DE19500501A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung des Ladungswechsels von Verbrennungsmotoren durch Ventile - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des La­ dungswechsels von Verbrennungsmotoren durch Ventile, wobei in mindestens einem Ladungswechselkanal mindestens einmal pro Arbeitsspiel ein Ventil durch Bewegung eines Ventilkörpers relativ zu einem Ventilgehäuse derart geöffnet und geschlos­ sen wird, daß ein Teil der Ventilbewegung in einem Schließ­ bereich des Ventilgehäuses stattfindet, in dem der Abstand zwischen Ventilkörper und Ventilgehäuse gleichbleibend auf die für die Relativbewegung zwischen Ventilgehäuse und Schließkörper minimal erforderliche Abstandstoleranz be­ schränkt ist, während der andere Teil der Bewegung des Ven­ tilkörpers in einem Öffnungsbereich stattfindet und sich der Stromungsquerschnitt dieses Ventils sprunghaft ändert, wenn der Ventilkörper mit hoher Geschwindigkeit eine Steuerkante am Ventilkörper passiert, die den Schließbereich vom Öff­ nungsbereich trennt, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Im Zusammenhang mit den zunehmenden Zwängen zur Reduzierung von Abgasemissionen und Brennstoffverbrauch bei Kraftfahrzeu­ gen wird es immer wichtiger, die Ventilsteuerungen an Ein- und Auslässen der Brennkammern schnell und präzise dem jewei­ ligen Betriebszustand optimal anzupassen und neuartige La­ dungswechselverfahren zu realisieren.

Konventionelle, nockengesteuerte Ventile sind hierzu zu trä­ ge, in ihren Öffnungs- und Schließzeitpunkten zu wenig vari­ ierbar und die Veränderung des Strömungsquerschnitts im Be­ reich der Steuerkante ist zu langsam, weshalb ein genau defi­ nierter Öffnungsbeginn bzw. ein genau definiertes Schließende fehlt. Deswegen wurden in den letzten Jahren neuartige Ven­ tilsteuerungen entwickelt, z. B. solche mit elektromagneti­ schem Antrieb, wobei Schließ- und Öffnungsbewegungen von ein bis zwei Millisekunden Dauer bei Prototypen realisiert wurden und der Beginn dieser Ventilbewegungen frei steuerbar ist.

Somit dauert die Öffnungsphase etwa vom Beginn der Öffnungs­ bewegung bis zum Ende der Schließbewegung.

Diese neuen Ventilsteuerungen zeigen jedoch eine Reihe von Problemen, die mit der Realisierung der schnellen Bewegungen verbunden sind. Zunächst stört ein hoher Energieverbrauch, der aus den hohen Beschleunigungen und Abbremsungen herrührt und der die Antriebsleistung konventioneller Steuerungen übersteigt. Sodann gibt es Schwierigkeiten, die Ventile schnell genug zu schließen, ohne daß der Ventilkörper mit zu hoher Geschwindigkeit auf den Ventilsitz auftrifft und diesen zerstört. Der langsame Ablauf von Öffnungsbeginn und Schlie­ ßende führt zu gasdynamischen Effekten, die energetische und thermische Effizienz neuartiger Ladungswechselverfahren be­ einträchtigen. Letztendlich sind die Kosten für den appara­ tiven Aufwand und für die Weiterentwicklung zur Serienreife sehr hoch.

Diese Problematik wird noch verstärkt, wenn neuartige Verfah­ ren der dynamischen Aufladung realisiert werden sollen, die zwei komplette Öffnungs- und Schließvorgänge eines Einlaßven­ tils je Saughub erfordern.

Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, kostengünstige Ven­ tilsteuerungen für den Ladungswechsel von Verbrennungsmotoren zu schaffen, bei denen aus verfahrenstechnischen Gründen die Änderung des Ventilquerschnitts zu Beginn der Ventilöffnung und zum Ende der Ventilschließung sehr schnell erfolgt, so daß exakte Steuerzeitpunkte für den Öffnungsbeginn und das Öffnungsende festlegbar sind und daß diese Steuerzeitpunkte in Bezug auf die Phasenlage des Motors frei wählbar sind. Außerdem sollen sie auch bei üblichen Motordrehzahlen bis zu 6.000 U/min in der Lage sein, möglichst zwei komplette Öff­ nungs- und Schließvorgänge eines Einlaßventils je Saughub durchzuführen, bei gleichzeitiger Reduzierung der erforderli­ chen Antriebsleistung und Vermeidung schädigender Auftreffge­ schwindigkeiten zwischen Ventilkörper und Ventilsitz bzw. zwischen den bewegten und unbewegten Teilen des Ventils.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einem Verfahren der eingangs genannten Art darin, daß während der Öffnungsbewe­ gung und während der Schließbewegung dieses Ventils der Ven­ tilkörper derart beschleunigt und anschließend verzögert wird, daß das Passieren der Steuerkante mit hoher Geschwin­ digkeit zu einstellbaren Steuerzeitpunkten erfolgt.

Da auf diese Weise der Ventilkörper zu Beginn der Ventilöff­ nung nicht aus dem Stillstand beschleunigt und bei Beendigung des Schließvorgangs nicht bis zum Stillstand verzögert werden muß, hat der Ventilkörper beim Beginn der Ventilöffnung und bei Beendigung des Schließvorgangs eine hohe Geschwindigkeit, so daß der Zeitpunkt, zu dem der Ventilkörper die Steuerkante öffnend oder schließend erreicht, als exakter Öffnungs- oder Schließzeitpunkt betrachtet werden kann, weil der Ventilquer­ schnitt sich entsprechend der hohen Geschwindigkeit sehr schnell ändert, ohne daß schlagartig Massenkräfte freigesetzt werden und zu hohen mechanischen Beanspruchungen führen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß der Ven­ tilkörper nach seiner Verzögerung zum Stillstand kommt, so daß über eine Wartepause bis zum Beginn der nächsten Ventil­ bewegung und die Bewegungsdauer bis zum Passieren der Steuer­ kante die Steuerzeitpunkte exakt vorherbestimmbar und frei wählbar sind.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich nach einer weiteren Ausführungsform der Ventilkörper um eine quer zur Durchström­ richtung dieses Ventils verlaufende Achse dreht.

Nach einer ersten Variante kann sich der Ventilkörper beim Öffnen und Schließen in der gleichen Richtung bewegen; beson­ ders vorteilhaft ist eine zweite Variante, nach der die Öff­ nungsbewegung der Schließbewegung entgegengesetzt gerichtet ist. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, daß nach einer be­ vorzugten Ausführungsform die Bewegungsenergie des Ventilkör­ pers in einfacher Weise bei seiner Verzögerung von einem Ener­ giespeicher aufgenommen und zur Beschleunigung des Ventilkör­ pers wieder genutzt wird.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird es zur Steuerung eines Ventils angewandt, das zusätzlich zu ei­ nem den Brennraum abschließenden Ventil in dessen Ladungs­ wechselkanal angeordnet ist, wobei eine besonders zweckmäßige Weiterbildung darin besteht, daß das nach dem Verfahren ge­ steuerte Ventil als Zusatzventil bei hohen Motordrehzahlen in geöffneter Stellung verbleibt.

Eine Vorrichtung mit einem Ventilgehäuse und einem relativ zum Ventilgehäuse durch einen Antrieb beweglichen Ventilkör­ per, bei der das Ventilgehäuse einen Öffnungs- und einen Schließbereich aufweist, die durch eine Steuerkante vonein­ ander getrennt sind, an der sich der Strömungsquerschnitt im Ventilgehäuse sprunghaft ändert und im Schließbereich der Abstand zwischen Ventilkörper und Ventilgehäuse gleichblei­ bend auf die für die Relativbewegung zwischen Ventilgehäuse und Schließkörper minimal erforderliche Abstandstoleranz beschränkt ist, ist zur Durchführung des Verfahrens erfin­ dungsgemäß so ausgebildet, daß der Antrieb geeignet ist, den Ventilkörper einem eine Beschleunigungs- und eine Verzöge­ rungsphase aufweisenden Bewegungsgesetz frei wählbar derart zu unterwerfen, daß der Ventilkörper die Steuerkante mit ho­ her Geschwindigkeit zu einem frei wählbaren Zeitpunkt pas­ siert.

Dabei kann der Ventilkörper ein linear bewegbarer Schieber oder ein axial verschiebbares Tellerventil sein oder er kann um eine quer zur Durchströmrichtung des Ventilgehäuses ver­ laufende Achse drehbar in diesem gelagert sein, wobei dann der Ventilkörper vorzugsweise eine drehbare Klappe ist.

Bei der Verwendung solcher Vorrichtungen in größeren Tempera­ turschwankungen ausgesetzten Bereichen, z. B. bei Verbren­ nungsmotoren, müssen die Ränder der Drehklappen von der Ge­ häusewandung einen Abstand aufweisen, der so ausreichend di­ mensioniert ist, daß die freie Beweglichkeit der Klappe bei der maximal zu erwartenden Temperatur gewährleistet bleibt. Das hat zur Folge, daß über den unvermeidbaren Spalt in Schließstellung der Klappe eine Restströmung erfolgt, die insbesondere dann störende Ausmaße annehmen kann, wenn die Vorrichtung mit höheren Drücken beaufschlagt wird. Es stellt deshalb bei Vorrichtungen, bei welchen die Öffnungsbewegung und die Schließbewegung in einander entgegengesetzter Rich­ tung verlaufen, eine vorteilhafte Ausgestaltung dar, daß die Ventilklappe in Schließstellung sich in einer die Drehachse enthaltenden, quer zur Durchflußachse verlaufenden Schließ­ ebene befindet und mit ihrem Rand in allen Stellungen all­ seits in der Ebene der Klappe einen solchen Abstand vom Ge­ häuse einhält, daß dieser von den während des Betriebs zu erwartenden Wärmedehnungen nicht überwunden werden kann, daß dem Umfangsbereich jeder Teilfläche am Gehäuse jeweils eine bis an die Drehachse herangeführte Anschlagkante zugeordnet ist und daß diese Anschlagkanten auf unterschiedlichen Seiten der Ventilklappe angeordnet und dieser als stirnseitige Ab­ dichtung zugeordnet sind.

Diese Konstruktion erfordert keine aufwendige Bearbeitung der Ventilklappe oder des Ventilgehäuses, vielmehr kann eine ge­ stanzte, unbearbeitete Klappe und einfaches Rohrmaterial zur Bildung des Gehäuses verwendet werden. Durch den ringsum eingehaltenen Abstand zwischen Klappenrand und Innenwandung des Gehäuses können Wärmedehnungen ohne Klemmgefahr ausgegli­ chen werden. Weil die Klappe ringsum an den Anschlagkanten stirnseitig und damit spaltfrei anliegt, ist eine gute Ab­ dichtung gewährleistet.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß das Gehäuse aus einer von der Drehachse durchquerten Rohrmuffe und zwei von dieser Rohrmuffe umschlossenen Rohr­ abschnitten besteht, deren der Ventilklappe zugewandte Ränder auf unterschiedlichen Seiten der Drehachse als Anschlagkante für die Ventilklappe in einer parallel zur Ebene der in Schließstellung befindlichen Ventilklappe verlaufenden Ebene höchstens bis auf einen der halben Wandstärke der Ventilklap­ pe entsprechenden Abstand vom Drehzentrum an die Drehachse herangeführt sind und anschließend außerhalb des Schwenkbe­ reichs der Ventilklappe verlaufen, wobei eine zweckmäßige und einfache Ausgestaltung darin besteht, daß die der Ventilklap­ pe zugewandten Ränder der Rohrabschnitte durch eine parallel zur Drehachse verlaufende Stufe in zwei in Durchströmrichtung des Ventils versetzte Abschnitte unterteilt sind, die jeweils parallel zur Ebene der in Schließstellung befindlichen Ven­ tilklappe verlaufen.

Falls das Verfahren mit einem Energiespeicher zur Aufnahme der Bewegungsenergie betrieben wird, ist nach einer bevorzug­ ten Ausführungsform der Vorrichtung dem Ventilkörper als Energiespeicher ein Schwingungssystem zugeordnet, wobei vor­ zugsweise das Schwingungssystem mechanische Federn umfaßt.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung be­ steht darin, daß sie eine Einrichtung umfaßt, die geeignet ist, die Energieverluste bei der Bewegung dieses Ventils aus­ zugleichen, wobei die Einrichtung geeignet ist, die Energie­ verluste vorzugsweise bei jeder Ventilbewegung auszugleichen.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß der Ventilkörper mit Federn zu einem Feder-Masse-System ver­ bunden ist, das etwa um die Mittellage zwischen den beiden Endlagen des Ventilkörpers schwingungsfähig ist mit einer Frequenz, deren halbe Schwingungsdauer der gewünschten Bewe­ gungsdauer zwischen den beiden Endlagen entspricht, daß Vor­ richtungen zur Zufuhr von Energie vorhanden sind, die den Energieverlust durch die Dämpfung der Bewegung des Schließ­ körpers von Endlage zu Endlage ausgleichen, und daß in der jeweiligen Endlage dem Ventilkörper eine Arretierung zugeord­ net ist.

Nach einer ersten Variante kann dabei die Vorrichtung eine Einrichtung zur elektromagnetischen Energiezufuhr umfassen. Es kann aber auch eine Einrichtung zur pneumatischen oder zur hydraulischen Energiezufuhr vorgesehen werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung besteht noch darin, daß sie in einem mit der Brennkammer verbundenen La­ dungswechselkanal eines Verbrennungsmotors angeordnet ist und die Eigenfrequenz der Gasschwingung in der Leitung zwischen der Öffnung dieses Abschnitts und dem den Brennraum abschlie­ ßenden Ventil des Motors zur Nutzung gasdynamischer Wechsel­ wirkungen in Bezug auf den Ladungswechsel auf eine bestimmte Frequenz des Ladungswechsels der jeweiligen Brennkammer abge­ stimmt ist.

Das frei steuerbare Ventil ist dabei nach einer ersten Va­ riante einer bevorzugten Ausführungsform dem Einlaßventil vorgeschaltet, während nach einer zweiten Variante das frei steuerbare Ventil das Einlaßventil ist. Es kann aber auch als Auslaßventil angeordnet werden oder dem Auslaßventil nachgeschaltet sein.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß zur Abdichtung des Schließbereichs zumindest in ausgewählten Stellungen des Ventilkörpers am Ventilgehäuse oder Ventilkör­ per labyrinthartige Vertiefungen vorgesehen sind, wobei bei Drehklappen auch deren Stirnseiten labyrinthartige Vertiefun­ gen aufweisen können.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispie­ le von Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Ventil mit Dreh­ klappe in Öffnungsstellung,

Fig. 2 das Ventil nach Fig. 1 in Schließstellung,

Fig. 3 eine andere Ausführungsform eines Ventils mit Dreh­ klappe in Schließstellung,

Fig. 4 eine Variante des in Fig. 3 gezeigten Ventils in Schließstellung,

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausfüh­ rungsform eines Drehklappenventils senkrecht zur Drehachse,

Fig. 6 einen Querschnitt durch das in Fig. 5 gezeigte Ven­ til in Richtung der Drehachse,

Fig. 7 ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens geeignetes Tellerventil am Ende der Schließbe­ wegung,

Fig. 8 das in Fig. 7 gezeigte Tellerventil in der Be­ schleunigungsphase in noch geschlossenem Zustand,

Fig. 9 das in den Fig. 7 und 8 gezeigte Tellerventil am Ende der Öffnungsbewegung,

Fig. 10 eine schematische Seitenansicht eines Ventil der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Bauform mit in der obe­ ren Hälfte geschnittenem Ventilgehäuse und in der Bewegungsmitte befindlichem Ventilkörper,

Fig. 11 eine der Fig. 10 ähnliche Ansicht mit dem Ventil­ körper in der Endposition am Ende der Schließphase,

Fig. 12 eine den Fig. 10 und 11 ähnliche Ansicht mit dem Ventilkörper in der Endposition am Ende der Öff­ nungsphase,

Fig. 13 eine Seitenansicht auf eine Variante des in den

Fig. 10 bis 12 gezeigten Ventils,

Fig. 14 eine Draufsicht hierzu und

Fig. 15 eine schematische Darstellung der Ladungswechselka­ näle einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors, ausgestattet mit Ventilen zur Anwendung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens.

Gleiche oder einander entsprechende Teile werden bei allen Ausführungsbeispielen mit gleichen Bezugszeichen gekennzeich­ net.

Die Fig. 1 und 2 zeigen in den Ladungswechselkanals eines Verbrennungsmotors einbezogen ein insgesamt mit 10 bezeichne­ tes Ventil mit einem Ventilgehäuse 12, das einen Durchström­ kanal 14 mit rechteckigem Querschnitt enthält. In der Längs­ mittelebene des Ventilgehäuses 12 ist eine Achse 16 angeord­ net, um die ein Ventilkörper 18 in Form einer Drehklappe be­ wegbar ist. Konzentrisch zur Achse 16 verlaufende, gekrümmte Wandungsabschnitte 20 und 22 erweitern den Durchflußquer­ schnitt des Ventilgehäuses 12 im Bereich der Achse 16, so daß durch den Übergang von den zur Durchflußrichtung D parallelen Seitenwänden 24 bzw. 26 zu den gekrümmten Wandungsabschnitten 20 und 22 Steuerkanten 28a und 28b bzw. 30a und 30b gebildet werden.

Die Bewegung des Ventilkörpers 18 erfolgt durch einen ledig­ lich beispielsweise in den Fig. 10 bis 14 dargestellten An­ trieb, dessen praktische Ausführung frei ist, sofern er nur geeignet ist, die Bewegung des Ventilkörpers 18 derart mit einer Beschleunigungs- und einer Verzögerungsphase auszufüh­ ren, daß der Ventilkörper 18 zu einem hinsichtlich des Ver­ fahrensablaufs in der Brennkammer des Motors frei wählbaren Zeitpunkt die einander paarweise zugeordneten Steuerkanten 28a und 30a bzw. 28b und 30b auf dem Weg vom geöffneten zum geschlossenen Ventilzustand und in der Gegenrichtung jeweils mit hoher Geschwindigkeit passiert.

Der in den Fig. 10 bis 14 gezeigte Antrieb besteht aus einem zwischen zwei Endstellungen hin- und herbeweglichen Schieber 32, der mit einer Platte 34 fest verbunden ist, der im Bewe­ gungsbereich des Schiebers 32 zwei Elektromagneten 36 und 38 zugeordnet sind. Der Ventilkörper 18 ist außerhalb des Ven­ tilgehäuses 12 mit einer Kurbel 40 verbunden, deren freies Ende über einen Lenker 42 mit einem Ende des Schiebers 32 verbunden ist, wobei der Abstand der Elektromagnete 36 und 38 die Bewegungslänge des Schiebers 32 bestimmt und so bemessen ist, daß der Ventilkörper 18 sich bei Anlage der Platte 34 am Elektromagneten 36 in der in den Fig. 1 und 12 gezeigten Öff­ nungsstellung und bei Anlage der Platte 34 am Elektromagneten 38 in der in den Fig. 2 und 11 gezeigten Schließstellung be­ findet.

Die Platte 34 ist mit einem Ansatz 44 zwischen zwei in Bewe­ gungsrichtung des Schiebers 32 beiderseits der Platte 34 an­ geordneten Zug- und Druckfedern 46 bzw. 48 eingespannt, die mit ihren von der Platte 34 abgewandten Enden an der die Ma­ gnete 36 und 38 tragenden Konstruktion befestigt sind. Die Federn 46 und 48 sind bestrebt, die Platte 34 in der aus Fig. 8 ersichtlichen Mittelstellung zu halten, so daß beide Federn die Annäherung der Platte 34 an den einen oder anderen Elek­ tromagneten durch kombinierte Zug- und Druckkräfte abbremsen, wodurch die Bewegungsenergie gespeichert und bei Freigabe der Platte 34 durch den einen Elektromagneten zur Beschleunigung der bewegten Teile und damit zur Unterstützung der An­ ziehungskraft des anderen Elektromagneten nutzbar gemacht werden kann.

Der Übergang von der Öffnungs- in die Schließstellung und umgekehrt kann unter Berücksichtigung der physikalischen Kon­ stanten des Systems durch zeitliche Steuerung der Erregung der Elektromagnete 36 und 38 sehr genau bestimmt und den Er­ fordernissen des jeweiligen Betriebszustandes des Verbren­ nungsmotors exakt angepaßt werden.

Der beschriebene Antrieb erzeugt eine hin- und hergehende Bewegung des Ventilkörpers 18. Dadurch kommen nur die Steu­ erkanten 28a und 30a zum Einsatz. Es ist aber auch ein An­ trieb geeignet, der den Ventilkörper 18 stets in der gleichen Richtung dreht, so daß nach dem Passieren der Steuerkanten 28a und 30a und der Verzögerung des Ventilkörpers 18 in dem durch die gekrümmten Wandungsabschnitte 20 und 22 gebildeten Schließbereich nach erneuter Beschleunigung die Steuerkanten 28b und 30b passiert werden und dadurch der nächste Öffnungs­ zeitpunkt bestimmt wird.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Variante eines Drehschieberven­ tils, bei dem die Achse 12 am Rande des Durchströmquer­ schnitts des Ventils in einer Tasche 50 einer zur Achse 12 parallelen Seitenwand 21 angeordnet ist, dem ein zur Achse 12 konzentrischer, gekrümmter Wandungsabschnitt 22 gegenüber­ liegt. Die Tasche 50 dient zur Aufnahme des Ventilkörpers 18 in der geöffneten Stellung.

Zwischen der von der Achse abgewandten Kante 19 des Ventil­ körpers 18 und dem ihr zugewandten, den Schließbereich bil­ denden Wandungsabschnitt 22 ist bei diesem Ausführungsbei­ spiel eine Dichtung in Form eines Durchblicklabyrinths 52 bzw. 54 vorgesehen, das an der Kante 19 oder am Wandungsab­ schnitt 22 ausgebildet sein kann.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Variante des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ventils. Dabei ist eine allgemein mit 70 bezeich­ nete rohrförmige Strömungsleitung mit beispielsweise kreis­ rundem Querschnitt im Bereich eines Gehäuses 72 getrennt, das zwei koaxiale Bohrungen 71 und 73 zur Aufnahme der voneinan­ der getrennten Rohrenden 74 bzw. 76 aufweist. Im Gehäuse 72 ist eine im Querschnitt rechteckige Kammer 75 ausgebildet, die zur Aufnahme einer rechteckigen Ventilklappe 78 geeignet ist. Diese Ventilklappe 78 kann als einfaches Stanzteil aus­ gebildet sein und ist mit einer Drehachse 80 verbunden, die in Lagern 82 und 84 an der Muffe 72 gelagert und auf einer Seite zur Verbindung mit einem Stell- oder Steuerungsmecha­ nismus aus dem Gehäuse 72 herausgeführt ist, das gegebenen­ falls auch in einer die Achse der Ventilklappe enthaltenden Ebene geteilt sein kann.

Der aus dem Gehäuse 72 herausgeführte Abschnitt der Drehachse 80 ist mit einem Bund 81 versehen, der als Widerlager für eine die Drehachse umgebende Druckfeder 83 bildet, die einen innerhalb des als lösbare Kappe ausgebildeten Lagers 84 an­ geordneten und an der Achse 80 ausgebildeten Dichtungsflansch 85 dichtend gegen die Innenseite des Lagers 84 drückt.

Die Ventilklappe 78 hält ringsum einen so ausreichenden Ab­ stand von der Innenwandung des Gehäuses 72, daß dieser die freie Beweglichkeit sichernde Abstand auch nicht durch die im Betrieb unter Wärmeeinfluß zu erwartenden Maßänderungen über­ wunden werden kann.

Beim gezeigten Beispiel verläuft die Ventilklappe 78 in ihrer Schließstellung senkrecht zur Durchflußrichtung bzw. Achse des Gehäuses 72 und in dieser Schließstellung liegt die Ven­ tilklappe 78 in Schließrichtung an ihr beiderseits der Dreh­ achse 80 zugeordneten, jeweils etwa U-förmigen Anschlagrahmen 90 und 92 an, deren Schenkel bis an die Drehachse 80 herange­ führt sind und dabei - um in der Öffnungsstellung eine zur Durchflußrichtung parallele Lage der Ventilklappe 78 zu er­ möglichen - mindestens einen der halben Dicke der Ventilklap­ pe 78 entsprechenden Abstand vom Drehzentrum einhalten.

Mit dieser Konstruktion läßt sich mit einfachen, kostengün­ stigen Mitteln ein Ventil schaffen, bei dem in der geschlos­ senen Endstellung der Ventilklappe 78 eine stirnseitige Ab­ dichtung erfolgt, die auch hohen Drücken standhalten kann.

Die Fig. 7 bis 9 zeigen, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch auf Tellerventile angewandt werden kann. Der den Ven­ tilkörper 18 bildende Ventilteller weist einen einem koni­ schen Ventilsitz 23 in einem das Ventilgehäuse 12 darstellen­ den Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors zugeordneten koni­ schen Abschnitt 25 auf, an den sich auf der vom Ventilschaft 27 abgewandten Seite ein zylindrischer Abschnitt 29 an­ schließt, dem als Schließabschnitt ein zylindrischer Wan­ dungsabschnitt 22 im Anschluß an den konischen Ventilsitz 23 zugeordnet ist.

Wenn sich der Ventilkörper 18 aus der in Fig. 7 gezeigten, am Ende der Schließphase erreichten Endstellung bewegt, bleibt das Ventil so lange geschlossen, so lange sich der zylindri­ sche Abschnitt 29 - wie in Fig. 8 gezeigt - im Bereich des zylindrischen Wandungsabschnitts 22 bewegt. Erst wenn der Abschnitt 29 die den Wandungsabschnitt 22 an seinem vom Ven­ tilsitz 23 abgewandten Ende begrenzende Steuerkante 28c pas­ siert, um die in Fig. 9 gezeigte andere Ventilendstellung zu erreichen, wird das Ventil geöffnet. Während der Schließbe­ wegung wird das Ventil geschlossen, sobald der zylindrische Abschnitt 29 die Steuerkante 28c passiert und in den durch den Wandungsabschnitt 22 gebildeten Schließabschnitt ein­ dringt, wo die Bewegung verzögert wird, bis der Ventilkörper 18 am Ventilsitz 23 anliegt.

Die Fig. 13 und 14 zeigen eine Variante der in den Fig. 10 bis 12 gezeigten Ausführungsform, durch welche die mechani­ sche Beanspruchung durch die angreifenden Kräfte reduziert wird. Zu diesem Zweck ist die Kurbel 40 über die Achse 16 hinaus durch einen Kurbelarm 41 verlängert, an dem eine Zug- und Druckfeder 46 angreift, deren anderes Ende an einem rela­ tiv zum Ventilgehäuse 12 ortsfesten Punkt angreift. Auf der von der von der Kurbel 40 abgewandten Seite des Ventilgehäu­ ses 12 ist ein weiterer Kurbelarm 43 mit der Achse 16 verbun­ den, an dem eine jeweils gegensinnig zur Feder 46 bean­ spruchte Feder 48 angreift, deren anderes Ende ebenfalls mit einem relativ zum Ventilgehäuse ortsfesten Punkt befestigt ist.

Die Fig. 15 zeigt eine Brennkammer 50 eines Verbrennungsmo­ tors, mit zwei Ladungswechselkanälen 52 und 54, deren Einmün­ dung in die Brennkammer 50 jeweils mit einem Tellerventil 56 bzw. 58 versehen ist. Der Ladungswechselkanal 52 erstreckt sich zwischen einem Luftverteiler 60 und dem als Einlaßventil dienenden Tellerventil 56; er besitzt eine Länge l₁. Der Ladungswechselkanal 54 verläuft zwischen dem als Auslaßventil dienenden Tellerventil 58 und einem Abgassammler 62; er be­ sitzt die Länge 12. Im Ladungswechselkanal 52 befindet sich dem Einlaßventil vorgeschaltet ein frei steuerbares Ventil 10, das dem in Fig. 1 gezeigten Ventil entspricht und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann.

Grundsätzlich ist es aber auch möglich und anhand der Fig. 7 bis 9 oben erläutert, die Tellerventile 56 und/oder 58 eben­ falls nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu betreiben.

Die Längen l₁ und/oder l₂ können so gewählt werden, daß die Eigenfrequenz der Gasschwingung in jedem dieser Ladungswech­ selkanälen, zur Nutzung gasdynamischer Wechselwirkungen in Bezug auf den Ladungswechsel, auf eine bestimmte Frequenz des Ladungswechsels der jeweiligen Brennkammer abgestimmt ist. So ist bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung die Länge l₁ des Saugkanals auf hohe Motordrehzahlen abgestimmt, so daß z. B. bei hohen Drehzahlen eine Schwingrohraufladung erfolgt, wenn das Ventil 10 zur Entlastung stets in der Öff­ nungsstellung gehalten wird. Bei niedrigen Drehzahlen wird dann die Ventilbewegung zur Verbesserung des Ladungswechsels wieder aktiviert.

Claims (28)

1. Verfahren zur Steuerung des Ladungswechsels von Verbrennungsmotoren durch Ventile, wobei in mindestens einem Ladungswechselkanal mindestens einmal pro Arbeitsspiel ein Ventil durch Bewegung eines Ventilkörpers relativ zu einem Ventilgehäuse derart geöffnet und geschlossen wird, daß ein Teil der Ventilbewegung in einem Schließbereich des Ventilge­ häuses stattfindet, in dem der Abstand zwischen Ventilkörper und Ventilgehäuse gleichbleibend auf die für die Relativbewe­ gung zwischen Ventilgehäuse und Schließkörper minimal erfor­ derliche Abstandstoleranz beschränkt ist, während der andere Teil der Bewegung des Ventilkörpers in einem Öffnungsbereich stattfindet und sich der Strömungsquerschnitt dieses Ventils sprunghaft ändert, wenn der Ventilkörper mit hoher Geschwin­ digkeit eine Steuerkante am Ventilkörper passiert, die den Schließbereich vom Öffnungsbereich trennt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß während der Öffnungsbewegung und während der Schließbewegung dieses Ventils der Ventilkörper derart be­ schleunigt und anschließend verzögert wird, daß das Passieren der Steuerkante mit hoher Geschwindigkeit zu einstellbaren Steuerzeitpunkten erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ventilkörper nach seiner Verzögerung zum Still­ stand kommt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Ventilkörper um eine quer zur Durchströmrichtung dieses Ventils verlaufende Achse dreht.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper sich beim Öffnen und Schließen in der gleichen Richtung bewegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Öffnungsbewegung dieses Ventils der Schließbewegung entgegengesetzt gerichtet ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsenergie des Ventilkörpers bei seiner Verzögerung von einem Energiespei­ cher aufgenommen und zur Beschleunigung des Ventilkörpers wieder genutzt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Ventil steuert, das zusätzlich zu einem den Brennraum abschließenden Ventil in dessen Ladungswechselkanal angeordnet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß das von ihm gesteuerte Ventil als Zusatzventil bei hohen Motordrehzahlen in geöffneter Stellung verbleibt.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Ventilgehäuse und ei­ nem relativ zum Ventilgehäuse durch einen Antrieb beweglichen Ventilkörper, wobei das Ventilgehäuse einen Öffnungs- und einen Schließbereich aufweist, die durch eine Steuerkante voneinander getrennt sind, an der sich der Strömungsquer­ schnitt im Ventilgehäuse sprunghaft ändert und im Schließbe­ reich der Abstand zwischen Ventilkörper und Ventilgehäuse gleichbleibend auf die für die Relativbewegung zwischen Ven­ tilgehäuse und Schließkörper minimal erforderliche Abstand­ stoleranz beschränkt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb geeignet ist, den Ventilkörper einem eine Beschleuni­ gungs- und eine Verzögerungsphase aufweisenden Bewegungsge­ setz derart zu unterwerfen, daß der Ventilkörper die Steuer­ kante mit hoher Geschwindigkeit zu einem frei wählbaren Zeit­ punkt passiert.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2 oder der mittel­ bar oder unmittelbar darauf bezogenen Ansprüche 5 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper ein linear beweg­ barer Schieber ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2 oder der mittel­ bar oder unmittelbar darauf bezogenen Ansprüche 5 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper ein axial ver­ schiebbares Tellerventil ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper um eine quer zur Durch­ strömrichtung des Ventilgehäuses verlaufende Achse drehbar in diesem gelagert ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ventilkörper eine drehbare Ventilklappe ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei welcher die Öffnungsbewegung und die Schließbewegung in einander entge­ gengesetzter Richtung verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilklappe in Schließstellung sich in einer die Dreh­ achse enthaltenden, quer zur Durchflußachse verlaufenden Schließebene befindet und mit ihrem Rand in allen Stellungen allseits in der Ebene der Klappe einen solchen Abstand vom Gehäuse einhält, daß dieser von den während des Betriebs zu erwartenden Wärmedehnungen nicht überwunden werden kann, daß dem Umfangsbereich jeder Teilfläche am Gehäuse jeweils eine bis an die Drehachse herangeführte Anschlagkante zugeordnet ist und daß diese Anschlagkanten auf unterschiedlichen Seiten der Ventilklappe angeordnet und dieser als stirnseitige Ab­ dichtung zugeordnet sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Energiespeicher dem Ventilkörper ein Schwingungssystem zugeordnet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Schwingungssystem mechanische Federn um­ faßt.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung umfaßt, die geeignet ist, die Energieverluste bei der Bewegung dieses Ventils auszugleichen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung geeignet ist, die Energiever­ luste bei jeder Ventilbewegung auszugleichen.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper mit Federn zu einem Feder-Masse-System verbunden ist, das etwa um die Mit­ tellage zwischen den beiden Endlagen des Ventilkörpers schwingungsfähig ist mit einer Frequenz, deren halbe Schwin­ gungsdauer der gewünschten Bewegungsdauer zwischen den beiden Endlagen entspricht, daß Vorrichtungen zur Zufuhr von Energie vorhanden sind, die den Energieverlust durch die Dämpfung der Bewegung des Schließkörpers von Endlage zu Endlage ausglei­ chen, und daß in der jeweiligen Endlage dem Ventilkörper eine Arretierung zugeordnet ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zur elektromagnetischen Energiezufuhr umfaßt.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zur pneumatischen Energiezufuhr umfaßt.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zur hy­ draulischen Energiezufuhr umfaßt.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem mit der Brennkammer verbundenen Ladungswechselkanal eines Verbrennungsmotors an­ geordnet ist und die Eigenfrequenz der Gasschwingung in der Leitung zwischen der Öffnung dieses Abschnitts und dem den Brennraum abschließenden Ventil des Motors, zur Nutzung gas­ dynamischer Wechselwirkungen in Bezug auf den Ladungswechsel, auf eine bestimmte Frequenz des Ladungswechsels der jeweili­ gen Brennkammer abgestimmt ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das frei steuerbare Ventil dem Einlaßventil vorgeschaltet ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das frei steuerbare Ventil das Einlaßventil ist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13 oder 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung des Schließbereichs zumindest in ausgewählten Stellungen des Ventilkörpers am Ventilgehäuse labyrinthartige Vertiefungen vorgesehen sind.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung des Schließbe­ reichs am Ventilkörper labyrinthartige Vertiefungen vorgese­ hen sind.

28. Vorrichtung nach Anspruch 13 und einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Stirnseite der drehbaren Klappe labyrinthartige Vertiefungen aufweist.