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Die Erfindung bezieht sich auf eine Dralleinrichtung für ein Ladungswechselventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
FR 2 979 965 A1 ist ein Ventil für eine Verbrennungskraftmaschine bekannt, das am Ventilschaft eine Schraubenkontur oder einen bajonettartigen Vorsprung aufweist, der in Eingriff mit einer den Ventilschaft umgebenden Mutter steht, wodurch eine Drehung des Ventils unabhängig von einer axialen Ventilbewegung realisierbar ist. Ferner ist aus der
DE 103 03 084 A1 eine Ventilanordnung für eine Brennkraftmaschine bekannt, wobei der Ventilschaft einen schraubenförmigen Schaft aufweist, der mit einer schraubenförmigen Bohrungsnut einer Ventilschaft-Dichtung in Einklang steht.
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Bei bekannten Brennkraftmaschinen wird ein Ladungswechsel über Ventile gesteuert. Hierzu werden diese anhand einer Nockenkontur geöffnet und geschlossen. Eine Rückstellung erfolgt über Ventilfedern. Bei Vier-Takt-Motoren werden hierzu Ein- und Auslassventile gesteuert, wobei bei großen Zwei-Takt-Motoren immer häufiger ein Auslassventil gesteuert wird, während der Einlass noch über Spülschlitze im Zylinder geregelt wird. Das Ladungswechselventil wird dabei immer in einer Ventilführung geführt. Die Abdichtung des Brennraums erfolgt zwischen Ladungswechselventil und Ventilsitzring. Zumeist sorgt weiterhin vor allem bei Aluminiumzylinderköpfen ein unterer Federteller aus Stahl dafür, dass die lokale Flächenpressung zwischen Ventilfeder und Ventilkopf nicht überschritten wird und es nicht zu einem Eingraben der Feder in den Zylinderkopf kommt. Eine Ventilschaftdichtung streift überflüssiges Öl ab, um dieses nicht in die Ladungswechselkanäle zu fördern.
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Für die dauerhafte Funktion der Ladungswechselorgane ist es weiterhin unerlässlich, dass jedes Ventil um die eigene Achse dreht. Dies sorgt, insbesondere bei den Auslassventilen für eine gleichmäßigere Temperaturverteilung und damit geringeren Verzug des Ventiltellers und gleichmäßigen Verschleiß, sowie das Verteilen und Lösen von Ablagerungen zwischen Ventilsitzring und Ventil. Die Ventildrehung muss dabei keinen definierten Winkel und nicht einmal eine gleichbleibende Drehrichtung einhalten, um oben genannte Funktion zu erfüllen. Es ist lediglich wichtig, immer gleiche Kontaktpunkte von Ventil und Ventilsitzring zu vermeiden. Bei schnell laufenden Verbrennungsmotoren löst sich das Problem meist von selbst, da abhängig vom Design des gesamten Aggregats, in gewissen Drehzahlbereichen hochfrequente Eigenschwingungen ausgelöst werden, die ausreichen, um eine Drehung des Ventils auszulösen. Entsprechend wird ersichtlich, dass dieses Potenzial umso geringer ausfällt, je geringer die Nenndrehzahl des Motors und je höher die Ventilbetriebsmassen ausfallen. Betroffen sind also vor allem Nutzfahrzeug-Dieselmotoren oder Großmotoren für Schiffs- und Stationäranwendungen.
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Um Abhilfe zu schaffen und für eine erzwungene Ventilrotation zu sorgen, ist aus der
DE 1 92 24 128 A bekannt, eine Verdrehvorrichtung zu verbauen, die im Prinzip darauf beruhen, dass sich Kugeln an einer schräg verlaufenden Kugelbahn an einem Grundkörper abstützen. Auf dieser Bahn rollen die Kugeln bei einer Betätigung des Ventils ab. Diese Bewegung wird in eine Verdrehung des Deckels relativ zum Grundkörper umgesetzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dralleinrichtung für ein Ladungswechselventil einer Brennkraftmaschine zu schaffen, mit der eine Drehbewegung des Ventils während der Ventilbewegung ohne zusätzliche Bauteile kostengünstig zu realisieren ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale beinhalten die Unteransprüche.
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Die mit der Erfindung hauptsächlich erzielten Vorteile bestehen darin, dass über die Dralleinrichtung jedes Ventil um die eigene Achse drehbar ist. Dies wird nach der Erfindung in vorteilhafter Weise erreicht, indem die Dralleinrichtung zwischen der ortsfesten Ventilschaftdichtung und dem Ventilschaft des Ladungswechselventils angeordnet ist und aus mehreren Nocken an der Ventilschaftdichtung besteht, die in einem zwangsgeführten Eingriff mit gegenüberstehenden nutförmigen Vertiefungen im Ventilschaft stehen, die eine bogenförmige Führungskontur derart aufweisen, dass eine Axialbewegung des Ventils bei einer Drallbewegung um die Ventillängsachse erzeugbar ist.
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Ferner ist nach der Erfindung vorgesehen, dass die Nocken in der Ventilschaftdichtung bei geschlossenem Ladungswechselventil in einem unteren Endanschlag der Nut bzw. Führungskontur angeordnet sind und bei einem Ventilhub die Nocken der bogenförmigen Nut bzw. Führungskontur folgend in einem oberen Endanschlag der Führungs- bzw. Nutkontur angeordnet sind und die Nocken bei einer Schließung des Ventils in einem unteren Endanschlag der Nut bzw. Führungskontur angeordnet sind. Durch diese Dralleinrichtung kann sich jedes Ventil um die eigene Längsachse drehen, wodurch eine gleichmäßige Temperaturverteilung und somit ein geringer Verschleiß erreicht wird.
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Des Weiteren ist nach der Erfindung vorgesehen, dass die nutförmigen Vertiefungen im Ventilschaft eine aus mehreren parallel zueinander angeordneten Führungsbahnen bestehten, die jeweils eine M-förmige Nut bzw. Führungskontur bilden. Insbesondere ist nach der Erfindung vorgesehen, dass die M-förmige Nut -bzw. Führungskontur einen ersten Abschnitt der nutförmigen Vertiefung mit einem großen Radius und einen anschließenden zweiten Abschnitt mit einem engen Radius aufweisen, der in eine geradlinige Führungsbahn einmündet. Der erste Abschnitt der nutförmigen Vertiefung weist eine tiefe Prägetiefe auf und der zweite Abschnitt der nutförmigen Vertiefung weist eine flachere Prägetiefe auf. Durch diese Ausführung der Nut- bzw. Führungskontur wird erreicht, dass das Ventil sich anfänglich im Bereich der Bogenkontur mit großem Radius sich nur axial bewegt, danach können die Nocken langsam zur Anlage an die Bogenkontur kommen und es beginnt sich der Drehimpuls des Ventils auszulösen.
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Insbesondere bildet die M-förmige Nutkontur mit der geradlinigen Führungsbahn eine einzige durchgehende kontinuierliche Nut im Ventilschaft. Die Nocken sind halbkreisförmig an der Ventilschaftdichtung angeordnet und bilden mit dieser ein Bauteil.
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Die ortsfeste Ventilschaftdichtung ist nach der Erfindung mit den Nocken der Dralleinrichtung zwischen einer oberen Ventilschaftdichtung und einer Ventilführung angeordnet und auf dieser aufgesteckt gehalten und bildet somit eine Verlängerung zur oberen Ventilschaftdichtung. Die verlängerte Ventilschaftdichtung weist eine innere Versteifung aus Blech auf, die zur festen Anlage der Nocken in der Führungsstruktur der nutförmigen Vertiefung dient. Die Steckführung zwischen der Ventilschaftdichtung und der Ventilführung ist verlängert, um die entstehenden Kräfte besser aufnehmen zu können, wobei die Versteifung aus Blech im Inneren der Ventilschaftdichtung für eine gute Anlage der Nocken in der Führungskontur dient.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine Ansicht auf ein Ventil ohne Dralleinrichtung nach dem Stand der Technik,
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2 eine Ansicht auf ein Ventil mit Dralleinrichtung nach der Erfindung,
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3 eine Ansicht auf ein Ladungswechselventil mit gezeigtem Bewegungsvorgang von geschlossen über geöffnet bis zum geschlossenen Zustand,
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4 eine Ansicht auf die nutförmigen Vertiefungen mit im Eingriff stehenden Nocken, entsprechend den Bewegungsvorgangen A bis E nach den 3 und 4
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5 eine Ansicht auf die M-förmig ausgeführte nutförmige Vertiefung im Ventilschaft mit unterschiedlicher Prägetiefe.
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Eine Dralleinrichtung 1 für ein Ladungswechselventil 2 einer Brennkraftmaschine ist durch eine Nockenbewegung axial verschiebbar in Ventilschaftdichtungen 3, 4 angeordnet. In einer unteren Ventilschaftführung 5 ist das Ventil 2 zwischen einer offenen und geschlossenen Position A und E und Zwischenpositionen B bis D in Relation zu einem Ventilsitz 6 hin und her bewegbar. Die Dralleinrichtung 1 ist zwischen einer ortsfesten Ventilschaftdichtung 4 und dem Ventilschaft 7 des Ventils 2 angeordnet.
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Die Einrichtung 1 umfasst mehrere innenseitige Nocken 8 an der ortsfesten Ventilschaftdichtung 4. Die Nocken 8 stehen in einem zwangsgeführten Eingriff mit nutförmigen Vertiefungen 9 im Ventilschaft 7. Diese weisen eine bogenförmige Kontur derart auf, sodass bei einer Axialbewegung des Ventils 2 in die Positionen A bis E eine sogenannte Drallbewegung um die Ventil-Längsachse erzeugbar ist. Die Nocken 8 in der Ventilschaftdichtung 4 sind bei geschlossener Position A (3) des Ventils 2 in einem unteren Endanschlag 11 der Nut bzw. Führungskontur 10 angeordnet (4, 5). Bei einem nachfolgenden Ventilhub sind die Nocken 8 der bogenförmigen Nut bzw. Führungskontier 10 folgend in einer Position C in einem oberen Endanschlag 12 der Nut- bzw. Führungskontur 10 angeordnet. Bei einer nachfolgenden Schließstellung des Ventils 2 in die Position E sind die Nocken 8 in einem unteren Endanschlag 14 der Nut- bzw. Führungskontur 10 angeordnet. Die nutförmigen Vertiefungen 9 im Ventilschaft 7 umfassen mehrere parallel zueinander angeordnete Führungsbahnen 15 bis 18, die jeweils eine M-förmige Nut- bzw. Führungskontur 10 bilden.
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Die M-förmige Nut- bzw. Führungskontur 10 weist einen ersten Abschnitt 19 mit einem großen Radius und einen anschließenden zweiten Abschnitt 20 mit einem engeren Radius auf, der in eine geradlinige Führungsbahn 21 einmündet.
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Der erste Abschnitt 19 der nutförmigen Vertiefung 9 weist eine tiefe Prägetiefe P und der zweite Abschnitt 20 eine flachere Prägetiefe P1 auf.
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Die Nocken 8 sind kugelförmig und kreisförmig innenseitig der Ventilschaftdichtung 4 angeordnet und bilden mit dieser ein Bauteil.
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Die Ventilschaftdichtung 4 mit den Nocken 8 ist zwischen einer oberen Ventilschaftdichtung 3 und einer Ventilführung 5 angeordnet und auf diese aufgesteckt gehalten und bildet eine Verlängerung zur oberen Ventilschaftdichtung 3. Die verlängerte Ventilschaftdichtung 4 ist bevorzugt mit einer inneren Versteifung 22 aus Blech ausgeführt.
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Der Bewegungsablauf des Ventils 2 unter Einbindung der und 5 entsprechend der Positionen A bis E ist folgender. Die Begriffe entsprechen der vorgenannten Beschreibung, mit den entsprechenden Pos. nr:
- A: Das Ladungswechselventil ist geschlossen, Beschleunigung und Geschwindigkeit sind auf Null, die Hubkurbel befindet sich im Grundkreis. Die Nocken der Dralleinrichtung befinden sich im unteren Anschlag der Kontur, die auf dem Ladungswechselventil eingeprägt ist. Die Referenzposition wurde zur Verdeutlichung des Bewegungsablaufs mit M gekennzeichnet.
- A nach B: Beginn des Ventilhubs, ausgelöst durch die Nockenwelle. Während die Nocken der Dralleinrichtung ortsfest sind, beginnt sich das Ventil nach unten zu bewegen. Durch die tiefere Prägekontur im Bogenbereich, muss der Nocken der Bogenkontur folgen und kann nicht geradeaus der Nutkontur folgen. Durch die Anlage der Nocken in der Bogenkontur und den festen Sitz der Dralleinrichtung auf der Ventilführung, wird eine Kontaktkraft, tangential zur Bogenaußenkontur erzeugt. Durch den Radialkraftanteil wird ein Moment erzeugt. Das Ventil beginnt sich im Uhrzeigersinn zu drehen. Die Markierung M im Ventilteller wandert Richtung sieben Uhr. Das Ventil erfährt zu Beginn der Nockenerhebung (der Nockenwelle) die maximale Beschleunigung, so dass das Ventil sehr schnell (Position B) seine Maximalgeschwindigkeit erreicht hat. Um die Belastung der Nocken der Dralleinrichtung, sowie die innere Reibung in diesem System möglichst gering zu halten, wurde die Führungskontur entsprechend gestaltet. Im Bereich von Position A nach B weist die Bogenkontur einen sehr großen Radius auf. Das Ventil bewegt sich also fast nur axial. Der Nocken kommt langsam zur Anlage an die Bogenkontur und beginnt den Drehimpuls auszulösen.
- B: Der Punkt der maximalen (axialen) Geschwindigkeit ist erreicht. Die Bogenkontur ist der Übergangsbereich von einem sehr großen Bogenradius auf einen deutlich engeren Bogenradius ansteigend.
- B nach C: Die axiale Geschwindigkeit des Ladungswechselventils sinkt stetig bis zum maximalen Ventilhub (Pos. C). Die Nocken der Dralleinrichtung bewegen sich nun auf den deutlich engeren Radius der Bogenkontur, innerhalb der Führungskontur. Entsprechend wird hier ein deutlich höheres Moment erzeugt. Das Ventil vollzieht den Großteil seiner Drehbewegung. Weiterhin wandern hierbei die Nocken auf einer Rampe in radialer Richtung des Ventilschafts nach außen (durch den Übergang der Tiefenprägung zur flacheren Prägung).
- C: Das Ventil ist nun maximal geöffnet und die Drehbewegung abgeschlossen. Die Markierung M auf dem Ventilteller in steht in der Draufsicht auf etwa 8 Uhr.
- C nach D: Das Ventil beginnt sich zu schließen. Die Nocken bewegen sich auf der geraden Nutkontur, das Ventil erfährt eine rein axiale Bewegung.
- D: Die Nocken befinden sich an der Kante der geraden Nutkontur, dort wo die Prägungstiefe drastisch von flach auf tief wechselt.
- C nach E: Das Ventil beendet seinen Schließvorgang in axialer Richtung. Die Nocken befinden sich nun im tiefen Bereich der Prägung und folgen weiterhin der geraden Nutkontur in axialer Richtung.
- E: Das Ventil befindet sich wieder in Ausgangsposition, wobei die Nocken in Relation zur Position A um eine Bogenkontur weiter gewandert sind.
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Die Führungskontur sowie die Nocken können äußerst klein ausfallen und in Kontur und Anzahl auf dem Ventilschaftumfang und die Trägheit angepasst werden. Tendenziell kann die Formgebung der Prägung sehr gering ausfallen, da eine perfekte Funktionsdurchführung von einem Ventilhub zum nächsten nicht zwingend gewährleistet werden muss. So ist ein sogenanntes Herausspringen aus der Nut kein Problem, da ein erfolgreicher Verdrehvorgang etwa alle zehn Öffnungsvorgänge völlig ausreichend wäre um die Verschleißproblematik zu lösen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- FR 2979965 A1 [0002]
- DE 10303084 A1 [0002]
- DE 19224128 A [0005]
