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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere
in einem Fahrzeug, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Kälteladen
von Zylindern einer derartigen Brennkraftmaschine sowie ein Frischgasventil
für eine solche Brennkraftmaschine.
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Aus
der
DE 102 40 913
A1 ist eine Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug
bekannt, die mehrere Zylinder aufweist, in denen jeweils ein Brennraum ausgebildet
und ein Kolben hubverstellbar angeordnet ist. Je Zylinder sind zumindest
ein Einlassventil sowie zumindest eine Frischgasleitung zum Zuführen von
Frischgas zum jeweiligen Brennraum vorgesehen. Ferner ist je Zylinder
ein Frischgasventil vorgesehen, das in der jeweiligen Frischgasleitung
stromauf des jeweiligen Einlassventils angeordnet ist und mit dem
die jeweilige Frischgasleitung steuerbar ist. Für die Betätigung
der Frischgasventile ist eine Steuerung vorgesehen, mit der die
Frischgasventile zur Realisierung einer Kälteladung der
Zylinder ansteuerbar sind. Bei einer derartigen Kälteladung
sperrt das jeweilige Frischgasventil die jeweilige Frischgasleitung
bevor das jeweilige Einlassventil schließt. Mit Hilfe der zusätzlich
zu den Einlassventilen vorgesehenen Frischgasventilen kann somit
ein frühes Einlass-Schließen bei den Zylindern
realisiert werden, selbst wenn die eigentlichen Einlassventile noch
geöffnet sind. Dieses frühe Einlass-Schließen
ist an sich als Miller-Verfahren bekannt. Je näher am oberen
Totpunkt das jeweilige Frischgasventil geschlossen wird, desto weniger
Frischgas strömt in den jeweiligen Zylinder und desto kälter
ist das Frischgas wegen seiner Entspannung auf einen niedrigeren Druck
bei Verdichtungsbeginn und wegen seiner Kompression auf einen niedrigeren
Druck bei Verdichtungsende. Hierdurch lässt sich eine Reduzierung
der Schadstoffemissionen erreichen.
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Das
jeweilige Frischgasventil besitzt eine um eine Drehachse drehverstellbare
Klappe. Bei der bekannten Brennkraftmaschine ist das jeweilige Frischgasventil
als diskontinuierlich arbeitendes Ventil ausgestaltet, dessen Klappe
zur Realisierung von Schaltvorgängen mit einer relativ
hohen Schaltgeschwindigkeit zwischen einer Schließstellung,
in der die Klappe sich quer zur Strömungsrichtung erstreckt und
den durchströmbaren Querschnitt der Frischgasleitung sperrt,
und einer Offenstellung hin und her verstellbar ist, in der sich
die Klappe parallel zur Strömungsrichtung erstreckt und
somit den durchströmbaren Querschnitt der Frischgasleitung
maximal freigibt. Charakterisierend für ein derartiges
diskontinuierlich arbeitendes Ventil ist, dass sein Ventilglied, also
die Klappe, in den beiden Endstellungen, also in der Offenstellung
und in der Schließstellung zwischen den einzelnen Schaltvorgängen
stillsteht. Um die erforderlichen Schaltzeiten für das
jeweilige Frischgasventil, die im Mil lisekundenbereich liegen können,
zu realisieren, sind an einen hierzu erforderlichen Stellantrieb
ebenso wie an das Ventilglied relativ hohe Anforderungen hinsichtlich
Leistung und Festigkeit zu stellen, wodurch das jeweilige Frischgasventil
vergleichsweise teuer ist.
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Aus
der
DE 198 30 575 ist
eine andere Brennkraftmaschine bekannt, bei der in einer zu einem
Zylinder führenden Frischgasleitung stromauf eines Einlassventils
ebenfalls ein Frischgasventil angeordnet ist, dessen Ventilglied
als Drehschieber ausgestaltet ist. Dieser Drehschieber besitzt einen Zylinderkörper,
der um eine quer zur Strömungsrichtung orientierte Drehachse
drehverstellbar gelagert ist und der an zwei Seiten, die sich bezüglich
der Drehachse diametral gegenüber liegen, jeweils eine zylindersegmentförmige
Aussparung aufweist. Ein derartiges Frischgasventil mit Drehschieber
arbeitet kontinuierlich, da der Drehschieber zur Realisierung von
Schaltvorgängen permanent mit gleichbleibender Drehrichtung
und mit einer durch die gewünschten Schaltzeiten bestimmten
Drehgeschwindigkeit verstellt wird. Dabei durchfährt der
Drehschieber in der Drehrichtung nacheinander einen Schließwinkelbereich,
in dem der durchströmbare Querschnitt der Frischgasleitung
abnimmt, einen Sperrwinkelbereich, in dem der durchströmbare
Querschnitt der Frischgasleitung gesperrt ist, und einen Öffnungswinkelbereich,
in dem der durchströmbare Querschnitt der Frischgasleitung
zunimmt. Sofern wie beim bekannten Frischgasventil die Aussparungen
im Drehschieber in der Umfangsrichtung einen größeren
Winkelbereich aufweisen als eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung, über
die das Frischgasventil in die Frisch gasleitung eingebunden ist,
durchfährt der Drehschieber zwischen dem Öffnungswinkelbereich und
dem nächsten Schließwinkelbereich außerdem einen
zusätzlichen Winkelbereich, in dem der durchströmbare
Querschnitt Frischgasleitung maximal geöffnet ist und konstant
bleibt.
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Im
Vergleich zu einem diskontinuierlich arbeitenden Ventil lässt
sich ein derartiges kontinuierlich arbeitendes Ventil im Hinblick
auf die erforderlichen kleinen Schaltzeiten preiswerter realisieren.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass ein Frischgasventil mit einem Drehschieber
als Ventilglied relativ große Strömungswiderstände
aufweisen kann, was sich bei der Realisierung effektiver Ladungswechselvorgänge nachteilig
auswirken kann. Des Weiteren besitzt eine derartiger Drehschieber
ein relativ großes Trägheitsmoment, was für
dynamische Veränderungen der Drehgeschwindigkeit nachteilig
ist.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
für eine Brennkraftmaschine bzw. für ein Verfahren
bzw. für ein Frischgasventil der eingangs genannten Art
eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere
durch eine preiswerte Realisierbarkeit und/oder durch einen verbesserten
Ladungswechsel und/oder durch eine verbesserte Adaption an sich ändernde
Betriebszustände der Brennkraftmaschine auszeichnen soll.
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Erfindungsgemäß wird
dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das mit einer Klappe
als Ventilglied versehene Frischgasventil als kontinuierlich arbeitendes Ventil
auszugestalten. Durch diese Bauweise lässt sich ein vergleichsweise
preiswerter Aufbau für das Frischgasventil realisieren,
wobei gleichzeitig günstige Strömungsverhältnisse
mit niedrigen Strömungswiderständen realisierbar
sind, was die Ladungswechselvorgänge begünstigt.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der zwischen
einer der Klappe zugewandten Innenseite eines Wandabschnitts, der
zum Beispiel zur jeweiligen Frischgasleitung oder zu einem Ventilgehäuse
gehört und mit dem die Klappe zur Ausbildung des Sperrwinkelbereichs
zusammenwirkt, und einer bezüglich der Drehachse radial
außen liegenden Klappenkante im Sperrwinkelbereich ein
Drosseldichtspalt ausgebildet ist. Durch die Ausbildung eines derartigen
Drosseldichtspalts wird die Erzielung einer hinreichenden Dichtwirkung
ohne direkte Kontaktierung zwischen der Klappenkante und der Innenseite
erreicht. Die Dichtung wird mit Hilfe der Drosselwirkung erreicht,
die durch das Spaltmaß, also insbesondere durch die in
radialer Richtung gemessene Spaltweite, bestimmt ist. Die mit Hilfe
eines derartigen Drosseldichtspalts realisierte Dichtung ist quasi
verschleißfrei und reduziert die Bauteilbelastung, wodurch
das Frischgasventil preiswerter realisierbar ist.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine
stark vereinfachte, prinzipielle Schnittdarstellung einer Brennkraftmaschine
im Bereich eines Frischgasventils,
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2 einen
vereinfachten Längsschnitt durch das Frischgasventil,
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3 einen
Querschnitt des Frischgasventils,
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4 ein
vergrößertes Detail IV aus 3 und
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5 einen
Querschnitt wie in 3, jedoch bei einer anderen
Ausführungsform des Frischgasventils.
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Entsprechend 1 umfasst
eine nur teilweise dargestellte Brennkraftmaschine 1 in
einem Motorblock 2 mehrere Zylinder 3, wobei in 1 jedoch
nur ein Zylinder 3 erkennbar ist. Jeder Zylinder 3 enthält
einen Brennraum 4. In jedem Zylinder 3 ist ein
nur teilweise dargestellter Kolben 5 in bekannte Weise
hubverstellbar angeordnet. Je Zylinder 3 ist üblicherweise
mindestens ein Einlassventil 6 vorgesehen, mit dem ein
Frischgaseinlass 7 des jeweiligen Zylinders 3 steuerbar
ist. Es ist klar, dass der jeweilige Zylinder 3 auch wenigstens
ein Auslassventil aufweist, das hier jedoch nicht dargestellt ist.
An jeden Zylinder 3 ist eine Frischgasleitung 8 angeschlossen, über
die dem jeweiligen Brennraum 4 Frischgas zuführbar
ist. Beim Frischgas handelt es sich üblicherweise um Luft.
Die jeweilige Frischgasleitung 8 kann einen im Motorblock 2 verlaufenden
Leitungsabschnitt 9 sowie einen außerhalb des
Motorblocks 2 verlaufenden Leitungsabschnitt 10 aufweisen,
der beispielsweise Teil einer Frischgasanlage 11 ist, die zur
Versorgung der Brennkraftmaschine 1 mit Frischgas an den
Motorblock 2 angeschlossen ist.
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Ferner
weist die Brennkraftmaschine 1 für jeden Zylinder 3 zumindest
ein Frischgasventil 12 auf, mit dem die jeweilige Frischgasleitung 8 steuerbar
ist. Hierzu ist das jeweilige Frischgasventil 12 in der
jeweiligen Frischgasleitung 8 angeordnet, und zwar stromauf
des jeweiligen Einlassventils 6.
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Bei
der Brennkraftmaschine 1 kann es sich grundsätzlich
um einen beliebigen Verbrennungsmotor der Kolbenbauweise handeln,
also insbesondere um einen Benzinmotor, einen Dieselmotor oder um einen
Erdgasmotor. Bevorzugt handelt es sich bei der Brennkraftmaschine 1 jedoch
um eine großvolumige Brennkraftmaschine, die insbesondere
je Zylinder ein Volumen von mehr als einem Liter Hubraum aufweist. Die
Brennkraftmaschine 1 kommt dabei z. B. in Fahrzeugen zur
Anwendung, und zwar bevorzugt in Schiffen, Schienenfahrzeugen oder
Straßenfahrzeugen. Bei großvolumigen Brennkraftmaschinen 1 können
je Zylinder 3 auch zwei oder mehr Frischgasleitungen 8 vorgesehen
sein, in denen dann jeweils ein derartiges Frischgasventil 12 angeordnet
ist.
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Für
die Betätigung der Frischgasventile 12 ist eine
Steuerung 13 vorgesehen, die auf geeignete, hier nicht
dargestellte Weise mit dem jeweiligen Frischgasventil 12 gekoppelt
ist. Die Steuerung 13 kann außerdem mit einer
hier nicht gezeigten Motorsteuerung der Brennkraftmaschine 1 gekoppelt
sein oder zumindest teilweise in eine derartige Motorsteuerung integriert
sein. Die Steuerung 13 und die Frischgasventile 12 sind
so ausgestaltet, dass damit im jeweiligen Zylinder 3 eine
Kälteladung realisierbar ist. Bei einer derartigen Kälteladung
wird das jeweilige Frischgasventil 12 so angesteuert, dass
es den durchströmbaren Querschnitt der Frischgasleitung 8 sperrt,
während das jeweilige Einlassventil 6 noch offen
ist, also bevor das jeweilige Einlassventil 6 schließt.
Je nach Zylinderanzahl und Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 können
dabei mehrere Ladungswechselvorgänge pro Sekunde je Zylinder 3 realisiert
werden, so dass das Frischgasventil 12 insbesondere zur
Realisierung von Schaltzeiten im Millisekundenbereich ausgestaltet
sein kann.
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Das
Frischgasventil 12 weist eine Klappe 14 auf, die
vorzugsweise an einer Welle 15 drehfest angebracht ist
und die um eine Drehachse 16 drehverstellbar ist. Die Klappe 14 ist
vorzugsweise als Schmetterlingsklappe ausgestaltet, deren Flügel
bezüglich der Drehachse 14 radial von der Welle 15 abstehen.
Die Drehachse 16 erstreckt sich dabei quer zu einer durch
Pfeile angedeuteten Hauptströmungsrichtung 17,
die sich in der Frischgasleitung 8 bei geöffnetem
Frischgasventil 12 einstellt. Zweckmäßig durchsetzt
die Drehachse 16 die Frischgasleitung 8 im wesentlichen
mittig, wodurch die Klappe 14 einen symmetrischen Aufbau
besitzt.
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Das
jeweilige Frischgasventil 12 ist als kontinuierlich arbeitendes
Ventil ausgestaltet. Ein derartiges, kontinuierlich arbeitendes
Frischgasventil 12 charakterisiert sich dadurch, dass seine
Klappe 14 zur Realisierung von Schaltvorgängen
permanent mit gleichbleibender, hier durch einen Pfeil angedeuteter Drehrichtung 18 und
mit einer von den jeweils gewünschten Schaltzeiten abhängigen
Drehgeschwindigkeit verstellbar ist. „Gleichbleibende Drehrichtung" bedeutet
hierbei, dass die Drehrichtung innerhalb des Schaltbetriebs des
Frischgasventils 12 gleich bleibt, jedoch bei verschiedenen
Schaltbetrieben unterschiedlich sein kann. In der Folge durchfährt
die Klappe 14 bei der Realisierung von Schaltvorgängen in
der Drehrichtung 18 nacheinander einen durch eine geschweifte
Klammer angedeuteten Schließwinkelbe reich 19,
einen durch eine geschweifte Klammer angedeuteten Sperrwinkelbereich 20 und einen
durch eine geschweifte Klammer angedeuteten Öffnungswinkelbereich 21.
In jedem Schließwinkelbereich 19 nimmt der durchströmbare
Querschnitt der Frischgasleitung 8 ab. In jedem Sperrwinkelbereich 20 ist
der durchströmbare Querschnitt der Frischgasleitung 8 konstant
gesperrt oder zumindest auf einen minimalen Wert eingestellt. In
jedem Öffnungswinkelbereich 21 nimmt der durchströmbare Querschnitt
der Frischgasleitung 8 wieder zu. Jeder Öffnungswinkelbereich 21 endet
bei einem maximal geöffneten durchströmbaren Querschnitt
der Frischgasleitung 8. In diesem maximal geöffneten
Schaltzustand erstreckt sich die Klappe 14 in einer Ebene 22,
die sich parallel zur Hauptströmungsrichtung 17 erstreckt
und in der die Drehachse 16 liegt. Jeder Schließwinkelbereich 19 beginnt
bei diesem maximal geöffneten Querschnitt. Dementsprechend
geht jeder Öffnungswinkelbereich 21 unmittelbar
in den nächsten Schließwinkelbereich 19 über.
Bevorzugt wird die hier gezeigte symmetrische Bauweise, bei der
zwei gleich große Schließwinkelbereiche 19, zwei
gleich große Sperrwinkelbereiche 20 und zwei gleich
große Öffnungswinkelbereiche 21 jeweils
bezüglich der Drehachse 19 zueinander diametral
gegenüberliegend angeordnet sind.
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Die
Klappe 14 des jeweilige Frischgasventils 12 kann
mit einer konstanten Drehgeschwindigkeit rotieren, deren Wert vom
aktuellen, z. B. durch Last und/oder Drehzahl bestimmten Betriebszustand
der Brennkraftmaschine 1 abhängt. Ebenso ist es
möglich, das Frischgasventil 12 gezielt so anzusteuern, dass
sich die Drehgeschwindigkeit der Klappe 14 auch bei ei nem
stationären Betriebszustand beim Durchfahren der einzelnen
Winkelbereiche 19, 20, 21 ändert,
also insbesondere während einzelner Umdrehungen. Beispielsweise
kann die Klappe 14 bei jeder Umdrehung im Öffnungswinkelbereich 21 und
im Schließwinkelbereich 19 schneller drehen als
im Sperrwinkelbereich 20. Somit kann die Klappe 14 innerhalb
einzelner Umdrehungen beschleunigen und abbremsen, um die jeweils
gewünschten Schaltzeitpunkte einzustellen.
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Entsprechend
den 1 bis 5 ist bei bevorzugten Ausführungsformen
der Frischgasventile 12 jeweils zwischen einer der Klappe 14 zugewandten
Innenseite 23 eines Wandabschnitts 24, mit dem die
Klappe 14 zur Ausbildung des Sperrwinkelbereichs 20 zusammenwirkt,
und einer Klappenkante 25, die bezüglich der Drehachse 16 radial
außen liegt, innerhalb des Sperrwinkelbereichs 20 ein
Drosseldichtspalt 26 ausgebildet. Ein derartiger Drosseldichtspalt 26 erzeugt
die gewünschte Dichtungswirkung durch einen Drosseleffekt,
also ohne direkte körperliche Kontaktierung zwischen der
Klappenkante 25 und der Innenseite 23. Im Drosseldichtspalt 26 liegt
ein hier nicht erkennbarer radialer Abstand zwischen der Klappenkante 25 und
der Innenseite 23 vor, der das Spaltmaß beziehungsweise
die Spaltweite bildet.
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Der
jeweilige Sperrwinkelbereich 20 ist in einer zur Klappe 14 benachbarten
Wandung 27 durch eine Vertiefung 28 gebildet,
die zylindersegmentförmig ausgestaltet ist, also im gezeigten
Querschnitt ein Kreisbogenprofil aufweist. Hierdurch wird die Sperrung
der Frischgasleitung 8 im gesamten Sperrwinkelbereich 20 erreicht.
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Gemäß 4 kann
zwischen dem Teil des Leitungsabschnitt 30, in dem die
Vertiefung 28 ausgebildet ist, und dem daran anschließenden
Teil, in dem insbesondere ein konstanter Strömungsquerschnitt
vorliegt, ein abgerundeter Übergang 43 ausgebildet
sein. Dieser Übergang 43 kann einerseits zur Reduzierung
einer Geräuschentwicklung und andererseits zur Reduzierung
des Strömungswiderstands vorteilhaft sein.
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Bei
den in den 2 bis 5 gezeigten Ausführungsformen
kann das Frischgasventil 12 jeweils ein Gehäuse 29 aufweisen,
in dem ein Leitungsabschnitt 30 ausgebildet ist. Im Einbauzustand ergänzt
dieser Leitungsabschnitt 30 die Frischgasleitung 8 und
bildet einen integralen Bestandteil dieser Frischgasleitung 8.
Im Leitungsabschnitt 30 ist die Klappe 14 angeordnet.
Ferner umfasst das jeweilige Frischgasventil 12 einen Drehantrieb 31 zum
Antreiben der Welle 15. Beim Drehantrieb 31 kann
es sich vorzugsweise um einen bürstenlosen Gleichstrommotor
handeln, der insbesondere mit einem hier nicht näher dargestellten
Encoder zur Lageregelung ausgestattet sein kann. Ebenso kann der
Drehantrieb 31 durch einen Schrittmotor gebildet sein,
der grundsätzlich ohne Lagesensor oder Encoder auskommt.
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Bei
der in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsform
umfasst das Frischgasventil 12 zwei Lagerschalen 32 und 33,
die jeweils einen Wandabschnitt der Frischgasleitung 8 beziehungsweise
des Leitungsabschnitts 30 bilden. Die Lagerschalen 32, 33 sind
an die Frischgasleitung 8 beziehungsweise an das Gehäuse 29 angebaut
und weisen jeweils ein Lager 34 für die Welle 15 auf.
Ebenso enthalten die Lagerschalen 32, 33 entsprechende Dichtungen 35.
Ein drehsteifes und biegeelastisches Kupplungselement 36 koppelt
die Welle 15 mit einer Antriebswelle 37 des Drehantriebs 31.
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Zur
Vermeidung eines Kontakts zwischen Klappe 14 und Gehäuse 29 beziehungsweise
zur Vermeidung eines zu großen Drosseldichtspalts 26 können
für die Klappe 14 und das Gehäuse 29 Werkstoffe
ausgewählt werden, die einen möglichst kleinen
Wärmedehnungskoeffizienten aufweisen. Im vorliegenden Zusammenhang
wird unter einem „kleinen" Wärmedehnungskoeffizienten
ein Wärmedehnungskoeffizient verstanden, der maximal 5 × 10–6/K bei 20°C beträgt.
Im Idealfall sollen die Klappe 14 und/oder das Gehäuse 29 hinsichtlich
thermisch bedingter Dehnungen praktisch invariant sein. Dabei ist klar,
dass ein Wärmedehnungskoeffizient mit dem Wert Null quasi
nicht möglich ist, so dass Materialien, die hinsichtlich
thermisch bedingter Dehnungen quasi invariant sind, im vorliegenden
Zusammenhang einen Wärmedehnungskoeffizienten von maximal
etwa 2 × 10–6/K bei 20°C
aufweisen. Beispielsweise kann das Gehäuse aus Invar hergestellt
werden, dessen Wärmedehnungskoeffizient etwa 1,7 bis 2,0 × 10–6/K bei 20°C beträgt.
Einen ähnlich kleinen Wärmedehnungskoeffizienten
kann die Klappe 14 beispielsweise dann aufweisen, wenn
sie als Glasfaser-Verbundbauteil hergestellt ist. Durch die kleinen
oder minimalen Wärmedehnungskoeffizienten bei Klappe 14 und Gehäuse 29 wird
ebenfalls erreicht, dass sich der Drosseldichtspalt 26 durch
sich ändernde Temperaturen im Frischgasventil 12 quasi
nicht oder nur geringfügig verändert.
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Alternativ
oder zusätzlich zu Materialien mit kleinen Wärmedehnungskoeffizienten
können die Lagerschalen 32, 33 bezüglich
des Gehäuses 29 separat herstellbare Bauteile
bilden und können auf geeignete Weise am Gehäuse 29 befestigt
sein. Die Lagerschalen 32, 33 und die Lager 34 können
hinsichtlich ihrer Materialauswahl so aufeinander abgestimmt sein,
dass sie ähnliche Wärmedehnungskoeffizienten aufweisen.
Im vorliegenden Zusammenhang sind Wärmedehnungskoeffizienten „ähnlich", wenn
sie weniger als 20% voneinander abweichen oder gleich sind. Durch
diese Bauweise wird erreicht, dass die Lager 34 im Betrieb
des Frischgasventils 12, bei dem es zu einer Erwärmung
des Ventils 12 kommen kann, aufgrund thermisch bedingter
Wärmedehnungen innerhalb ihrer jeweiligen, hier nicht näher bezeichneten
Lageaufnahme nicht unzulässig stark verspannt werden und/oder
nicht unzulässig großes Spiel bekommen. Ferner
kann vorgesehen sein, die Klappe 14 und das Gehäuse 29 hinsichtlich
der Werkstoffauswahl so aufeinander abzustimmen, dass Wärmedehnungseffekte,
die bei den im ordnungsgemäßen Betrieb des Frischgasventils 12 auftretenden
Temperaturen in Erscheinung treten, zu keiner Kontaktierung zwischen
Klappe 14 und Gehäuse 29 führen
beziehungsweise nicht zu einer unerwünscht starken Vergrößerung
des Drosseldichtspalts 26 führen. Beispielsweise
kann dies dadurch erreicht werden, dass die für die Klappe 14 und das
Gehäuse 29 verwendeten Materialien ähnliche Wärmedehnungskoeffizienten
aufweisen. Zum Begriff „ähnlich" wird auf das
oben Gesagte verwiesen. Hierdurch können unerwünschte
Leckagen beziehungsweise Schleifkontakte zwischen der Innenseite 23 und
der Klappenkante 26 vermieden werden. Dabei können
Klappe 14 und Gehäuse 29 durchaus aus unterschiedlichen
Ma terialien hergestellt sein. Beispielsweise ist die Klappe 14 bevorzugt
ein Kunststoffteil, beispielsweise ein laminiertes Glasfaser- oder
Kohlefaser-Verbundbauteil. Im Unterschied dazu kann es sich beim
Gehäuse 29 um ein Gussteil aus einer Metalllegierung
handeln.
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Zum
Einstellen oder Justieren des Drosseldichtspalts 26, zum
Beispiel hinsichtlich Spaltlänge und Spaltweite, kann vorgesehen
sein, dass zumindest eine der Lagerschalen 32, 33 relativ
zum Gehäuse 29 justierbar ausgestaltet ist. Ebenso
ist es grundsätzlich möglich, zumindest eines
der Lager 34 relativ zur jeweiligen Lagerschale 32, 33 justierbar auszugestalten.
Alternativ zu den genannten Justagemöglichkeiten zum Einstellen
eines optimalen Drosseldichtspalts 26 gibt es bereits im
Rahmen der Herstellung des Frischgasventils 12 weitere
Möglichkeiten, den Drosseldichtspalt 26 mit gewünschten Abmessungen
herzustellen. Beispielsweise kann zunächst die Klappe 14 vorgefertigt
werden, wobei sie insbesondere im Bereich der Klappenkanten 25 noch nicht
ihre endgültige Form aufweist. Die insoweit unfertige Klappe 14 kann
im Gehäuse 29 positioniert werden, zum Beispiel
durch die ordnungsgemäße Montage der Welle 15 mit
daran befestigter Klappe 14. Die Positionierung der Klappe 14 im
Gehäuse 29 erfolgt in einer vorbestimmten Relativlage
oder Solllage. Hierbei sind Klappe 14 und Gehäuse 29 so
aufeinander abgestimmt, dass in diesem Ausgangszustand in radialer
Richtung zwischen der jeweiligen Klappenkante 25 und der
Innenseite 23 ein Abstand vorliegt, der gegenüber
dem noch herzustellenden Drosseldichtspalt 26 beziehungsweise
gegenüber dessen Spaltweite verkleinert ist. Insbesondere
kann die Klappenkante 25 zumindest bereichswei se die Innenseite 23 berühren
und/oder sogar überlappen. Unter Beibehaltung dieser Solllage
zwischen Klappe 14 und Gehäuse 29 wird
durch Bearbeitung der Klappenkante 25 und/oder der Innenseite 23 der
Drosseldichtspalt 26 hergestellt. Beispielsweise wird der Drosseldichtspalt 26 durch
Beschneiden der Klappenkante 25 und/oder der Innenseite 23 freigeschnitten.
Denkbar ist beispielsweise ein Laserschneidverfahren oder ein Wasserstrahlschneidverfahren.
Bei einer anderen Ausführungsform kann die Klappe 14 beispielsweise
durch Spritzgießen, insbesondere aus Kunststoff, hergestellt
werden. Dabei kann die Innenseite 23 in einem Gießwerkzeug
zum Spritzgießen der Klappe 14 einen Wandabschnitt
bilden, der zur Begrenzung der Klappenkante 25 dient. Vorzugsweise
lassen sich Gießparameter, wie Temperatur und Druck, und
der Klappenwerkstoff so wählen, dass der Drosseldichtspalt 26 beim
Erstarren des gespritzten Klappenwerkstoffs von selbst entsteht,
und zwar durch Schwindung des erkaltenden Klappenwerkstoffs. Alternativ
kann auch die Innenseite 23 durch Spritzgießen
hergestellt werden, wobei dann die Klappe 14 beziehungsweise
deren Klappenkante 25 in einem Gießwerkzeug zum
Spritzgießen der Innenseite 23 einen Wandabschnitt
bildet, der zur Begrenzung der Innenseite 23 dient. Auch
hierbei lassen sich dann die Gießparameter und der verwendete
Werkstoff so wählen, dass der Drosseldichtspalt 26 beim
Erstarren von selbst entsteht. Bei einer weiteren Variante kann
die vorgefertigte, jedoch noch nicht endfertige Klappe 14 in
einer vorbestimmten Relativlage oder Solllage im Gehäuse 29 positioniert werden,
zum Beispiel durch Montage der damit fest verbundenen Welle 15.
Die unfertige Klappe 14 und das Gehäuse 29 sind
dabei vorzugsweise so aufeinander abge stimmt, dass in diesem Ausgangszustand zwischen
der Innenseite 23 und der jeweiligen Klappenkante 25 ein
Abstand vorliegt, der gegenüber dem noch herzustellenden
Drosseldichtspalt 26 beziehungsweise dessen Spaltweite
vergrößert ist. Die so positionierte Klappe 14 kann
nun durch gezieltes Erwärmen und plastisches Verformen
endgeformt werden, bis sich die Klappenkante 25 in Richtung
der Innenseite 23 bewegt. Mit diesem Umformvorgang wird
gleichzeitig der Drosseldichtspalt 26 ausgebildet. Ein
derartiger Umformvorgang kann beispielsweise durch sogenanntes Heißpressen
realisiert werden. Ebenso ist es möglich, die Erwärmung
des zu verformenden Abschnitts mittels Ultraschall durchzuführen.
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5 zeigt
eine andere Ausführungsform, bei der die jeweilige Innenseite 23,
die mit der jeweiligen Klappenkante 25 im Sperrwinkelbereich 20 zur Ausbildung
des Drosseldichtspalts 26 zusammenwirkt, jeweils an einem
Wandbauteil 38 ausgebildet ist. Dieses bildet bezüglich
der Wand 27, welche die Klappe 14 im Sperrwinkelbereich 20 umschließt,
beziehungsweise bezüglich des Gehäuses 29 ein
separates Bauteil. Das jeweilige Wandbauteil 38 ist dabei in
die Wand 27 beziehungsweise in das Gehäuse 29 eingesetzt,
wozu die jeweilige Wand 27 beziehungsweise das Gehäuse 29 eine
entsprechende Aufnahme 39 aufweist. Die Wandung, in der
die Vertiefung 28 zur Realisierung des Sperrwinkelbereichs 20 ausgebildet
ist, ist bei der in 5 gezeigten Ausführungsform
somit durch das Wandbauteil 38 gebildet, während
sie bei der in 3 gezeigten Ausführungsform
ebenfalls durch die Wand 27 gebildet ist. Das jeweilige
Wandbauteil 38 kann beispielsweise quer zur Drehachse 16 relativ
zur Wand 27 bzw. zum Gehäuse 29 verstellbar
sein. Insbesondere bildet das jeweilige Wandbauteil 38 im
Sperrwinkelbereich 20 mit seiner der Klappe 14 zugewandten
Innenseite 23 den auf die Position der Klappenkante 25,
z. B. hinsichtlich Spalthöhe und Spaltlage, einstellbaren
Drosseldichtspalt 26. Die beiden hier gezeigten Wandbauteile 38 können
im Bereich der Lagerschalen 32, 33 beispielsweise über
einen Steg 40 fest miteinander verbunden sein, um so ein
relativ zur Klappe 14 einheitlich verstellbares Einlegeteil 41 auszubilden.
Der jeweilige Steg 40 kann vorzugsweise bündig
in eine entsprechende Aussparung 42 eingesetzt sein, die
in die jeweiligen Lagerschale 32, 33 eingearbeitet
ist. Durch die Verstellbarkeit der Wandbauteile 38 bzw. des
Einlegeteils 41 relativ zur Klappe 14 und relativ zur
jeweiligen Wand 27 bzw. relativ zum Gehäuse 29 lässt
sich der Drosseldichtspalt 26 im Bereich der beiden Sperrwinkelabschnitte 20 justieren.
Dies kann durch einen einmaligen Vorgang während der Herstellung
des jeweiligen Frischgasventils 12 durchgeführt
werden. Ebenso kann für die Wandbauteile 38 bzw.
für das Einlegeteil 41 eine permanente schwimmende
Lagerung in den Wänden 27 bzw. im Gehäuse 29 realisiert
werden, die ständig eine Nachjustierung oder Neujustierung
des Drosseldichtspalts 26 ermöglicht. Um eine
Selbstzentrierung der Wandbauteilabschnitte 38 bzw. des
Einlegeteils 41 relativ zur Klappe 14 zu realisieren,
kann auf die Klappe 14 bzw. auf deren Klappenkanten 25 und/oder
auf die Innenseiten 23 eine Beschichtung aufgetragen werden, welche
die Spalthöhe des Drosseldichtspalts 26 zumindest
im Montagezustand verkleinert oder sogar schließt. Diese
Beschichtung kann sich im späteren Betrieb des Frischgasventils 12 zumindest
teilweise abtragen durch die Kontaktierung mit der Innenseite 23 bzw.
mit der Klappenkante 25. Es ist klar, dass zwischen dem
jeweiligen Wandbauteil 38 und der jeweiligen Wand 27 zumindest
eine Dichtung vorgesehen sein kann, um Leckageströmungen
zu vermeiden, welche die in ihrem Schließwinkelbereich 20 liegende
Klappe 14 umgehen.
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Zur
Realisierung der gewünschten Kälteladung in den
Zylindern 3 bei einem insbesondere durch die Drehzahl und/oder
die Last definierten Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 steuert
die Steuerung 13 die Frischgasventile 12 so an,
dass die Klappen 14 in der vorgegebenen Drehrichtung 18 mit einer
vorbestimmten Drehgeschwindigkeit rotieren und somit permanent nacheinander Öffnungswinkelbereiche 21,
Schließwinkelbereiche 19 und Sperrwinkelbereiche 20 durchfahren.
Dabei ist ein derartiger Kälteladungsvorgang dadurch charakterisiert, dass
während eines Ansaughubs des Kolbens 5, der in
einem oberen Totpunkt des Kolbens 5 beginnt, zunächst
das jeweilige Einlassventil 6 und das jeweilige Frischgasventil 12 geöffnet
sind. Damit das jeweilige Frischgasventil 12 geöffnet
ist, befindet sich seine Klappe 14 in einem der Öffnungswinkelbereiche 21 oder
in einem der Schließwinkelbereiche 19. Das jeweilige
Einlassventil 6 schließt im Bereich eines unteren
Totpunkts des Kolbens 5. Bei einem erwünschten
Kälteladungsvorgang beendet nicht das jeweilige Einlassventil 6,
sondern das jeweilige Frischgasventil 12 die Frischgasbeladung
des jeweiligen Brennraums 4. Das bedeutet, dass das jeweilige
Frischgasventil 12 die jeweilige Frischgasleitung 8 sperrt,
bevor das jeweilige Einlassventil 6 schließt.
Das bedeutet, dass die jeweilige Klappe 14 einen Schließwinkelbereich 20 erreicht
und dadurch den durchströmbaren Quer schnitt der Frischgasleitung 8 sperrt
oder zumindest minimiert, während das jeweilige Einlassventil 6 noch
geöffnet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10240913
A1 [0002]
- - DE 19830575 [0004]