DE102007019916B4

DE102007019916B4 - Gaswechselventil mit pneumatischer Feder

Info

Publication number: DE102007019916B4
Application number: DE102007019916.5A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Heimermann Christian; Dr.-Ing. Hinrichsen Uwe; Dr. Schwenger Andreas; Peter Merk; Dr. Grote Andreas; Christian Klüting; Dr. Henn Michael
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2016-09-15
Anticipated expiration: 2027-04-28
Also published as: DE102007019916A1

Abstract

Gaswechselventil (1) einer nockenwellenlosen Ventilaktuatorik (2) für Verbrennungsmotoren mit einer pneumatischen Feder (3), deren Druckraum (4) innerhalb eines unteren Drehzahlbereichs mit der Atmosphäre und oberhalb dieses Drehzahlbereichs mit einer pneumatischen Druckquelle (5) verbunden ist und das Volumen des Druckraums (4) variabel einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Druckraums (4) durch einen mit dem Druckraum (4) verbundenen Schadraum (8) veränderbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gaswechselventil einer nockenwellenlosen Ventilaktuatorik für Verbrennungsmotoren mit einer pneumatischen Feder, deren Druckraum innerhalb eines unteren Drehzahlbereichs mit der Atmosphäre und oberhalb dieses Drehzahlbereichs mit einer pneumatischen Druckquelle verbunden ist und das Volumen des Druckraums variabel einstellbar ist.
Ein Gaswechselventil der genannten Art ist aus der Druckschrift DE 38 08 542 A1 bekannt. Dieses Gaswechselventil ist mit einer zusätzlichen pneumatischen Schließfeder zur Unterstützung der mechanischen Schließfeder ausgestattet. Die pneumatische Schließfeder ist in einem unteren Drehzahlbereich mit der Atmosphäre und oberhalb dieses Drehzahlbereichs mit einer pneumatischen Druckquelle verbunden. Somit kann bei dieser Anordnung eine Anpassung der pneumatischen Federkraft nur über die Druckquelle erfolgen. Die Druckquelle, ein starrer Druckspeicher oder ein Druckerzeuger, ist träge und kann nicht mit hoher Dynamik an die Anforderungen an das Gaswechselventil verändert werden. Um diesem Umstand zu begegnen, sind die Druckräume der in der Druckschrift erwähnten, pneumatischen Schließfedern mehrerer, zu unterschiedlichen Zeiten schließender Gaswechselventile pneumatisch verbunden. Diese Anordnung lässt jedoch eine individuelle Einstellung der Federkraft an jedem einzelnen Gaswechselventil nicht zu.
Weiterhin zeigt die DE 198 41 124 A1 eine Gasdruckfeder zur Unterstützung des Öffnens und des Schließens des Gaswechselventils. Hierbei handelt es sich jedoch um eine permanent arbeitende Feder, die als Ersatz zur bekannten mechanischen Feder als pneumatische Feder ausgeführt ist. Die Einstellung der Federkraft erfolgt auch hier, wie in der DE 38 08 542 A1 , mittels der Druckquelle. Eine individuelle, hochdynamische Anpassung der Federkraft kann von der trägen Druckquelle nur mit großem, insbesondere energetischem Aufwand realisiert werden.
In der DE 101 54 339 A1 ist ein Gaswechsel-Hubventil dargestellt, bei welchem der Steuerraum mittels eines Steuerkolbens zweigeteilt ist. Der Steuerkolben ist dabei fest mit dem Ventil verbunden. Es bilden sich durch die Zweiteilung zwei Kammern aus, wobei diese mit einem jeweiligen hydraulischen bzw. pneumatischen System verbunden sind. Die zweite, untere Kammer bildet aufgrund der Verbindung mit dem pneumatischen System eine pneumatische Ventilfeder.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Gaswechselventil der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass der Energiebedarf der Ventilaktuatorik verringert wird und bei dem die Federkraft individuell einstellbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Gaswechselventil gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also ein Gaswechselventil einer nockenwellenlosen Ventilaktuatorik für Verbrennungsmotoren mit einer pneumatischen Feder, deren Druckraum innerhalb eines unteren Drehzahlbereichs mit der Atmosphäre und oberhalb dieses Drehzahlbereichs mit einer pneumatischen Druckquelle verbunden ist, vorgesehen, bei dem das Volumen des Druckraums variabel einstellbar ist, indem das Volumen des Druckraums durch einen mit dem Druckraum verbundenen Schadraum veränderbar ist. Hierdurch ist es möglich, dass die Federkraft abhängig vom eingestellten Volumen des Druckraums individuell eingestellt werden kann und dass der Luftdruck im Druckraum ohne Einwirken der Druckquelle verändert werden kann.
Für die Regelbarkeit des Ventiltriebs ist es günstig, dass die pneumatische Feder aus dem Druckraum und einem Federkolben besteht. Hierdurch ist es möglich, dass durch diese im Vergleich zur mechanischen Feder nahezu massenlose pneumatische Feder weniger Störkräfte durch Resonanzvorgänge eingebracht werden.
Für die schnelle Anpassung der Federkraft ist es vorteilhaft, dass die Federkraft der pneumatischen Feder von dem Volumen des Druckraums abhängig ist. Hierdurch ist es möglich, dass die Federkraft nicht nur mittels der Druckquelle, sondern auch durch eine Veränderung des Druckraums einstellbar ist.
Für die Anpassung der Federkraft ist es vorteilhaft, dass die Größe des Schadraums mittels der Positionierung eines Schadkolbens variabel einstellbar ist. Hierdurch ist es möglich, dass der Luftdruck und somit die Federkraft ständig verändert werden kann. Die Änderung der Federkraft ist so auch während der Ventilbewegung für jeden Ventiltakt individuell einstellbar.
So kann insbesondere auf die Erwärmung der Luft im Druckraum reagiert werden. Auch kann mittels der Verkleinerung des Schadraums eine stark progressive Federkennlinie eingestellt werden, was die gewünschte Funktion im Zusammenhang mit nockenwellenlosen Ventilaktuatoren begünstigt. Bei herkömmlichen Gaswechselventilen ist diese Eigenschaft nur eingeschränkt möglich.
Günstig ist es, dass der Schadkolben zur Positionierung in einem Schadzylinder beweglich ist. Hierdurch ist es möglich, dass durch einfaches Verschieben des Schadkolbens eine schnelle Anpassung des Schadvolumens erfolgen kann. Die mechanische Ausgestaltung ermöglicht eine einfache Fertigung und zeigt im Betrieb einen geringen Energieverbrauch.
Für den Betrieb im unteren Drehzahlbereich ist es von Vorteil, dass die pneumatische Feder durch ein Verbinden des Druckraums mit der Atmosphäre deaktivierbar ist. Hierdurch ist es möglich, dass in bestimmten Betriebssituationen die Feder abgeschaltet ist, also keine Federkraft in die Bewegung des Gaswechselventils eingreift. Hierdurch ist das Halten des Gaswechselventils in einer bestimmten Position ohne großen Energieeinsatz möglich.
Vorteilhaft ist es, dass die pneumatische Feder in einem ballistischen Betriebszustand aktiviert ist. Hierdurch ist es möglich, dass direkt im Anschluss an das Schließen des Gaswechselventils selbiges wieder geöffnet wird, wobei ein Teil der kinetischen Energie des Gaswechselventils beim Abbremsen des Gaswechselventils von der Feder aufgenommen wird um dann sofort für den Schließvorgang verlustfrei zur Verfügung zu stehen. Hierdurch lässt sich der Leistungsbedarf im Betriebsbereich nahe der Nennleistung deutlich verringern. Da dieser Betriebsbereich die Dimensionierung der Aktuatorik und des Bordnetzes maßgeblich bestimmt, können durch die erfindungsgemäße pneumatische Feder Aspekte des Bauraums, Gewichts und der Kosten vorteilhaft ausgelegt werden.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 einen Schnitt durch ein Gaswechselventil mit einer Ventilaktuatorik und einer pneumatischen Feder;
2 ein Diagramm unterschiedlicher Federkennlinien einer pneumatischen Feder.
1 zeigt einen Schnitt durch ein Gaswechselventil 1 mit einer Ventilaktuatorik 2 und einer pneumatischen Feder 3. Die Eigenschaften der pneumatischen Feder 3 werden maßgeblich von einem Druckraum 4 und einer Druckquelle 5 beeinflusst. Dabei erzeigt die Druckquelle 5 in dem Druckraum 4 einen statischen Druck. Wird das Gaswechselventil 1 durch die Ventilaktuatorik 2 geöffnet, bewegt sich auch ein Federkolben 6 der pneumatischen Feder 3 und verringert das Volumen des Druckraums 4. Dadurch erhöht sich der Druck im Druckraum 4 und die weitere Bewegung des Gaswechselventils 1 wird erschwert. Diese in 2 dargestellte Federkraft 7, die der Bewegung des Gaswechselventils 1 entgegenwirkt, ist abhängig von dem Volumen des Druckraums 4. Erfindungsgemäß lässt sich das Volumen des Druckraums 4 zusätzlich über die Größe eines Schadraums 8 verändern. Die Größe des Schadraums 8 wird von der Position eines Schadkolbens 9, der sich in einem Schadzylinder 10 bewegt, bestimmt. Dabei ist die Federkraft 7 bei einem großen Schadraum 8 geringer als bei einem kleinen Schadraum 8. Die mögliche Bewegung des Schadkolbens ist mit einem Pfeil 11 angezeigt. Weiterhin ist es möglich, die pneumatische Feder 3 abzuschalten. Dazu wird ein Ventil 12 geöffnet und so ein Druckausgleich zwischen des Atmosphäre und dem Druckraum 4 herbeigeführt. Die pneumatische Feder 3 weist dann keine Federkraft 7 mehr auf.
2 zeigt ein Diagramm unterschiedlicher Federkennlinien einer pneumatischen Feder. Dabei sind auf der einen Achse die Federkraft 7 und auf der anderen Achse ein Hubweg 13 des in 1 dargestellten Gaswechselventils 2 und somit des Federkolbens 6 abgetragen. Ist der aus 1 bekannte Schadkolben 9 so positioniert, dass der Schadraum 8 eine maximale Größe annimmt, dann stellt sich eine Federkennlinie 14 ein. Führt die Positionierung des Schadkolbens 9 zu einem Schadraum 8 minimaler Größe, so ist eine Federkennlinie 15 zu erwarten. Bei einem Schadraum 8 mittlerer Größe wird sich eine Federkennlinie 16 einstellen.

Claims

Gaswechselventil (1) einer nockenwellenlosen Ventilaktuatorik (2) für Verbrennungsmotoren mit einer pneumatischen Feder (3), deren Druckraum (4) innerhalb eines unteren Drehzahlbereichs mit der Atmosphäre und oberhalb dieses Drehzahlbereichs mit einer pneumatischen Druckquelle (5) verbunden ist und das Volumen des Druckraums (4) variabel einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Druckraums (4) durch einen mit dem Druckraum (4) verbundenen Schadraum (8) veränderbar ist.
Gaswechselventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die pneumatischen Feder (3) den Druckraum (4) und einen Federkolben (6) aufweist.
Gaswechselventil (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkraft der pneumatischen Feder (3) von dem Volumen des Druckraums (4) abhängig ist.
Gaswechselventil (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Schadraums (8) mittels der Positionierung eines Schadkolbens (9) variabel einstellbar ist.
Gaswechselventil (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schadkolben (9) zur Positionierung in einem Schadzylinder (10) beweglich ist.
Gaswechselventil (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die pneumatische Feder (3) durch ein Verbinden des Druckraums (4) mit der Atmosphäre deaktivierbar ist.
Gaswechselventil (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die pneumatische Feder (3) in einem ballistischen Betriebszustand aktiviert.