DE19604455B4

DE19604455B4 - Pneumatische Ventilsteuerung für Verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE19604455B4
Application number: DE19604455A
Authority: DE
Inventors: Ivan Kunz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-02-08
Filing date: 1996-02-08
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2016-02-09
Also published as: DE19604455A1

Abstract

Pneumatische oder hydraulische Ventilsteuerung (1) für Verbrennungskraftmaschinen,
mit einer koaxial zum Ventilschaft (6) eines Ventils (4), dessen Ventilhub durch einen Anschlag begrenzt wird, in einen Zylinderkopf eingebrachten zylindrischen Bohrung, die durch zwei druckdichte Deckel abgeschlossen wird, von denen einer (25) eine mittige Bohrung zur Durchführung des Ventilschafts (6) aufweist,
mit einem am Ende des Ventilschafts (6) angebrachten Stellteil (7), welches die zylindrische Bohrung in zwei koaxial zum Ventilschaft (6) angeordneten Arbeitsräume (12, 13) teilt,
mit mindestens je einer Druckmittelleitung (21, 22) für die Arbeitsräume (12, 13) und
mit einer Steuerungseinrichtung, die die Druckmittelleitungen (21, 22) mit der Druckmittelversorgung oder der Atmosphäre verbindet, dadurch gekennzeichnet,
dass der Ventilhub des Ventils (4) durch einen verstellbaren, koaxial zum Ventilschaft (6) angeordneten Anschlag begrenzt wird und
dass der Anschlag zur Leistungsregelung der Verbrennungskraftmaschine dient.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer pneumatischen oder hydraulischen Ventilsteuerung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bekannt sind verschiedene pneumatische oder hydraulische Ventilsteuerungen ( EP 4 38 830 A2 ; DE 41 32 891 A1 ). Der Vorteil derartiger Steuerungen liegt in der Entkopplung des Ventilantriebs von der Steuerung. Dadurch können sowohl Ventilhub als auch Öffnungszeiten des Ventils gesteuert werden und somit das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine bezüglich Emissionen von Luftschadstoffen, Wirkungsgrad, Verbrennung, Überdrehzahlen u. a. m. verbessert werden. Bei einer bekannten pneumatischen Ventilsteuerung ( DE 41 32 891 A1 ) ist das pneumatische Stellteil unmittelbar in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine integriert bzw. unmittelbar an das Ventil angeschlossen. Die Entkopplung von Ventilantrieb und Ventilsteuerung kommt dadurch zustande, dass die das Stellteil aufnehmende Kammer unmittelbar im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine ausgeformt ist, während die Steuerung des Druckmittels durch Druckmittelventile davon getrennt in den Zylinder eingebaut oder an diesen angebaut ist. Weiterhin ist bei der bekannten Ventilsteuerung ein Stellungsgeber vorgesehen, der fest mit dem Ventil bzw. dem Stellteil verbunden ist. Dieser Stellungsgeber übermittelt die Position des Ventils an einen adaptiven Regler, der die Ventilsteuerung unter Berücksichtigung dieses Signals regelt. Das Schließen des Gaswechselventils kann entweder durch eine Schraubenfeder oder einen ständig an die untere Kammer angelegten Überdruck vorgenommen werden. Das Öffnen erfolgt gegen die Kraft der Schraubenfeder oder gegen die aus dem Überdruck in der unteren Kammer resultierenden Druckkraft. Alternativ kann die Ventilsteuerung dadurch bewirkt werden, dass obere und untere Kammer im Wechsel mit Druckmittel beaufschlagt werden, während die jeweils andere Kammer über ein weiteres Ventil entlüftet wird. Die Notwendigkeit, zwei Ventile pro Arbeitsraum vorzusehen, impliziert verschiedene Nachteile.
Entweder gibt es je einen Kanal zur Druckmittelzu- und abfuhr, was zur Folge hat, dass die Querschnitte dieser Kanäle entsprechend klein ausfallen, oder es gibt einen Kanal pro Arbeitsraum, der sich zu den zwei Ventilen verzweigt, was einen vergrößerten Totraum mit sich bringt. Beide denkbaren Varianten sind mit Nachteilen bezüglich Regelverhalten und Steuergeschwindigkeit behaftet.
Darüber hinaus werden Anwendbarkeit und Leistungsfähigkeit der bekannten Ventilsteuerung durch die Zahl und vor allem der Masse der bewegten Bauteile (Ventil, Kolben, Schraubenfeder, Spannkeile und Stellungsgeber) sowie die Toträume der beiden Kammern bestimmt. Die Masse der bewegten Teile bestimmt die zur Ventilsteuerung notwendigen Kräfte und die Eigenfrequenz des Ventilantriebs. Die Toträume beeinflußen das Ansprechverhalten des Ventils nachdem die Druckmittelzufuhr in die Kammern freigegeben wurde. Diesem Umstand wurde in der bekannten Erfindung zumindest ansatzweise Rechnung getragen, indem der Totraum der unteren Kammer durch ein Füllstück verringert wird.
In der Druckschrift EP 0 399 991 A1 wird eine Vorrichtung. zur Steuerung des Hubes eines hydraulisch betätigbaren Ventils beschrieben, bei der durch einen in einem Zylinder fliegend angeordneten Einstellkolben eine stufenlose Verstellung des Ventilhubes ermöglicht wird. Der Maximalhub des Ventils ist hierbei durch einen festen Anschlag vorgegeben. Bauartbedingt bedarf es aber eines hohen konstruktiven Aufwandes.
Ebenfalls konstruktiv aufwändig ist die in der Patentschrift US 4,716,863 A beschriebene hydraulische Ventilsteuerung, bei der der Ventilhub durch einen in einem Kontrollzylinder befindlichen und veränderbaren Anschlag gesteuert wird.
Die Erfindung und ihre Vorteile
Demgegenüber hat die erfindungsgemäße Ventilsteuerung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs den Vorteil, dass der Ventilhub des Ventils durch einen verstellbaren, koaxial zum Ventilschaft angeordneten Anschlag begrenzt wird, so dass der Stellungsgeber entfallen kann und die Toträume in beiden Kammern auf ein Mindestmaß reduziert werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Ventilhub durch einen mechanischen Anschlag begrenzt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, befindet sich in der zylindrischen Bohrung zwischen dem Stellteil und dem Deckel, der eine Mittenbohrung aufweist, ein verschiebbarer Steuerkolben, der den Ventilhub beschränkt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung führt mindestens eine Druckmittelleitung in einen Regelraum, der zwischen Steuerkolben und Deckel oder zwischen Stellteil und Steuerkolben angeordnet ist, und die Füllmenge dieses Regelraums dient zur Steuerung des Ventilhubs.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Druckmittel in den Arbeitsräumen bzw. dem Regelraum gasförmig oder flüssig.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Drücke in den Arbeitsräumen bzw. dem Regelraum unterschiedlich.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die zylindrische Bohrung gestuft.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Wirkflächen des Druckmittels auf beiden Seiten des Stellteils und des Steuerkolbens jeweils unterschiedlich.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Stellteil abwechselnd von beiden Seiten mit Druck beaufschlagt und dadurch das Ventil geöffnet bzw. geschlossen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Seite des Stellteils dauernd mit Druck beaufschlagt und die andere Seite ist wechselnden Drücken ausgesetzt, wodurch das Ventil geöffnet bzw. geschlossen wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann zur Vermeidung unzulässig hoher Kräfte bei der Verzögerung des Stellteils und des Ventils durch den Steuerkolben ein Dämpfungselement auf den Steuerkolben aufgebracht werden oder ein Windkessel wird in die Druckmittelleitung, die den Regelraum versorgt, eingebaut oder die Elastizität dieser Druckmittelleitung wird geeignet gewählt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Druckmittel durch einen ringförmigen Versorgungskanal der dauernd druckbeaufschlagten Seite des Stellglieds zugeführt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Stellteil zweiteilig und in der Länge veränderbar und der Steuerkolben entfällt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Ventilhub durch einen festen Anschlag begrenzt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Steuerung des Ventils über eine hohlgebohrte Drehschieberwelle.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Steuerung des Ventils über Hubschieber.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Querschnitt des Hubschiebers rechteckig mit je einem angesetzten Halbkreis an den Schmalseiten, damit die Kanäle kurz gehalten werden können.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Hubschieber durch Magnete, Nockenwellen oder pneumatische bzw. hydraulische Einrichtungen gesteuert.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1: einen Querschnitt durch die Ventilsteuerung in geschlossenem Zustand,
2: einen Querschnitt durch die Ventilsteuerung in geöffnetem Zustand,
3: einen Querschnitt durch die Ventilsteuerung mit dem Regelraum zwischen den Arbeitsräumen in geschlossenem Zustand,
4: einen Querschnitt durch die Ventilsteuerung mit dem Regelraum zwischen den Arbeitsräumen in geöffnetem Zustand
In 1 ist ein Querschnitt durch die Ventilsteuerung 1 (siehe 3), bestehend aus Steuerung 2 (siehe 3) und Ventilantrieb 3 (siehe 3) dargestellt. In dieser Darstellung ist ein an sich bekanntes Ventil 4 in einer bekannten Ventilführung 5 geführt und ragt mit dem Ende seines Schafts 6 in die das Stellteil 7 aufnehmende Kammer 8 (siehe 3). Stellteil 7 und Ventilschaft 6 sind über bekannte Mittel wie Ventilkeile 9 und Sicherungsmutter 11 fest miteinander verbunden. Stellteil 7 und Sicherungsmutter 11 teilen die Kammer 8 in einen oberen Arbeitsraum 12 (siehe 2) und einen unteren Arbeitsraum 13. Der obere Arbeitsraum 12 (siehe 2) wird nach unten durch die ebene kreisförmige Fläche des Stellteils 7 begrenzt. Der untere Arbeitsraum 13 wird nach oben durch das Stellteil 7 und die Sicherungsmutter 11 begrenzt. Der Steuerkolben 14 weist an der Oberseite 15 (siehe 2) eine Kontur auf, die der von Stellteil 7 und Sicherungsmutter 11 entspricht. Vorzugsweise ist die von Stellteil 7 und Sicherungsmutter 11 gebildete Fläche eben. Auf dem Steuerkolben 14 kann eine Dämpfungsschicht 16 (siehe 2) aufgebracht sein, die die beim Verzögern von Ventil 4, Stellteil 7 und Sicherungsmutter 11 enstehenden Kräfte verrin gert. Dieser Zustand ist in 2 dargestellt und tritt dann ein, wenn die Öffnungsbewegung des Ventils 4 vom Steuerkolben 14 begrenzt wird.
Die Stellung des axial verschiebbaren Steuerkolbens 14 und damit auch der maximale Ventilhub hängen vom Volumen der Regelraums 17 (siehe 2) ab. Der Regelraum 17 (siehe 2) wird vorzugsweise mit einem nicht oder nur wenig kompressiblen Fluid 18 gefüllt, so dass der Steuerkolben 14 einen verschiebbaren, festen Anschlag für Stellteil 7 und Sicherungsmutter 11 darstellt.
In den 1 und 2 ist erkennbar, dass der Durchmesser von Stellteil 7 und Steuerkolben 14 unterschiedlich sein kann. Dies wird durch eine besondere Ausbildung der Kammer 8 (siehe 3) beispielsweise durch einen Absatz 19 erreicht. Dieser Absatz 19 kann als Anschlag für den Steuerkolben 14 dienen und den minimalen Ventilhub festlegen. In analoger Weise kann der maximale Ventilhub durch den Deckel 25 begrenzt werden, wodurch ein Schutz des Ventils 4 vor Beschädigungen durch den Kolben der Verbrennungskraftmaschine auch bei Ausfall der Ventilsteuerung 1 (siehe 3) gewährleistet ist. Zur Verringerung der erforderlichen Bauhöhe für den Ventilantrieb 3 (siehe 3) können Stellteil 7, Sicherungsmutter 11 und Steuerkolben 14 kürzer ausgeführt werden als in 1 und 2 dargestellt. Insbesondere kann der Steuerkolben 14 (siehe 1) die in 3 dargestellte Bauform haben. In 3 und 4 ist eine andere Bauform des Ventilantriebs 3 dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist die Lage von Regelraum 17 und unterem Arbeitsraum 13 vertauscht. Dadurch ergeben sich geringfügig höhere bewegte Massen, da das im Regelraum 17 befindliche Fluid 18 (siehe 1) mitbeschleunigt bzw. -verzögert wird. Allerdings er geben sich zusätzliche Freiheitsgrade bei der Druckmittelzufuhr und ein möglicherweise geändertes Verhalten der Ventilhubbegrenzung, da in dem Augenblick in dem das Stellteil 7 und die Sicherungsmutter 11 (siehe 1) auf den Steuerkolben 14 (siehe 1) treffen, keine Verbindung zwischen Regelraum 17 und der Durckmittelleitung 23 des Fluids 18 besteht. Bei dieser Ausführungsform ist die Dämpfungsschicht 16 an der Unterseite des Steuerkolbens 14 (siehe 1) angebracht.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

1: Ventilsteuerung
2: Steuerung
3: Ventilantrieb
4: Ventil
5: Ventilführung
6: Ventilschaft
7: Stellteil
8: Kammer
9: Ventilkeile
10
11: Sicherungsmutter
12: Obere Arbeitsraum
13: Untere Arbeitsraum
14: Steuerkolben
15: Steuerkolben Oberseite
16: Dämpfungsschicht
17: Regelraum
18: Fluid
19: Absatz
20
21: Druckmittelleitung in den oberen Arbeitsraum
22: Druckmittelleitung in den unteren Arbeitsraum
23: Druckmittelleitung des Fluids (18)
24: Steuerkolben Unterseite
25: Druckdichter Deckel
26: Drehschieberwelle

Claims

Pneumatische oder hydraulische Ventilsteuerung (1) für Verbrennungskraftmaschinen, mit einer koaxial zum Ventilschaft (6) eines Ventils (4), dessen Ventilhub durch einen Anschlag begrenzt wird, in einen Zylinderkopf eingebrachten zylindrischen Bohrung, die durch zwei druckdichte Deckel abgeschlossen wird, von denen einer (25) eine mittige Bohrung zur Durchführung des Ventilschafts (6) aufweist, mit einem am Ende des Ventilschafts (6) angebrachten Stellteil (7), welches die zylindrische Bohrung in zwei koaxial zum Ventilschaft (6) angeordneten Arbeitsräume (12, 13) teilt, mit mindestens je einer Druckmittelleitung (21, 22) für die Arbeitsräume (12, 13) und mit einer Steuerungseinrichtung, die die Druckmittelleitungen (21, 22) mit der Druckmittelversorgung oder der Atmosphäre verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilhub des Ventils (4) durch einen verstellbaren, koaxial zum Ventilschaft (6) angeordneten Anschlag begrenzt wird und dass der Anschlag zur Leistungsregelung der Verbrennungskraftmaschine dient.
Vorrichtung, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilhub durch einen mechanischen Anschlag begrenzt wird.
Vorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der zylindrischen Bohrung (8) zwischen dem Stellteil (7) und dem Deckel (25), der eine Mittenbohrung aufweist, ein verschiebbarer Steuerkolben (14) befindet, der den Ventilhub beschränkt.
Vorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Druckmittelleitung (23) in einen Regelraum (17), der zwischen Steuerkolben (14) und Deckel (25) oder zwischen Stellteil (7) und Steuerkolben (14) angeordnet ist, führt und dass die Füllmenge dieses Regelraums (17) zur Steuerung des Ventilhubs dient.
Vorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmittel in den Arbeitsräumen (12, 13) bzw. dem Regelraum (17) gasförmig oder flüssig ist.
Vorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drücke in den Arbeitsräumen (12, 13) bzw. dem Regelraum (17) unterschiedlich sind.
Vorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Bohrung (8) gestuft ist.
Vorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkflächen des Druckmittels auf beiden Seiten des Stellteils (7) und dem Steuerkolben (14) jeweils unterschiedlich sind.
Vorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellteil (7) abwechselnd von beiden Seiten mit Druck beaufschlagt wird und dadurch das Ventil (4) geöffnet bzw. geschlossen wird.
Vorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Seite des Stellteils (7) dauernd mit Druck beaufschlagt wird und die andere Seite wechselnden Drücken ausgesetzt ist, wodurch das Ventil (4) geöffnet bzw. geschlossen wird.
Vorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung unzulässig hoher Kräfte bei der Verzögerung des Stellteils (7) und des Ventils (4) durch den Steuerkolben (14) ein Dämpfungselement auf den Steuerkolben (14) aufgebracht werden kann oder ein Windkessel in die Druckmittelleitung (23), die den Regelraum (17) versorgt, eingebaut wird oder die Elastizität dieser Druckmittelleitung (23) geeignet gewählt wird.
Vorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmittel durch einen ringförmigen Versorgungskanal der dauernd druckbeaufschlagten Seite des Stellteils (7) zugeführt wird.
Vorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellteil (7) zweiteilig und in der Länge veränderbar ist und der Steuerkolben (14) entfällt.
Vorrichtung, nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilhub durch einen festen Anschlag begrenzt wird.
Vorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Ventils über eine Drehschieberwelle (26) erfolgt.
Vorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Ventils über Hubschieber erfolgt.
Vorrichtung, nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Hubschiebers rechteckig mit je einem angesetzten Halbkreis an den Schmalseiten ist, damit die Kanäle kurz gehalten werden können.
Vorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubschieber durch Magnete, Nockenwellen oder pneumatische bzw. hydraulische Einrichtungen gesteuert wird.