DE19855932A1 - Vorrichtung zur Steuerung von Gaswechselventilen an einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Steuerung von Gaswechselventilen an einer Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei Einlaßventilen (9) und zwei Auslaßventilen (11) je Brennraum (3) der zu versorgenden Brennkraftmaschine, die jeweils ein axial verschiebbares Ventilglied aufweisen, das an seinem brennraumzugewandten Ende einen Ventilteller (15) aufweist und das auf seinem brennraumfernen Ende mit einer Verstelleinrichtung zur Betätigung des Gaswechselventils verbunden ist. Dabei weisen die Ventilteller (23, 25) der Einlaßventile (9) zueinander und die Ventilteller (27, 29) der Auslaßventile (11) zueinander jeweils verschiedene Durchmesser auf.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einer Vorrichtung zur Steuerung von. Gaswechselventilen an einer Brennkraftmaschine gemäß der Gattung des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aus. Eine derartige, aus der Schrift DE 32 43 013 C2 bekannte Steuerungsvorrichtung von Gaswechselventilen weist zwei Gruppen von Ventilen je Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine auf, deren Ventilglieder im Zylinderkopf der zu versorgenden Brennkraftmaschine angeordnet sind. Dabei sind bei der bekannten Vorrichtung jeweils zwei Auslaßventile und zwei Einlaßventile je Zylinderbrennraum der Brennkraftmaschine vorgesehen. Die Ventile weisen dabei jeweils ein axial verschiebbares, pilzförmiges Ventilglied auf, das an seinem brennraumzugewandten Ende einen Ventilteller aufweist, der in den Brennraum der Brennkraftmaschine ragt und an dessen zylinderkopfseitiger Fläche eine Ventildichtfläche vorgesehen ist. Mit dieser Ventildichtfläche wirken die Ventilglieder zur Steuerung eines Einlaß- oder Auslaßquerschnittes am Brennraum mit einem gehäusefesten Ventilsitz zusammen, an den sich entsprechende Zuström- oder Abströmkanäle anschließen. Auf die brennraumfernen Enden der Ventilglieder der Einlaß- bzw. Auslaßventile wirkt eine Verstelleinrichtung, die die Gaswechselventile betätigt. Diese Betätigungsstelleinrichtung kann dabei in herkömmlicher Weise als Nockenantrieb ausgebildet sein, es ist jedoch z. B. durch die Schrift DE 195 11 320 C2 auch bekannt, diese Verstelleinrichtung als elektro-hydraulische Stelleinrichtung auszubilden, mit der jedes einzelne Gaswechselventilglied unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine separat steuerbar ist. Diese separate Ventilansteuerung hat dabei den Vorteil, daß auf die übliche Drosselklappen-Regelung verzichtet werden kann, wobei der Hub und die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Gaswechselventile frei wählbar sind, so daß sich eine vollvariable Ventilsteuerung der Gaswechselventile am Verbrennungsmotor mit Hilfe dieser elektro-hydraulischen Stelleinrichtungen realisieren läßt.

Es ist dabei aus der Schrift DE 32 43 013 C2 bekannt, die Ventilteller der Einlaßventile zueinander sowie der Auslaßventile zueinander gleich groß auszubilden, wobei die einzelnen Gaswechselventile dabei durch ein Stellverfahren gemäß der Schrift DE 195 11 320 C2 unabhängig voneinander separat angesteuert werden können. Die dazu notwendige Hydraulik-Steuerströmung an den Stellvorrichtungen wird dabei durch Magnetventile gesteuert.

Dabei tritt an diesen variablen Gaswechselventilsteuerungsvorrichtungen jedoch das Problem auf, daß die Darstellung niedriger Lasten (z. B. im Leerlauf) bei einem drosselklappenfreien Betrieb der Brennkraftmaschine sehr geringe Ventilhübe der Einlaßventilglieder erfordert. Derartig geringe Ventilhubbewegungen an den Gaswechselventilgliedern sind jedoch nur mit sehr schnellen Magnetventilen zu realisieren, die dabei sehr steile Schaltflanken aufweisen.

Dabei ist es jedoch nachteilig, daß diese steilen Schaltflanken sehr hohe elektrische Leistungen erfordern, die den Energiebedarf der gesamten Ventilsteuerung erhöhen und sich somit negativ auf den Wirkungsgrad der Ventilsteuerung auswirken. Zudem werden durch die steilen Schaltflanken der Magnetventile Druckschwingungen im Hydraulikkreislauf mit sehr hohen Druckspitzen erzeugt, die eine aufwendige starke Dimensionierung der Bauteile erfordern. Desweiteren werden durch die Druckspitzen der Druckschwingungen starke Körperschallemissionen angeregt, die aufwendige Maßnahmen zur Schalldämmung erfordern.

An den Auslaß-Gaswechselventilen der bekannten Bauart tritt zudem das Problem auf, daß das Öffnen der Auslaßventilglieder gegen den Restdruck im Zylinderbrennraum der Brennkraftmaschine erfolgen muß, der dabei insbesondere mit der Last der Brennkraftmaschine ansteigt und bei aktivierter Motorbremsfunktion sehr hohe Werte annehmen kann. In Folge dessen muß der hydraulische Verstellsystemdruck an den Auslaß-Gaswechselventilgliedern so hoch sein, daß die resultierende Öffnungskraft im Steller deutlich größer ist, als die zum Zeitpunkt des Beginns des Öffnens der Auslaßventile entgegenwirkende Innendruckkraft im Brennraum auf die Ventilteller der Auslaßventilglieder. Für ein sicheres Öffnen des Auslaßventilgliedes bei großer Last und niedrigen Drehzahlen oder bei aktivierter Motorbremse wird deshalb ein deutlich höherer Hydraulikdruck benötigt, als bei niedrigen Lasten an der Brennkraftmaschine, bei denen lediglich der zur drehzahlsynchronen Steuerung des Gaswechselventiles erforderliche, wesentlich geringere Hydraulikdruck bereitgestellt werden muß. Auch diese beschriebene Tatsache erhöht noch einmal die notwendige Antriebsleistung an den Gaswechselventilgliedern der Auslaßventile, die den Wirkungsgrad der Steuervorrichtung von Gaswechselventilen noch einmal negativ beeinflußt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung von Gaswechselventilen an einer Brennkraftmaschine hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Verwendung unterschiedlich großer Ventilteller sowohl auf der Einlaß- als auch auf der Auslaßseite der Energiebedarf zur Betätigung der Ventilglieder gesenkt werden kann. Zudem kann das im Betrieb entstehende Geräusch durch das Abbauen von Druckschwingungen abgesenkt werden und die Bauteilkosten reduzieren sich durch eine günstigere Dimensionierung der einzelnen Bauteile. Dabei ist es besonders vorteilhaft, das Durchmesserverhältnis zwischen einem großen Einlaßventilgliedteller und einem kleinen Einlaßventilgliedteller größer ca. 1,5 : 1 auszubilden, so daß es möglich wird, bei niedrigen Lasten an der Brennkraftmaschine das Einlaßventil mit dem großen Ventilteller abzuschalten und die Steuerung der Frischgaszufuhr lediglich mit dem Einlaßventil mit dem kleineren Ventiltellerdurchmesser vorzunehmen, an dem dann ein deutlich größerer Ventilgliedhub erfolgen kann. Diese größere Ventilgliedhubbewegung ermöglicht dabei in vorteilhafter Weise die Verwendung von langsamer schaltenden Magnetventilen mit flacheren Schaltflanken, die den Vorteil aufweisen, daß sie einen geringeren Energiebedarf und Bauraum benötigen und zudem Schallemissionen vermeiden.

Dabei ist es zusätzlich oder alternativ auch möglich, durch eine brennraumseitige Maskierung des im Durchmesser kleineren Ventiltellers des Einlaßventils für kleine Ventilhübe eine weitere Vergrößerung des Ventilhubs für kleine Lasten zu ermöglichen.

Durch das gleichzeitige Vorsehen unterschiedlicher Ventiltellerdurchmesser der beiden Auslaßventilglieder (vorzugsweise im Durchmesserverhältnis von wenigstens 2 : 1) kann zudem der funktionell notwendige hydraulische Mindeststelldruck zum Öffnen der Auslaßventile abgesenkt werden. Dabei wird zuerst das Auslaßventil mit dem kleineren Ventilteller, an dem somit eine kleinere Gegenkraft angreift, aufgesteuert und danach bei abgesunkenem Restdruck im Inneren des Zylinderbrennraumes das zweite, den größeren Ventilteller aufweisende Auslaßventil geöffnet. Auch daraus ergibt sich wiederum eine Absenkung der notwendigen hydraulischen Antriebsleistung, was sich positiv auf den Gesamtenergiebedarf der Ventilsteuervorrichtung und somit dessen Wirkungsgrad auswirkt.

Es ist zudem bei kleinen Drehzahlen und/oder niedrigen Lasten, d. h. Betriebspunkten mit relativ kleinem Abgasgegendruck zum Zeitpunkt des Öffnens des Auslaßventils auch die ausschließliche Betätigung nur eines Auslaßventils möglich, was zu einer weiteren Reduktion der Leistungsaufnahme der Steuerungsvorrichtung führt.

Durch das Vermeiden hoher Druckspitzen infolge von Druckschwingungen im Hydraulikkreislauf kann zudem das Geräuschemissionsniveau an der Steuerungsvorrichtung deutlich abgesenkt werden.

Durch das Verwenden in der Fläche kleinerer Einlaßventile kann im Teil- und Vollastbereich der Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise eine Erhöhung der Einströmgeschwindigkeit erreicht werden, die die Gemischaufbereitung unterstützt, eine verbesserte Ladungsbewegung im Brennraum sowie eine Erhöhung des Liefergrades zur Folge hat.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung von Gaswechselventilen wird durch die wechselweise Anordnung der Einlaß- und Auslaßventile im Zylinderkopf erreicht, so daß die dort zur Verfügung stehende Fläche für die Dimensionierung der Ventilteller optimal ausgenutzt werden kann. Dabei ist es zudem besonders vorteilhaft, zwei Zündkerzen pro Brennraum vorsehen zu können, die dabei vorzugsweise in dem Wandstegbereich zwischen zwei großen und einem kleinen Ventilteller angeordnet sind.

Um die Möglichkeiten der Absenkung des Energiebedarfes mit Hilfe unterschiedlich großer Ventilteller an den Ventilgruppen optimal ausnutzen zu können, ist es zudem notwendig, die entsprechende Steuerstrategie der einzelnen Ventilbetätigungsvorrichtungen an den geringeren Hydraulikdruck und die langsameren Magnetventile anzupassen.

Die in der Beschreibung dargestellte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung von Gaswechselventilen zeigt dabei je zwei Einlaßventile und zwei Auslaßventile mit zwei Zündkerzen je Brennraum, es ist alternativ jedoch auch möglich darüber hinaus weitere Ventile vorzusehen (z. B. ein zusätzliches kleines Auslaßventil für die Motorbremsfunktion u. ä.), wobei der Gesamtöffnungsquerschnitt der Einlaßventile größer ausgebildet sein sollte als der Gesamtöffnungsquerschnitt der Auslaßventile. Desweiteren ist es möglich, anstelle der zweiten Zündkerze ein direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine mündendes Einspritzventil vorzusehen.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Steuerung von Gaswechselventilen an einer Brennkraftmaschine ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Es zeigen die Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil des Zylinderkopfgehäuses der Brennkraftmaschine im Bereich eines Zylinderbrennraumes mit zwei in diesen hineinragenden, schematisch dargestellten Gaswechselventilen und die Fig. 2 eine Ansicht von unten auf die Ventilteller der einzelnen Gaswechselventilglieder in einer vereinfachten Ansicht.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Steuerung von Gaswechselventilen an einer Brennkraftmaschine schematisch dargestellt. Dabei ist dort ein Zylinderkopfgehäuse 1 der Brennkraftmaschine im Bereich eines Zylinderbrennraumes 3 geschnitten dargestellt, an den ein Einlaßkanal 5 und ein Auslaßkanal 7 münden. In diesen Brennraum 3 ragen zwei Gruppen von Gaswechselventilen, wobei in der Fig. 1 jeweils ein Einlaßventil 9 und ein Auslaßventil 11 dargestellt sind. Darüber hinaus sind beim Ausführungsbeispiel jedoch zwei Einlaßventile 9 und zwei Auslaßventile 11 je Brennraum 3 der zu versorgenden Brennkraftmaschine vorgesehen, wobei auf deren Ausbildung und Anordnung in der Fig. 2 eingegangen wird. Die Gaswechselventile 9, 11 weisen jeweils ein axial verschiebbares Ventilglied 13 auf, das an seinem brennraumzugewandten Ende einen Ventilteller 15 aufweist. An den brennraumabgewandten Stirnflächen der Ventilteller 15 ist dabei jeweils eine Ventildichtfläche 17 vorgesehen, mit der das Ventilglied 13 zur Steuerung eines Einlaß- oder Auslaßquerschnittes an der Einmündung des Einlaßkanals 5 bzw. des Auslaßkanals 7 in den Brennraum 3 mit einem gehäusefesten Ventilsitz 19 zusammen wirkt. Mit ihren brennraumfernen Enden ragen die Einlaßventile 9 und Auslaßventile 11 mit ihrem Ventilglied 13 in eine elektro­ hydraulische Stelleinrichtung 21, die in der Zeichnung nicht näher dargestellt ist und mittels der die einzelnen Ventilglieder unabhängig voneinander separat angesteuert und betätigt werden. Dabei weist diese elektro-hydraulische Stelleinrichtung vorzugsweise einen von hydraulischen Arbeitsräumen begrenzten Stellkolben auf, der mit dem Gaswechselventilglied 13 verbunden ist und der durch das Befüllen und Entlasten der hydraulischen Arbeitsräume axial verschiebbar ist. Die Steuerung der hydraulischen Arbeitsräume erfolgt dabei über elektrische Stellventile, vorzugsweise Magnetventile, die von einem Betriebsparameter der zu versorgenden Brennkraftmaschine verarbeitenden elektrischen Steuergerät einzeln angesteuert werden. Zur Ausbildung einer derartigen elektro-hydraulischen Stelleinrichtung wird auf die Schrift DE 195 11 320 C2 verwiesen, in der eine derartige bekannte Stelleinrichtung bereits beispielhaft beschrieben ist.

Um den Energiebedarf der Stelleinrichtung 21 abzusenken und diese Stelleinrichtung mit normalschnell schaltenden Magnetventilen über einen relativ großen Hub der Ventilglieder 13 betätigen zu können, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung von Gaswechselventilen an einer Brennkraftmaschine, wie in der Fig. 2 dargestellt, unterschiedlich große Ventilteller 15 an den einzelnen Gruppen von Einlaßventilen 9 und Auslaßventilen 11 auf, dabei sind im Ausführungsbeispiel jeweils zwei Einlaßventile 9 und zwei Auslaßventile 11 je Brennraum 3 der zu versorgenden Brennkraftmaschine vorgesehen. Die Einlaßventile 9 weisen dabei an ihren Ventiltellern 15 unterschiedliche Durchmesser auf, wobei ein erster Einlaßventilteller 23 eine deutlich größere Ventiltellerfläche aufweist als ein zweiter, kleinerer Einlaßventilteller 25. Auch ein erster größerer Auslaßventilteller 27 weist eine deutlich größere Ventiltellerfläche auf als ein zweiter, kleinerer Auslaßventilteller 29. Dabei sollte das Durchmesserverhältnis der größeren Ventilteller 23, 27 zu den kleineren Ventiltellern 25, 29 vorzugsweise wenigstens 1,5 : 1 betragen.

Die einzelnen Ventilteller 23, 25, 27 und 29 wirken dabei mit jeweils entsprechend dimensionierten Ventilsitzflächen 19 zusammen, an die sich jeweils entsprechend angepaßte Kanalquerschnitte der Einlaßkanäle 5 und Auslaßkanäle 7 anschließen. Um die im Zylinderkopf 1 im Bereich des Brennraums 3 zur Verfügung stehende Fläche für die Dimensionierung der Ventilteller 15 optimal ausnutzen zu können sind die Einlaßventile 9 und Auslaßventile 11 dabei derart wechselweise angeordnet, daß sich in Umfangsrichtung zum zylindrischen Brennraum 3 jeweils ein im Durchmesser großer Ventilteller 15 einer ersten Ventilart an einen im Durchmesser kleinen Ventilteller 15 der zweiten Ventilart anschließt. Dabei ist der Gesamtquerschnitt der Einlaßventile 9 in der Summer größer ausgebildet als der Gesamtquerschnitt der Auslaßventile 11. Für eine optimale Kraftstoffzündung sind beim beschriebenen Ausführungsbeispiel zudem zwei Zündkerzen 31 in den Brennraum 3 der Brennkraftmaschine eingesetzt, wobei jeweils eine Zündkerze 31 oberhalb einer Motorlängsachse 33 und eine weitere Zündkerze 31 unterhalb dieser Längsachse angeordnet ist.

Durch das Vorsehen von Einlaß- und Auslaßventilen 9, 11 mit unterschiedlich dimensionierten Ventiltellern 15 ist es nunmehr möglich, die hydraulischen Stelleinrichtungen 21 an den einzelnen Ventilgliedern 13 so anzusteuern, daß bei niedrigen Lastzuständen an der Brennkraftmaschine lediglich das Einlaßventilglied mit dem im Durchmesser kleineren Einlaßventilglied-Ventilteller 25 betätigt wird, wobei diese Steuerung dann einen relativ großen Öffnungshub des Ventilgliedes 13 dieses Einlaßventils 9 ermöglicht. Bei höheren Lasten werden dann in gewohnter Weise beide Einlaßventile 9 betätigt. Desweiteren ist es nunmehr möglich bei sehr hohen Innendrücken im Brennraum der Brennkraftmaschine im Anschluß an die Verbrennung zunächst nur das Auslaßventil 11 mit dem im Durchmesser kleineren Auslaßventil-Ventilteller 29 zu öffnen, während die Öffnung des zweiten, im Durchmesser größeren Auslaßventil- Ventilteller 27 erst nach einem bestimmten Absinken des Innendruckes im Brennraum der Brennkraftmaschine erfolgt. Auf diese Weise lassen sich auch an den Auslaßventilen 11 die Stellkräfte bei sehr hohen Gegendrücken im Brennraum 3 gegenüber herkömmlichen Ventilen auf einfache Weise absenken.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Steuerung von Gaswechselventilen an einer Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei Einlaßventilen (9) und zwei Auslaßventilen (11) je Brennraum (3) der zu versorgenden Brennkraftmaschine, die jeweils ein axial verschiebbares Ventilglied (13) aufweisen, das an seinem brennraumzugewandten Ende einen Ventilteller (15) aufweist, an dem eine Ventildichtfläche (17) vorgesehen ist, mit der es zur Steuerung eines Einlaß- oder Auslaßquerschnittes am Brennraum (3) mit einem gehäusefesten Ventilsitz (19) zusammenwirkt und das an seinem brennraumfernen Ende mit einer Verstelleinrichtung (21) vorzugsweise einer elektro­ hydraulischen Stelleinrichtung, zur Betätigung des Gaswechselventils verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilteller (15) der Einlaßventile (9) zueinander und die Ventilteller (15) der Auslaßventile (11) zueinander jeweils verschiedene Durchmesser aufweisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchmesserverhältnis zwischen einem größeren Einlaßventilteller (23) und einem kleineren Einlaßventilteller (25) sowie zwischen einem großen Auslaßventilteller (27) und einem kleinen Auslaßventilteller (29) wenigstens 1, 5 : 1 beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtöffnungsquerschnitt der Einlaßventile (9) größer ist als der Gesamtöffnungsquerschnitt der Auslaßventile (11).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßventile (9) und Auslaßventile (11) in Bezug auf die Größe wechselweise nebeneinander in einem Zylinderkopf (1) der Brennkraftmaschine angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Zündkerzen (31) je Brennraum (3) vorgesehen sind, die vorzugsweise jeweils in einem zwischen den beiden großen Ventiltellern (23, 27) und einem kleinen Ventilteller (25 oder 29) gebildeten Wandstegbereich angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Betriebsbereich niedriger Last an der Brennkraftmaschine lediglich das Einlaßventil (9) mit dem im Durchmesser kleineren Einlaßventilteller (25) betätigt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei hohen Innendrücken im Brennraum (3) der zu versorgenden Brennkraftmaschine zunächst nur das Auslaßventil (11) mit dem im Durchmesser kleineren Auslaßventilteller (29) aufgesteuert wird, während die Öffnung des im Durchmesser größeren Auslaßventiltellers (27) erst nach einem bestimmten Absinken des Innendruckes im Brennraum (3) der Brennkraftmaschine erfolgt.