfeder ist beim Betrieb der
Brennkraftmaschine bei einer definierten Drehzahl mit Hilfe des 2/2-Wegeventils 22 zuschaltbar.
Zum Aktivieren der Luftfeder wird das 2/2-Wegeventil 22 ab
einer bestimmten Drehzahl der Brennkraftmaschine geöffnet, und
das 2/2-Wegeventil 33 wird geschlossen. Durch das geöffnete 2/2-Wegeventil 22 strömt Luft
mit Umgebungsdruck bei fast geschlossenem Gaswechselventil 4 (1)
in den Gassammelspalt 10. Infolge der Drehbewegung der
Nockenwelle drückt
der Nocken 1 gemäß 1 die
Druckplatte 12 mit dem Spielausgleichselement 14 gemeinsam
mit dem Kolben und dem Gaswechselventil 4 gegen die Kraft
der mechanischen Ventilfeder 2 nach unten und öffnet das
Gaswechselventil 4. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens wird
die Gaszuführleitung 7 von
der Steuerkante des Kolbenmantels 8 verschlossen, und das
in dem Gassammelspalt 10 enthaltene Gas wird vom Kolbenmantel
komprimiert. Bevor das Gaswechselventil 4 seine maximale
Offenstellung erreicht hat, bildet sich zwischen dem Kolbenmantel 8 und
dem Gehäuse 5 ein
Ringspalt 9 aus, durch den das komprimierte Gas aus dem
Gassammelspalt 10 in die Gasauslaßleitung 20 überströmen kann.
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Bei
dem Spielausgleichselement 14 handelt es sich um ein hydraulisches
Element zum Ausgleich des Ventilspiels. Um die volle Funktionfähigkeit
zu gewährleisten,
muß eine
Druckmittelversorgung für das
Spielausgleichselement 14 vorgesehen werden. Dies wird
durch eine Hydraulikzuführbohrung 30 durch
den Zylinderkopf 18 und das Gehäuse 5 bewirkt, die
in der Schließstellung
des Gaswechselventils mit einer Hydraulikeinlaßöffnung 31 in der Druckplatte 12 fluchtet.
Die tassenförmige
Druckplatte 12 wird durch das Zentrierelement 25 in
zwei Räume
unterteilt. Während
der obere Raum unter dem Druck der Hydraulikflüssigkeit steht, ist der untere
Raum drucklos und mit Luft gefüllt.
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Wie
dies bereits erwähnt
wurde, sind die beiden in der Zeichnung dargestellten Ventiltriebe
identisch ausgebildet und pneumatisch in Reihe geschaltet, so daß eine zweistufige
Verdichtung erzielt wird. Zu diesem Zweck ist die Gaszuführleitung 7' des unteren
Ventiltriebs mit dem Speicher 28 verbunden. Die Gasauslaßleitung 20' des unteren
Ventiltriebs ist mit der Sammelleitung 26 verbunden, mit
der auch die Druckluftzuführleitung 19' des unteren
Ventiltriebs verbunden ist. Die vom oberen Ventiltrieb vorkomprimierte
Luft wird somit über
die Gaszuführleitung 7' dem unteren
Ventiltrieb zugeführt
und bei einer Abwärtsbewegung
seines Kolbens weiter verdichtet. Ähnlich wie dies bereits für den oberen
Ventiltrieb erläutert
wurde, kann die verdichtete Luft nach Erreichen des unteren Totpunkts
des Kolbens über einen
Ringspalt 9' in
die Gasauslaßleitung 20' ausströmen. Die
in zwei Stufen komprimierte Luft strömt sodann über die Sammelleitung 26 und
die Druckluftzuführleitungen 19, 19' in den Federraum 6, 6' des oberen
und des unteren Ventiltriebs. Auf diese Weise kann im Federraum
des oberen und des unteren Ventiltriebs ein Druck erzeugt werden,
der wesentlich größer ist
als der mit einem einzigen Ventiltrieb erzeugbare Druck.
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Zur
Vereinfachung der Darstellung sind in der Zeichnung nur zwei Ventiltriebe
gezeigt. Bei einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine, die über eine Vielzahl
derartiger Ventiltriebe verfügt,
ist es jedoch sinnvoll, diese in zwei Gruppen zusammenzufassen. Dabei
wird eine Anzahl von Ventiltrieben zu einer ersten Gruppe zusammengefaßt, deren
Gasauslaßleitungen
mit dem Speicher verbunden sind, während eine kleinere Anzahl
von Ventiltrieben zu einer zweiten Gruppe zusammengefaßt wird,
deren Gaszuführleitungen
mit dem Speicher verbunden sind und deren Gasauslaßleitungen
mit den Gasräumen
aller Ventiltriebe verbunden sind.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- Nocken
- 2
- mechanische
Ventilfeder
- 3
- Federteller
- 4
- Gaswechselventil
- 5
- Gehäuse
- 6
- Gasraum
- 7
- Gaszuführleitung
- 7'
- Gaszuführleitung
- 8
- Kolbenmantel
- 9
- Ringspalt
- 10
- Gassammelspalt
- 12
- Druckplatte
- 14
- Spielausgleichselement
- 15
- Dichtelement
- 16
- Ventilschaftführung
- 17
- Kegelelemente
- 18
- Zylinderkopf
- 19
- Druckluftzuführleitung
- 19'
- Druckluftzuführleitung
- 20
- Gasauslaßleitung
- 20'
- Gasauslaßleitung
- 22
- 2/2-Wegeventil
- 25
- Zentrierelement
- 26
- Sammelleitung
- 28
- Speicher
- 29
- Bohrung
- 30
- Hydraulikzuführbohrung
- 31
- Hydraulikeinlaßöffnung
- 32
- Gleitstein
- 33
- 2/2-Wegeventil