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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verkürzen der Öffnungs- und 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.
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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 strömungsunterhalb
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.
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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.
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In
den unabhängigen
Ansprüchen
1 und 2 wird von der
DE
195 00 501 A1 ausgegangen. Diese Druckschrift beschreibt
verschiedene Ausführungsformen
von Ventilen, die bevorzugt strömungsoberhalb
eines Ladungswechselventils einer Brennkraftmaschine im Einlasskanal
angeordnet sind. Diese Ventile sind derart ausgebildet, dass das
Ventilglied aus einer Schließstellung
heraus zunächst
beschleunigt werden kann und eine Steuerkante, die den eigentlichen Öffnungs vorgang
einleitet, erst passiert wird, wenn sich das Ventilglied bereits
mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Auf diese Weise ist eine präzisere Steuerung
der Öffnung
und des Schließens
des Ventils möglich.
In einer Ausführungsform
ist das Ventilglied als eine um eine zentrale Achse drehbare Klappe
ausgebildet, deren sich gegenüberliegende
Ränder
während
eines Endbereiches der Schließbewegung
sich längs
einer entsprechend konturierten Innenwandung des Einlasskanals entlang
bewegen, so dass der Einlasskanal während eines entsprechenden
Winkelbereiches der Drehbewegung der Ventilklappe geschlossen ist.
Auf diese Weise befindet sich die Ventilklappe beim vollständigen Schließen des
Einlasskanals noch auf hoher Drehgeschwindigkeit und kann dann abgebremst
werden. Umgekehrt kann die Ventilklappe aus ihrer Schließstellung
heraus zunächst
beschleunigt werden und beginnt die Öffnung des Einlasskanals erst,
wenn sich die Ventilklappe bereits mit hoher Geschwindigkeit dreht.
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Auch
die als Tellerventile ausgebildeten Ladungswechselventile einer
Brennkraftmaschine können
gemäß der
DE 195 00 501 A1 derart
ausgebildet sein, dass sich der Ventilteller von seinem Sitz abhebt,
ohne dass sich während
der Anfangsphase der Öffnungsbewegung
ein Durchströmquerschnitt öffnet. Dies
wird dadurch erreicht, dass der Ventilsitz am inneren Ende einer
zylindrischen Öffnung
des Einlasskanals ausgebildet ist, wobei sich der Außenumfang
des Ventiltellers während
eines Anfangsbereiches der Öffnungsbewegung
in engem Abstand längs
der zylindrischen Öffnung
bewegt und die Öffnung
erst freigegeben wird, wenn der Ventilteller sich vom zylindrischen
Endbereich der Öffnung
abhebt.
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Aus
der
DE 100 32 669
A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur ungedrosselten
Laststeuerung einer fremdgezündeten
Brennkraftmaschine bekannt, bei der der Luftdurchsatz des Einlasskanals
entsprechend der Betriebslast durch Öffnen und Schließen eines
stromoberhalb des Ladungswechselventils im Einlasskanal angeordneten
zusätzlichen
Ventils gesteuert wird. Das zusätzliche
Ventil kann als ein Tellerventil ausgebildet sein, dessen Ventilteller
in dichtende Anlage an einen im Einlasskanal ausgebildeten ringförmigen Ventilsitz
bewegbar ist, um den Durchströmquerschnitt
zu verschließen.
In einer anderen Ausführungsform
ist das zusätzliche
Ventilglied als ein ringförmiger
Schieber ausgebildet, der zwischen einem Ringkanal und einem inneren
Kanal ausgebildete Durchlassöffnungen überfährt und
dadurch verschließt.
Für ein
sicheres Verschließen
der Durchlassöffnungen
ist es erforderlich, dass der Schieber diese um ein gewisses Maß überfährt, so
dass sich der effektive Durchtrittsquerschnitt von dem Ringkanal
in den inneren Kanal während
der Endphase der Bewegung des Schiebers in dessen Schließstellung und
während
des Beginns der Bewegung des Schiebers in die Öffnungsstellung nicht oder
nur kaum ändert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dauer der Öffnungs-
und Schließflanke
eines Ventils mit einem Ventilglied, das in Schließstellung
dichtend an einem Ventilsitz anliegt, insbesondere eines Ventils,
das strömungssoberhalb
eines Ladungswechselventils im Einlasskanal einer Kolbenbrennkraftmaschine
angeordnet ist, weiter zu verkürzen,
wodurch eine kürzere
Schaltzeit möglich
ist.
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Eine
erste Lösung
dieser Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 erzielt.
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Eine
zweite Lösung
der Erfindungsaufgabe wird mit einem Ventil gemäß dem Anspruch 2 erzielt, das mit
den Merkmalen der Ansprüche
3 bis 5 in vorteilhafter Weise weitergebildet wird.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise
und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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Es
stellen dar:
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1 eine
schematische Ansicht eines Zylinders einer Kolbenbrennkraftmaschine
mit einigen Bauteilen des Einlasssystems,
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2 einen
Längsschnitt
durch eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Ventils,
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3 eine
Kurve zur Erläuterung
der Funktionsweise des Ventils,
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4 einen
Längsschnitt
durch eine außerhalb
der Erfindung abgeänderte
Ausführungsform
eines Ventils,
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5 einen
Längsschnitt
durch eine außerhalb
der Erfindung abgeänderte
Ausführungsform
des Ventils gem. 4 und
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6 einen
Längsschnitt
durch eine weitere Ausführungsform
außerhalb
der Erfindung eines Ventils.
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Gem. 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. Im Anschluss
eines Abgaskanals 22 an den Brennraum arbeitet wenigstens
ein Auslassventil 24. Die Ausbildung des Ansaugsystems
mit Schwingrohren ist vorteilhaft, jedoch nicht zwingend.
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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.
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Die
Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung einschließlich der
Gemischaufbereitung usw., ist an sich bekannt und wird daher nicht
im einzelnen erläutert.
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2 zeigt
einen Längsschnitt
durch das Ventil 26 der 1. Pfeile
verdeutlichen die Luft- bzw. Frischladungsströmung.
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Der
Einlasskanal 16 erweitert sich am strömungsaufwärtigen Ende des Ventils 26,
indem die Innenwand eines Einlasskanalkörpers 30 einen sich
konisch erweiternden Erweiterungsbereich 32 aufweist, der über eine
breiteste Stelle in einen sich verjüngenden Verjüngungsbereich 34 übergeht,
der schließlich
glatt in den nicht dargestellten, zum Einlassventil 20 führenden
Teil des Einlasskanals 16 übergeht.
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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.
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Der
Strömungskörper 36 ist
der Innenwand des Einlasskanalkörpers 30 entsprechend
ausgebildet, so dass zwischen ihm und dem Einlasskanalkörper 30 ein
Ringspalt 40 mit ringförmigem
Durchströmquerschnitt gebildet
ist. Der Durchströmquerschnitt
des Ringspaltes 40 kann in Strömungsrichtung, wie bei hydraulischen oder
aerodynamischen Einrichtungen bekannt, zunächst abnehmen und dann langsam
wieder zunehmen.
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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 inneren, einen Ventilsitz 50 bildenden
Bereich des Erweiterungsbereiches 32 anliegt und in einer
unteren Offenstellung 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.
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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.
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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 36 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 abstützen. Die
Schraubenfedern 64 und 66 spannen das Ventilglied 46 in
eine Lage zwischen seiner Schließstellung und Offenstellung vor,
die in 2 dargestellt ist.
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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 Schraubenfeder 66 in
seine Offenstellung gezogen, in der die Ankerplatte 58 an
dem Elektromagneten 62 anliegt, wobei die Dimensionierung
des Ventilgliedes 46 derart ist, dass in dieser Stellung
der Hut 48 an dem Strömungskörper 36 anliegt.
Wird der Elektromagnet 62 unter Steuerung des Steuergerätes 28 deaktiviert,
so bewegt sich das Ventilglied 46 durch die Kraft der Schraubenfedern 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 46 und Schraubenfedern 64, 66 ist vorteilhafterweise
höher als
die Frequenz, mit der das Ventil 26 betätigt werden muss, so dass ein
rascher Wechsel zwischen Offen- und Schließstellung möglich ist, wobei von den Elektromagneten 60, 62 jeweils
nur die Haltekraft aufgebracht werden muss und kinetische Energie
in den Schraubenfedern 64, 66 gespeichert wird.
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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 20 geöffnet, wenn
sich ein hoher Unterdruck aufgebaut hat. Frischladung strömt mit hoher
Energie in den Brennraum 18, 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 20 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.
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Die
Funktion der Ringansätze 52 und 54 wird
anhand der 3 erläutert:
3 zeigt
eine Öffnungsbewegung
des Ventilgliedes 46, wobei vertikal der Durchströmquerschnitt
D und horizontal die Zeit t dargestellt sind. Wenn zum Zeitpunkt
t0 der Elektromagnet 60 deaktiviert
wird, beginnt das Ventilglied 46 unter dem Einfluss der
Schraubenfedern 64 und 66 eine beschleunigte Bewegung
in Richtung auf seine Offenstellung. 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.
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Die
Bewegung des Ventilgliedes 46 beschleunigt sich dann weiter,
bis es seine Mittellage erreicht, und wird dann unter dem Einfluss
der zunehmend zusammengedrückten
Schraubenfeder 66 verlangsamt, bis die Ankerplatte 58 in
den Bereich des Elektromagneten 62 gelangt, der das Ventilglied 46 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 effektive Öffnungsquerschnitt
nicht weiter vergrößert.
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Wie
aus 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 beträgt.
Wegen der zunächst
langsamen Bewegung des Ventilgliedes 46 überwiegt
der durch die Verkürzung
der Öffnungsflanke
erzielte Zeitvorteil den Nachteil einer geringfügigen Verminderung des effektiven Öffnungsquerschnitts.
In Schließrichtung
sind die Abläufe
umgekehrt.
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In 3 ist
die Bewegung des Ventilgliedes 46 unmittelbar vor Erreichen
der vollständig
geöffneten Stellung
beschleunigt eingezeichnet. Diese Beschleunigung erfolgt beispielsweise
unter Wirkung der stark zunehmenden Kraft des Elektromagneten 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 46 erfolgt
zunächst
beschleunigt, dann abgebremst und dann ggfs. wieder beschleunigt
in die Schließstellung.
Je nach Dimensionierung der Schraubenfedern 64, 66,
etwaiger Dämpfungseinrichtungen,
die das Auftreffen des Ventilgliedes 46 oder damit starr
verbundener Teile auf einen Ventilsitz 50 oder Anschlag
dämpfen,
der Auslegung der Elektromagnete 60, 62 usw. lassen
sich unterschiedliche Verläufe
der Kurve gem. 3 erzeugen, die um eine Mitte
symmetrisch, in Öffnungs-
und Schließrichtung
gleich oder verschieden, am Ende eines Bewegungshubs gebremst usw.
verlaufen können.
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Die
in Bewegungsrichtung des Ventilgliedes 46 gemessene Länge der
Ringansätze 52, 54 wird
jeweils dem zweckentsprechenden Optimum entsprechend gewählt. Weiter
versteht sich, dass, wenn es außerhalb der
Erfindung 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.
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4 zeigt
außerhalb
der Erfindung 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 Durchströmquerschnitt 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 2 sein usw.
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5 zeigt
außerhalb
der Erfindung eine gegenüber 4 abgeänderte Ausführungsform
eines Tellerventils. Der Ringansatz ist bei dieser Ausführungsform
nicht unmittelbar am Ventilglied 46 ausgebildet, sondern
umgibt als Ringwand 72 den Ventilsitz. Wie aus der Figur
unmittelbar ersichtlich, gibt das Ventilglied 46 den Durchströmquerschnitt
des Strömungskanals 70 erst
frei, wenn es die Ringwand 72 nach Zurücklegen des Hubs h1 passiert
hat.
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6 zeigt
außerhalb
der Erfindung die Anwendung 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 76 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.
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Die
Erfindung kann für
Ventile unterschiedlichster Konstruktion und mit unterschiedlichsten
Antrieben verwendet werden. Die Wirkung der erfindungsgemäß vorgesehenen
Mittel, die die Änderung
eines Durchströmquerschnitts
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 Durchströmquerschnitt freigegeben wird.
Während
der Überwindung
dieses Leerhubs beschleunigt das Ventilglied auf seine Geschwindigkeit,
mit der der Durchströmquerschnitt
dann effektiv freigegeben wird.
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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.
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Zusatzventile,
wie sie in
1 dargestellt sind, können zur
Drehmomentanhebung, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, eingesetzt
werden, zur Senkung von Ladungswechselverlusten durch frühes Schließen (drosselklappenfreie
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 |
| 28 | Steuergerät |
| 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 | Achse |
| 76 | Verdickung |