DE10207658A1

DE10207658A1 - Verfahren zum Verkürzen der Öffnungs- und/oder Schließflanke eines Ventils, sowie Ventil

Info

Publication number: DE10207658A1
Application number: DE2002107658
Authority: DE
Inventors: Peter Kreuter
Original assignee: Meta Motoren und Energie Technik GmbH
Current assignee: Meta Motoren und Energie Technik GmbH
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2003-09-11
Anticipated expiration: 2022-02-23
Also published as: US20030213930A1; DE10207658B4; US6892997B2

Abstract

Ein Ventil zur Anordnung in einem Einlasskanal einer Kolbenbrennkraftmaschine strömungsoberhalb eines Ladungswechselventils, welches Ventil ein mit der Innenwand des Einlasskanals (16) zusammenwirkendes Ventilglied (46) enthält, das zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung hin- und herbewegbar ist und in der Schließstellung einen Durchtritt von Fluid durch den Kanal sperrt und in der Öffnungsstellung den Durchtritt freigibt, zeichnet sich dadurch aus, dass die Innenwand des Kanals (16; 70) und das Ventilglied (46) derart ausgebildet sind, dass der bei einer Bewegung des Ventilglieds aus dessen Schließstellung heraus freigegebene Durchtrittsquerschnitt zunächst nicht oder nur langsam und dann rasch zunimmt und/oder bei einer Bewegung des Ventilglieds aus dessen Öffnungsstellung heraus zunächst nicht oder nur langsam und dann rasch abnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verkürzen der Öffnungs- und/oder Schließflanke eines in einem Einlasskanal einer Kolbenbrennkraftmaschine strömungsoberhalb eines Ladungswechselventils angeordneten Ventils. Die Erfindung betrifft weiter ein Ventil zur Anordnung in einem Einlasskanal einer Kolbenbrennkraftmaschine strömungsoberhalb eines Ladungswechselventils.
Es ist bekannt, im Einlasskanal einer Kolbenbrennkraftmaschine strömungsoberhalb eines Einlassventils ein Zusatzventil anzubringen, das während des Ansaughubs des Kolbens bei offenem Einlassventil geschlossen bleibt, so dass sich stömungsunterhalb des Zusatzventils ein hoher Unterdruck aufbaut. Wird das Zusatzventil dann geöffnet, so erhält die einströmende Frischladung aufgrund des Unterdrucks einen hohen Impuls, wodurch die Füllung des Brennraums vergrößert wird und ein größeres Drehmoment erzielt wird. Für zahlreiche Anwendungsfälle ist es vorteilhaft, wenn die Schaltzeiten, das ist diejenige Zeitdauer, innerhalb der der von einem Ventilglied des Zusatzventils gesteuerte Öffnungsquerschnitt eines Fluidkanals vollständig geöffnet oder geschlossen wird, möglichst kurz ist.
Eine Verkürzung der Schaltzeiten von Ventilen ist, soweit deren Ventilglied nicht permanent, z. B. rotatorisch bei einem Drehschieberventil, bewegt wird, mit erheblichem Aufwand verbunden. Selbst wenn das Ventilglied Teil eines mechanischen Schwingers ist, der von Elektromagneten in seinen Endlagen gehalten wird, sind den Schaltzeiten Grenzen gesetzt, denn weder kann das Gewicht des Schwingers aus Festigkeits-, Dichtigkeits- und Kostengründen beliebig gesenkt werden, noch kann die Federsteifigkeit aus Gewichts- und Kostengründen beliebig erhöht werden und noch kann die Haltekraft der Elektromagneten aus Raum- und Energiebedarfsgründen übermäßig vergrößert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaltzeit, d. h. die Dauer der Öffnungs- und/oder Schließflanke, von Ventilen zu verkürzen, insbesondere von Ventilen, die strömungsoberhalb eines Ladungswechselventils im Einlasskanal einer Kolbenbrennkraftmaschine angeordnet sind.
Eine erste Lösung der vorgenannten Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 geschaffen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit den Merkmalen des Anspruchs 2 in vorteilhafter Weise weitergebildet.
Eine weitere Lösung der Erfindungsaufgabe wird mit einem Ventil gemäß dem Anspruch 3 erzielt, das mit den Merkmalen der weiteren Unteransprüche vorteilhaft weitergebildet wird.
Die Erfindung ist überall dort verwendbar, wo Ventile mit möglichst kurzen effektiven Öffnungs- und/oder Schließzeiten eingesetzt werden sollen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
Es stellen dar:
Fig. 1 eine schematischer Ansicht eines Zylinders einer Kolbenbrennkraftmaschine mit einigen Bauteilen des Einlasssystems,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils,
Fig. 3 eine Kurve zur Erläuterung der Funktionsweise des Ventils,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine abgeänderte Ausführungsform eines Ventils,
Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine abgeänderte Ausführungsform des Ventils gem. Fig. 4 und
Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Ventils.
Gem. Fig. 1 weist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mehrere Zylinder 2 auf, in denen je ein Kolben 4 arbeitet, der über ein Pleuel 6 mit einer Kurbelwelle 8 verbunden ist. Die Frischluft- bzw. Frischladungszufuhr zu dem Zylinder 2 erfolgt durch ein Luftfilter 10 hindurch, das über eine Zufuhrleitung 12 mit einem Luftsammler 14 verbunden ist, von dem aus einzelne, jeweils einen Einlasskanal 16 bildende Schwingrohre in den Brennraum 18 des Zylinders 2 führen. In der Mündung jedes Schwingrohrs bzw. Einlasskanals 16 in den Brennraum 18 ist wenigstens ein Einlassventil 20 angeordnet. In Anschluss eines Abgaskanals 22 an den Brennraum arbeitet wenigstens ein Auslassventil 24. Die Ausbildung des Ansaugsystems mit Schwingrohren ist vorteilhaft, jedoch nicht zwingend.
In dem Einlasskanal 16 ist strömungsoberhalb des als Ladungswechselventil dienenden Einlassventils 20 ein zusätzliches Ventil 26 vorgesehen, dessen Betrieb von einem Steuergerät 28 gesteuert wird.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung einschließlich der Gemischaufbereitung usw., ist an sich bekannt und wird daher nicht im einzelnen erläutert.
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch das Ventil 26 der Fig. 1. Pfeile verdeutlichen die Luft- bzw. Frischladungsströmung.
Der Einlasskanal 16 erweitert sich am strömungsaufwärtigen Ende des Ventils 26, indem die Innenwand eines Einlasskanalkörpers 30 einen sich konisch erweiternden Bereich 32 aufweist, der über eine breiteste Stelle in einen sich verjüngenden Bereich 34 übergeht, der schließlich glatt in den nicht dargestellten, zum Einlassventil 20 führenden Teil des Einlasskanals 16 übergeht.
In dem Erweiterungsbereich 32 und dem sich anschließenden Verjüngungsbereich 34 ist ein insgesamt stromlinienförmiger Strömungskörper 36 angeordnet, der mittels nicht dargestellter, ebenfalls strömungsgünstig ausgebildeter Halterungen in dem Einlasskanalkörper 30 gehalten ist.
Der Strömungskörper 36 ist der Innenwand des Einlasskanalkörpers 30 entsprechend ausgebildet, so das zwischen ihm und dem Einlasskanalkörper 30 ein Ringspalt 40 mit ringförmigem Durchströmquerschnitt gebildet ist. Der Strömungsquerschnitt des Ringspaltes 40 kann in Strömungsrichtung, wie bei hydraulischen oder aerodynamischen Einrichtungen bekannt, zunächst abnehmen und dann langsam wieder zunehmen.
An seinem strömungsaufwärtigen Ende weist der Strömungskörper 36 ein Sackloch 42 auf, das koaxial mit der Strömungsachse bzw. der gesamten Anordnung angeordnet ist. In dem Sackloch 42 ist der Schaft 44 eines insgesamt pilzförmigen Ventilgliedes 46 beweglich geführt, wobei der am Schaft 44 befestigte Hut 48 des Ventilgliedes 46 derart geformt ist und die Konturen des Erweiterungsbereiches 32 und des Strömungskörpers 36 an ihn angepasst sind, so dass der Hut 48 in einer oberen Schließstellung dichtend an einem innern, einen Ventilsitz 50 bildenden Bereich des Erweiterungsbereiches 32 anliegt und in einer unteren offen Stellung an der Außenkontur des Strömungskörpers 36 anliegt, die dem Hut 48 entsprechend geformt ist. Der Hut 48 ist zu der vom Einlassventil 20 abgewandten Seite konvex.
Anschließend an den Ventilsitz 50 ist die Innenwand des Erweiterungsbereiches 32 mit einem Ringansatz 52 versehen, der radial einwärts eine Zylinderwand bildet, deren Innendurchmesser dem Außendurchmesser des Hutes 48 entspricht. In ähnlicher Weise ist an dem Strömungskörper 36 ein Ringansatz 54 ausgebildet, der radial einwärts eine Zylinderwand bildet, deren Innendurchmesser dem Außendurchmesser des Hutes 48 entspricht.
Der Strömungskörper 36 ist insgesamt zweiteilig und weist in seinem Inneren einen Hohlraum 56 auf, in dem eine einteilig mit dem Schaft 44 ausgebildete oder starr mit ihm verbundene Ankerplatte 58 beweglich ist, die mit in ringförmigen Ausnehmungen des Strömungskörpers angeordneten ringförmigen Elektromagneten 60 und 62 zusammenarbeitet. An der Ankerplatte 58 stützen sich beidseitig Schraubenfedern 64 und 66 ab, deren jeweils andere Enden sich an Gegenflächen des Strömungskörpers 36 abstürzen. Die Schraubenfedern 64 und 66 spannen das Ventilglied 46 in eine Lage zwischen seiner Schließstellung und Offenstellung vor, die in Fig. 2 dargestellt ist.
Die Funktion des Ventils 26 ist folgende:
Bei Erregung des Elektromagneten 62 wird das Ventilglied 46, gegebenenfalls unterstützt durch die Luftströmung, aus der dargestellten Mittelstellung gegen die Kraft der Feder 66 in seine Offenstellung gezogen, in der die Ankerplatte 58 an dem Magneten 62 anliegt, wobei die Dimensionierung des Ventilgliedes derart ist, dass in dieser Stellung der Hut 48 an dem Strömungskörper anliegt. Wird der Elektromagnet 62 unter Steuerung des Steuergerätes 28 deaktiviert, so bewegt sich das Ventilglied 46 durch die Kraft der Federn 64 und 66 durch seine Mittellage hindurch in Richtung auf die Schließstellung, in der die Ankerplatte 58 an dem anderen Elektromagneten 60 anliegt, wobei in dieser Stellung der Hut 48 an dem Sitz 50 anliegt. Die Eigenfrequenz des schwingfähigen Systems Ventilglied und Federn ist vorteilhafterweise höher als die Frequenz, mit der an das Ventil betätigt werden muss, so dass ein rascher Wechsel zwischen Offen- und Schließstellung möglich ist, wobei von den Magneten jeweils nur die Haltekraft aufgebracht werden muß und kinetische Energie in den Federn gespeichert wird.
Bei Verwendung zur Impulsaufladung für ein hohes Drehmoment bereits bei niedrigen Drehzahlen bleibt das Ventil 26 während des Ansaugtaktes bei offenem Einlassventil 20 geschlossen und wird bei weiterhin offenem Einlassventil geöffnet, wenn sich ein hoher Unterdruck aufgebaut hat. Frischladung strömt mit hoher Energie in den Brennraum, wodurch eine Füllung erzielbar ist, die größer ist als ohne Verwendung des Ventils 26. Insbesondere bei niedrigen Drehzahlen muss das Ventil 26 geschlossen werden bevor das Einlassventil schließt, um ein Rückströmen von Frischladung in den Ansaugtrakt strömungsoberhalb des Ventils 26 zu verhindern. Das Ventil 26 kann eine Drosselklappe ersetzen, indem es in Abstimmung mit dem Einlassventil derart betätigt wird, dass bei einem Ansaugtakt nur eine vorbestimmte kleine Frischladungsmenge in den Brennraum gelangt.
Die Funktion der Ringsansätze 52 und 54 wird anhand der Fig. 3 erläutert:
Fig. 3 zeigt eine Öffnungsbewegung des Ventilgliedes 46, wobei vertikal der Durchströmquerschnitt D und horizontal die Zeit t dargestellt sind. Wenn zum Zeitpunkt t₀ der Magnet 60 deaktiviert wird, beginnt das Ventilglied 46 unter dem Einfluss der Federn 64 und 66 eine beschleunigte Bewegung in Richtung auf seine Öffnungsstellung. Mit Hilfe des Ringansatzes 52 wird erreicht, dass die Öffnung des Durchströmquerschnitts erst beginnt, wenn der Außenumfang des Hutes 48 sich an der zylindrischen Innenwand des Ringansatzes 52 vorbei bewegt hat, d. h. im dargestellten Beispiel zum Zeitpunkt t₁.
Die Bewegung des Ventilgliedes 46 beschleunigt sich dann weiter, bis es seine Mittellage erreicht, und wird dann unter dem Einfluss der zunehmend zusammengedrückten Feder 66 verlangsamt, bis die Ankerplatte 58 in den Bereich des rechten Magneten 62 gelangt, der das Ventilglied in dessen Offenstellung zieht. Zum Zeitpunkt t₂ gelangt der Außenumfang des Hutes 48 in Überlappung mit der zylindrischen Innenwand des Ringansatzes 54, sodass sich der wirksame Öffnungsquerschnitt nicht weiter vergrößert.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, beträgt die Öffnungsdauer des Ventils 26, d. h. die Zeitdauer seiner Öffnungsbewegung bzw. seiner Öffnungsflanke, ohne die Ringansätze t₃-t₀ und der effektive Öffnungsquerschnitt D₃, wohingegen mit den Ringansätzen die effektive Öffnungsdauer t₂-t₁ beträgt und der effektive Öffnungsquerschnitt D₂-D₁ beträgt. Wegen der zunächst langsamen Bewegung des Ventilgliedes überwiegt der durch die Verkürzung der Öffnungsflanke erzielte Zeitvorteil den Nachteil einer geringfügigen Verminderung des freien Durchströmquerschnitts. In Schließrichtung sind die Abläufe umgekehrt.
In Fig. 3 ist die Bewegung des Ventilgliedes unmittelbar vor Erreichen der vollständig geöffneten Stellung beschleunigt eingezeichnet. Diese Beschleunigung erfolgt beispielsweise unter Wirkung der stark zunehmenden Kraft des Magneten 60. Die Öffnungskurve ist auf diese Weise um die mittlere Lage herum unsymmetrisch. Beim Schließen laufen die Vorgänge umgekehrt ab, d. h. die Bewegung des Ventilgliedes erfolgt zunächst beschleunigt, dann abgebremst und dann ggfs. wieder beschleunigt in die Schließstellung. Je nach Dimensionierung der Federn, etwaiger Dämpfungseinrichtungen, die das Auftreffen des Ventilgliedes oder damit starr verbundener Teile auf einen Sitz oder Anschlag dämpfen, der Auslegung der Magnete usw. lassen sich unterschiedliche Verläufe der Kurve gem. Fig. 3 erzeugen, die um eine Mitte symmetrisch, in Öffnungs- und Schließrichtung gleich oder verschieden, am Ende eines Bewegungshubs gebremst usw. verlaufen können.
Die in Bewegungsrichtung des Ventilgliedes gemessene Länge der Ringvorsprünge wird jeweils dem zweckentsprechenden Optimum entsprechend gewählt. Weiter versteht sich, dass, wenn es lediglich auf eine Verkürzung beispielsweise der Öffnungszeitdauer bzw. der Öffnungsflanke ankommt, der Ringansatz 54 fehlen kann oder, umgekehrt, wenn es lediglich auf eine Verkürzung der Schließflanke ankommt, der Ringansatz 52 fehlen kann.
Fig. 4 zeigt ein als konventionelles Tellerventil ausgebildetes Ventilglied 46, wobei der Ventilteller mit einem zylindrischen Ringansatz 68 ausgebildet ist, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser des Strömungskanals 70 entspricht. Wie unmittelbar ersichtlich, wird durch den Ringansatz 68 erreicht, dass das Ventilglied 46 den Durchgangquerschnitt effektiv erst dann freigibt, wenn es sich um einen Hub h₁ bewegt hat. Die Betätigung des Ventils 46 kann über eine Nockenwelle, hydraulisch oder magnetisch erfolgen; das Ventilglied 46 kann Bestandteil eines schwingfähigen Systems ähnlich dem der Fig. 2 sein usw.
Fig. 5 zeigt eine gegenüber Fig. 4 abgeänderte Ausführungsform eines Tellerventils. Der Ringansatz ist bei dieser Ausführungsform nicht unmittelbar am Ventilglied 46 ausgebildet, sondern umgibt als Ringwand 70 den Ventilsitz. Wie aus der Figur unmittelbar ersichtlich, gibt das Ventilglied 46 den Durchgangquerschnitt des Strömungskanals 70 erst frei, wenn es die Ringwand 72 nach Zurücklegen des Hubs h₁ passiert hat.
Fig. 6 zeigt die Anwendung der Erfindung auf ein Ventil, dessen Ventilglied 46 durch eine um eine Achse 74 drehbare Klappe gebildet ist. An der der Achse 74 gegenüberliegenden Seite ist die Innenwand des Strömungskanals 70 mit einer Verdickung 74 ausgebildet, deren Kontur der Bewegungsbahn des Ventilgliedes 46 in Richtung einer Öffnung des Ventils längs eines Winkelbereiches α folgt. Das Ventilglied 46 gibt den Durchströmquerschnitt des Strömungskanals 70 erst dann zunehmend frei, wenn es sich um den Winkel α gedreht hat.
Die Erfindung kann für Ventile unterschiedlichster Konstruktion und mit unterschiedlichsten Antrieben verwendet werden. Die Wirkung der erfindungsgemäß vorgesehenen Mittel, die die Änderung eines Durchgangquerschnitt erst freigeben, wenn ein Ventilglied eine bestimmte Strecke zurückgelegt hat, ist dann am größten, wenn die Bewegung des Ventils längs dieser Strecke beschleunigt ist. Auf diese Weise wird die Schaltzeit eines Ventils vermindert, indem ein "Leerhub" erfolgt, währenddessen noch kein oder ein deutlich verminderter Strömungsquerschnitt freigegeben wird. Während der Überwindung dieses Lehrhubs beschleunigt das Ventilglied auf seine Geschwindigkeit, mit der Strömungsquerschnitt dann effektiv freigegeben wird.
Insgesamt führt die Erfindung zu folgenden Vorteilen:

- Eine strömungstechnisch wirksame Schaltzeit des Ventils wird von der Bewegung des Ventilgliedes bzw. des Ventilkörpers entkoppelt. Damit werden erreichbare Schaltzeiten bzw. Schaltflanken vermindert oder es werden bei gleichen effektiven Schaltzeiten Bauteilebelastungen vermindert, der Energieeinsatz zur Betätigung des Ventilgliedes vermindert und Kontaktkräfte herabgesetzt.

Zusatzventile, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, können zur Drehmomentanhebung, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, eingesetzt werden, zur Senkung von Ladungswechselverlusten durch frühes Schließen (Drosselklappen freie Laststeuerung), zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens insbesondere von aufgeladenen Motoren, insbesondere bei Abgasturboaufladung, usw. Bezugszeichenliste 2 Zylinder
4 Kolben
6 Pleuel
8 Kurbelwelle
10 Luftfilter
12 Zufuhrleitung
14 Luftsammler
16 Einlasskanal
18 Brennraum
20 Einlassventil
22 Auslasskanal
24 Auslassventil
26 Ventil
30 Einlasskanalkörper
32 Erweiterungsbereich
34 Verjüngungsbereich
36 Strömungskörper
40 Ringspalt
42 Sackloch
44 Schaft
46 Ventilglied
48 Hut
50 Ventilsitz
52 Ringansatz
54 Ringansatz
56 Hohlraum
58 Ankerplatte
60 Elektromagnet
62 Elektromagnet
64 Schraubenfeder
66 Schraubenfeder
68 Ringansatz
70 Strömungskanal
72 Ringwand
74 Verdickung

Claims

1. Verfahren zum Verkürzen der Öffnungs -und/oder Schließflanke eines in einem Einlasskanal einer Kolbenbrennkraftmaschine strömungsoberhalb eines Ladungswechselventils angeordneten Ventils, dessen Ventilglied von einem von dem des Ladungswechselventils unabhängigen Antrieb aus einer Schließstellung, in der es eine durch eine Innenwand des Einlasskanals gebildete Ventilöffnung verschließt, in eine Öffnungsstellung bewegbar ist, in der die Ventilöffnung für einen Durchtritt von Fluid freigegeben ist, und umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, dass längs eines ersten Teils der Bewegung des Ventilglieds aus der Schließstellung heraus der Durchtritt nicht oder kaum freigegeben wird und/oder längs eines ersten Teils der Bewegung des Ventilglieds aus der Öffnungsstellung heraus nicht oder kaum eingeschränkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Ventilglieds aus der Schließstellung und/oder der Öffnungsstellung heraus beschleunigt verläuft.

3. Ventil zur Anordnung in einem Einlasskanal einer Kolbenbrennkraftmaschine strömungsoberhalb eines Ladungswechselventils, welches Ventil ein mit der Innenwand des Einlasskanals (16) zusammenwirkendes Ventilglied (46) enthält, das zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung hin und her bewegbar ist und in der Schließstellung einen Durchtritt von Fluid durch den Kanal sperrt und in der Öffnungsstellung den Durchtritt freigibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand des Einlasskanals (16) und das Ventilglied (46) derart ausgebildet sind, dass der bei einer Bewegung des Ventilglieds aus dessen Schließstellung heraus freigegebene Durchtrittsquerschnitt zunächst nicht oder nur langsam und dann rasch zunimmt und/oder bei einer Bewegung des Ventilglieds aus dessen Öffnungsstellung heraus zunächst nicht oder nur langsam und dann rasch abnimmt.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur der Innenwand des Kanals (16; 70) derart ausgebildet ist, dass sie der Bewegungsbahn des Umfangs des Ventilgliedes (46) längs des ersten Teils von dessen Öffnungsbewegung folgt.

5. Ventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur der Innenwand des Kanals (16; 70) derart ausgebildet ist, dass sie der Bewegungsbahn des Umfangs des Ventilgliedes (46) längs des ersten Teils von dessen Schließbewegung folgt.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (46) elastisch in eine Lage zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung vorgespannt ist und mittels Elektromagneten (60, 62) in der Öffnungsstellung und der Schließstellung haltbar ist.