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Die Erfindung betrifft eine pneumatische Feder, insbesondere eine pneumatische Ventilfeder für einen Verbrennungsmotor.
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Pneumatische Federn sind im Stand der Technik, insbesondere auch für den Einsatz als Ventilfeder für Verbrennungsmotoren bekannt. Hierfür sei beispielhaft auf die Patentdokumente
US 5 586 529 A ,
US 2015 247 430 A1 ,
US 5 058 541 A und
US 2010 181 515 A1 verwiesen. Neben pneumatischen Ventilfedern kommen in diesem Einsatzbereich ebenfalls mechanische Federn zum Einsatz, wobei ebenfalls Kombinationen aus pneumatischen und mechanischen Federn bekannt sind, wie beispielsweise in den Patentdokumenten
DE 38 08 542 A1 ,
DE 29 49 413 A1 oder
US 6 745 738 B1 offenbart.
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Pneumatische Ventilfedern für Verbrennungsmotoren, wie Sie im Stand der Technik beispielsweise durch die oben genannten Patentdokumente bekannt sind, werden in 1 näher erläutert. 1 zeigt eine schematische Darstellung zweier pneumatischer Federn 10 in einem Verbrennungsmotor 1. Die pneumatischen Federn 10 werden jeweils durch eine Nockenwelle 20 betätigt, wodurch ein Schaft 13 einen in 1 nicht dargestellten Ventilteller von seinem Ventilsitz abhebt und somit den Einlass bzw. Auslass in den Verbrennungsraum freigibt. Die pneumatischen Federn 10 weisen jeweils einen Zylinder 11 und einen Kolben 12 auf, welcher sich in dem Zylinder 11 auf und ab bewegen kann. Eine bestimmte Menge von Gas, wie beispielsweise Luft, ist in einem vom Zylinder 11 und Kolben 12 begrenzten Volumen durch entsprechende Dichtungen 112 am Ausgang des Schafts 13 aus dem Zylinder 11 und am Kolben 12 eingeschlossen, sodass dieses Volumen bei Betätigung der pneumatischen Feder 10 komprimiert wird und sich der Druck im Zylinder 11 erhöht. Sobald der Schaft 13 durch die Nockenwelle 20 nicht weiter nach unten gedrückt wird, sorgt der erhöhte Druck dafür, dass sich das durch den Zylinder 11 und den Kolben 12 begrenzte Volumen wieder ausdehnt und der Kolben 12 samt Schaft 13 in seine Ausgangsstellung zurückkehrt.
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Bei der Kompression des im Zylinder 10 eingeschlossenen Volumens wird dabei mehr Kraft benötigt, als durch die Dekompression wieder frei wird. Dies ist auf Wärmeverluste zurückzuführen, welche die in der pneumatischen Feder enthaltene Energie verringert. Durch die Kompression wird neben dem Druck auch die Temperatur des Gases erhöht, wodurch die Wärmeverluste über die Zylinderwand entstehen können. Der Betrieb dieser pneumatischen Federn geht somit stets mit einem Energieverlust einher.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit eine pneumatische Feder bereitzustellen, welche den Energieverlust begrenzt und bei der Dekompression eine größere Menge an Energie zurückzugewinnen. Es ist zudem Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Verbrennungsmotor mit einer erfindungsgemäßen pneumatischen Feder bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Die erfindungsgemäße pneumatische Feder weist einen Zylinder mit einem Zylinderboden und einen Kolben mit einer Kolbenunterseite auf. Der Kolben ist dazu eingerichtet, eine definierte Menge an Gas in einem Volumen zwischen der Kolbenunterseite und dem Zylinderboden einzuschließen und sich im Zylinder hin und her zu bewegen, sodass sich das Volumen verkleinert und vergrößert. Weiterhin weist das eingeschlossene Volumen in einem komprimierten Zustand erfindungsgemäß eine hinsichtlich eines geringen Oberflächen/Volumen-Verhältnisses optimierte Form auf.
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Ein komprimierter Zustand des Volumens liegt dann vor, wenn der Abstand zwischen Kolbenunterseite und Zylinderboden nicht maximal ist. Der vollständig komprimierte Zustand ist dabei folglich dann erreicht, wenn der Abstand zwischen Kolbenunterseite und Zylinderboden minimal ist und die Menge an Gas auf das kleinstmögliche Volumen komprimiert wird. Die beiden Maximalstellungen der Bewegung des Kolbens werden im Fall einer Ventilfeder für einen Verbrennungsmotor dabei beispielsweise durch die Geometrie der Nocken der Nockenwelle vorgegeben. Bei einer Ventilsteuerung ohne Nocken, bspw. mittels Magnetventilen, können auch entsprechende Anschläge die Maximalstellungen des Kolbens definieren.
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Das Oberfläche/Volumen-Verhältnis (A/V-Verhältnis) setzt die Oberfläche eines Körpers und das vom Körper eingeschlossene Volumen in ein Verhältnis. Es weist folglich die Einheit 11m auf. Als hinsichtlich eines geringen A/V-Verhältnisses optimierte Form gilt also eine Form, welche im Zuge ihrer Konstruktion so ausgelegt wurde, dass sie ein besseres A/V-Verhältnis aufweist. Dabei ist es nicht erforderlich, dass das A/V-Verhältnis absolut gesehen optimal ist, sondern lediglich, dass das Verhältnis bei der Auslegung der Volumenform berücksichtigt wurde.
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Durch ein geringes A/V-Verhältnis können die Wärmeverluste innerhalb des Zylinders einer pneumatischen Feder reduziert werden. Da die Erwärmung durch die Kompression des Gases in dem eingeschlossenen Volumen zunimmt, kann der Wärmeverlust besonders effizient verhindert werden, wenn das Volumen in einem komprimierten Zustand, bevorzugt in einem maximal komprimierten Zustand hinsichtlich des A/V-Verhältnisses optimiert ist. Der maximal komprimierte Zustand ist folglich dann erreicht, wenn keine weitere Komprimierung des Volumens in der pneumatischen Feder mehr möglich ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Kolbenunterseite oder der Zylinderboden, welche das eingeschlossene Volumen begrenzen, eine teilellipsoide Aussparung auf. Ein Körper mit einer ellipsoiden Form, also ein Ellipsoid, ist die 3-dimensionale Entsprechung einer Ellipse und weist in wenigstens zwei aufeinander senkrecht stehenden Ebenen eine Ellipse als Querschnitt auf. Ellipsoiden sind symmetrisch zu jeder der drei Koordinatenebenen. Eine teilellipsoide Form ist eine Form, welche durch einen Schnitt durch ein Ellipsoid gebildet wird. Somit ist unter einer teilellipsoiden Aussparung eine Aussparung zu verstehen, in welche ein Körper mit einer entsprechenden teilellipsoiden Form eingesetzt werden kann.
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Ellipsoide Formen weisen ein geringes A/V-Verhältnis auf und sind somit besonders geeignet, um die Wärmeverluste innerhalb des Zylinders einer pneumatischen Feder zu begrenzen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist sowohl die Kolbenunterseite als auch der Zylinderboden eine teilellipsoide Aussparung auf. Somit kann das A/V-Verhältnis des im Zylinder eingeschlossenen Volumens weiter reduziert werden. Dabei kann die Form der Aussparung der Kolbenunterseite identisch oder unterschiedlich zu der Form der Aussparung des Zylinderbodens ausgeführt sein.
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Bei identischen Aussparungen ist insbesondere eine Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft, bei der sich die beiden Aussparungen im maximal komprimierten Zustand des Volumens zu einem vollständigen Ellipsoid ergänzen. Eine derartige Ausführungsform weist weiterhin ein reduziertes A/V-Verhältnis und damit geringere Wärmeverluste auf.
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Bei nicht identischen Aussparungen im Zylinderboden bzw. der Kolbenunterseite, können weitere Faktoren wie beispielsweise Bauraum, Masse der pneumatischen Feder bzw. Masse des Kolbens oder Fertigungsaufwand der pneumatischen Feder mitberücksichtigt werden, wodurch derartige Ausführungsformen ebenfalls bevorzugt sind.
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Vorzugsweise sind die Aussparungen im Zylinderboden bzw. der Kolbenunterseite als Schnitt einer Kugel geformt. Besonders bevorzugt ist eine derartige Ausführungsform dann, wenn die Aussparung die Form einer Halbkugel aufweist, wenn also der Schnitt durch die Kugel durch das Zentrum der Kugel geht. Kugeln haben das geringste A/V-Verhältnis aller geometrischen Körper, weshalb sich eine derartige Form besonders zur Verringerung der Wärmeverluste eignet.
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Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der sich das Volumen im maximal komprimierten Zustand zu einer Kugel formt, insbesondere dann, wenn diese durch eine jeweils halbkugelförmige Aussparung auf der Kolbenunterseite und dem Zylinderboden gebildet ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der pneumatischen Feder um eine pneumatische Ventilfeder eines Verbrennungsmotors.
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Ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor, insbesondere für ein Fahrzeug, weist wenigstens eine erfindungsgemäße pneumatische Feder auf.
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Im Folgenden werden Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Sie zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung zweier pneumatischer Federventile 10 gemäß dem Stand der Technik in einem Verbrennungsmotor 1
- 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen pneumatischen Feder 10
- 3a eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen pneumatischen Feder 10
- 3b eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen pneumatischen Feder 10
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1 zeigt eine pneumatische Feder 10 gemäß dem Stand der Technik und wurde bereits in Bezug auf die Ausführungen zum Stand der Technik näher erläutert. Auf eine weitere Beschreibung wird daher an dieser Stelle verzichtet.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen pneumatischen Feder 10, genauer einer pneumatischen Ventilfeder für einen Verbrennungsmotor. Sie weist einen Zylinder 11 und einen Kolben 12 auf, welcher sich dem Zylinder 11 auf und ab bewegen kann. Der Kolben 12 ist mit einem Schaft 13 verbunden, an dessen Ende sich ein Ventilteller 14 befindet, welcher einen Einlass oder Auslass zum bzw. vom Brennraum verschließt oder öffnet.
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Im Zylinder 11 wird ein Volumen V zwischen einer Kolbenunterseite 121 und einem Zylinderboden 111 eingeschlossen. Dieses wird über entsprechende Dichtungen 112 im Zylinderboden 111 zum Schaft hin und zwischen Zylinderwand und Kolben 12 abgedichtet, sodass die im Volumen V eingeschlossene Menge an Gas nicht aus dem Volumen V herausdringen kann. Am Zylinderboden 111 sowie an der Kolbenunterseite 121 sind zwei ellipsoide Aussparungen vorgesehen, welche zum Volumen V hin orientiert sind und somit die Form des Volumens V definieren.
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Wird die pneumatische Feder 10 betätigt, bewegt sich der Kolben 12 in Zeichnungsebene nach unten in Richtung des Zylinderbodens 111, wodurch das Volumen V zwischen Kolbenunterseite 121 und Ventilboden 111 komprimiert wird und sich der Druck und die Temperatur innerhalb des Volumens V vergrößert. Bei der maximalen Kompression des Volumens V, also wenn sich der Kolben 12 so nah wie möglich am Zylinderboden 111 befindet, ergänzen sich die beiden Aussparungen auf der Kolbenunterseite 112 und dem Zylinderboden 111 zu einer ellipsoiden Form.
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Durch die ellipsoiden Aussparungen am Zylinderboden 112 und an der Kolbenunterseite 121 weist das eingeschlossene Volumen V ein geringes A/V-Verhältnis auf, wodurch Wärmeverluste minimiert werden können. Somit bleibt die im System gespeicherte Energie besser erhalten und der Druck des Gases innerhalb des Volumens V baut sich langsamer ab. Dadurch kann eine größere Kraft bei der Dekompression des Volumens V erzielt werden.
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3a und 3b zeigen weiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen pneumatischen Feder 10. Für die 3a und 3b gilt im Wesentlichen das bereits zu 2 Beschriebene. Daher soll an dieser Stelle lediglich auf die Unterschiede eingegangen werden.
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Im Unterschied zu 2 unterscheiden sich die ellipsoiden Aussparungen im Zylinderboden 111 und der Kolbenunterseite 121 von 3a und 3b. Die Aussparungen der 3a bilden im maximal komprimierten Zustand des Volumens V einen im Vergleich zu 3b großes Volumen V, wobei die in diesem Zustand entstehende Form des Ellipsoids ihre Längste Dimension in axialer Richtung des Zylinders, also entlang der Bewegungsrichtung des Kolbens 12 hat. Die im maximal komprimierten Zustand der pneumatischen Feder 10 entstehende ellipsoide Form des Volumens V in 3b hingegen hat eine in Bewegungsrichtung des Kolbens 12 flache Form. Durch die Formgebung der ellipsoiden Aussparungen kann auch die maximale Kompression des Volumens V und damit der entstehende Druck beeinflusst werden und somit die pneumatische Feder für unterschiedliche Einsatzzwecke und Randbedingungen ausgelegt werden.
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Sowohl die 2, also auch die 3a und 3b zeigen Ausführungsformen der Erfindung, in denen die Aussparungen in der Kolbenunterseite 121 und dem Zylinderboden 111 jeweils identisch sind und sich somit eine symmetrische Form ergibt. Es sind jedoch Ausführungsformen denkbar, bei denen lediglich im Zylinderboden 111 oder in der Kolbenunterseite 121 eine Aussparung vorgesehen ist, welche auch nicht zwangsweise eine halbe ellipsoide Form aufweisen muss. Andere Schnitte durch eine ellipsoide Form als durch dessen Zentrum oder eine andere Form der Aussparung sind ebenfalls durchaus denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5586529 A [0002]
- US 2015247430 A1 [0002]
- US 5058541 A [0002]
- US 2010181515 A1 [0002]
- DE 3808542 A1 [0002]
- DE 2949413 A1 [0002]
- US 6745738 B1 [0002]
