DE19935296A1

DE19935296A1 - Gaswechselventile für ventilgesteuerte Hubkolben- Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE19935296A1
Application number: DE19935296A
Authority: DE
Inventors: Ernst Pfleiderer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-07-27
Filing date: 1999-07-27
Publication date: 2000-04-20

Abstract

Bei derzeitig bekannten Ventilkonstruktionen öffnen die im Zylinderkopf hängenden Ventile zum Brennraum hin. Sie stehen bei vollem Ventilhub in einem Bereich, der auch vom Hubkolben im oberen Totpunkt erreicht wird. Während der Auslass- und Spülphase stehen sie mitten im Gasstrom und werden vom Abgas aufgeheizt. Hochwertige teure Ventilwerkstoffe sind deshalb erforderlich. Fehler oder Schäden im Ventilantrieb oder an den Ventilen führen zu einem Zusammenstoß der Ventile mit dem Hubkolben. Die neue Ventilkonstruktion soll die Ventilfertigung verbilligen, die Betriebssicherheit erhöhen und den Maschinen-Gesamtwirkungsgrad verbessern. DOLLAR A Die Gaswechselventile werden beim Öffnen in den Bereich des Zylinderkopfes zurückgezogen und liegen bei vollem Ventilhub mit einem rückwärtigen Sitz an einer gekühlten Fläche des Zylinderkopfes bzw. an einem Ventilträger an. Die Ventile werden während der Spülphase gekühlt und stehen nicht mitten im Gasstrom. Eine Berührung mit dem Hubkolben ist ausgeschlossen. Ein gebrochenes Ventil kann nicht in den Brennraum fallen, da der Ventiltellerdurchmesser größer ist als die Ventilöffnung. DOLLAR A Die neue Ventilkonstruktion ist bei allen ventilgesteuerten Hubkolben-Brennkraftmaschinen anwendbar.

Description

Die Erfindung betrifft Ventile zur Steuerung des Gaswechsels in Hubkolben- Brennkraftmaschinen (Einlass-Auslass).

Bei derzeitig ausgeführten Ventilkonstruktionen öffnen sich die im Zylinderkopf hängenden Ventile (10) zum Brennraum hin (Fig. 1).

Bei vollem Ventilhub stehen die Ventilteller in einem Bereich, der auch vom Kolben (11) in der obersten Stellung (OT) erreicht wird. Um eine Berührung der Ventilteller mit dem Kolben zu ver meiden, dürfen die Ventile in der oberen Kolbenstellung (OT-Spülung) nur teilweise geöffnet sein. Das Auslassventil muss sich bereits im Schliessvorgang befinden, während das Einlassventil noch nicht voll geöffnet sein darf. Außerdem stehen die Ventile während der Spülphase mitten im Gasstrom.

Im Folgenden werden die Nachteile der heutigen Ventilkonstruktionen in den Abschnitten I bis III beschrieben.

I. Thermische Belastung der Ventile
II. Mechanische Belastung der Ventile und deren Antrieb
III. Betriebssicherheit, Schäden und Folgen

I. Thermische Belastung

1. Die Ventile stehen während der Auslass- und Spülphase mitten im Gasstrom. Das Auslassven til wird während der Auslassphase allseitig vom heißen Abgas (ca. 800°) umspült. Das erfordert hochwarmfeste und sehr teure Ventilwerkstoffe und eine aufwendige Fertigung (z. B. Sitzpanze rung).

Im Spül-OT sind beide Ventile teilweise geöffnet und die Ventilteller stehen nahe am Kol benoberteil (Fig. 5.) d. h. die Ventilteller sind für den Spülvorgang ein störendes Bauteil und behindern eine vollkommene Abgasausspülung, was zu einer nicht vollständigen Frischluft- bzw. Frischgasfüllung führt. Außerdem verhindern die dem Kolbenoberteil nahestehenden Ventilteller eine gleichmäßige Wärmeabfuhr von der Kolbenoberfläche, da die Ventiltellerflä chen die Kolbenoberfläche teilweise abdecken.

II. Mechanische Belastung der Ventile und deren Antrieb

Um einen hohen Wirkungsgrad bei o. g. Brennkraftmaschinen zu erreichen, ist es u. a. erfor derlich, dass die Gaswechselventile sehr schnell öffnen, d. h. die Zeitdauer vom Öffnungsbe ginn bis zum vollen Ventilhub muss möglichst klein sein, damit für die Gasströme möglichst lange der volle Ventilquerschnitt vorhanden ist und somit die Strömungsverluste gering sind. Ein schnelles Öffnen heißt aber: Es ist eine hohe Beschleunigung der Ventile erforderlich, was wiederum hohe Kräfte an der Nocke und dadurch auch hohe Spitzenmomente am Noc kenwellenantrieb zur Folge hat!

Am Beispiel Auslassventil wirken hier folgende Kräfte:

1. Das A Ventil öffnet deutlich vor dem unteren Kolbentotpunkt, d. h. im Brennraum herrscht noch ein Druck von ca. 10 bis 15 bar (je nach Aufladegrad) und gegen diesen Druck muss das Ventil geöffnet werden. Die Öffnungskraft errechnet sich wie folgt:
P av = Ventiltellerfläche × Brennraumdruck
2. Öffnen gegen die Ventilfederkraft:
P feder = Federkraft
3. Öffnen gegen dis Massen des gesamten Ventilantriebes
- - Masse des Ventiles, Federmasse und Stoßstange
- - Masse der Kipphebel usw.
  P masse = Gesamtmasse × Beschleunigung
  Summe der Kräfte am Auslassventil:
  P sum = P av + P feder + P masse

Diese Kräfte wirken zwar nur kurzzeitig während der Öffnungsphase, sie betragen aber ein mehrfaches des mittleren Nockenwellendrehmomentes. Hinzu kommt noch durch die stoß weise Belastung eine dynamische Überhöhung an der Nockenwelle. Trotz dieser nur kurzzei tigen Belastung muss aber der gesamte Nockenwellenantrieb auf diese maximale Belastung ausgelegt werden, um Langzeitschäden zu vermeiden, d. h. hohe Kosten der Antriebsele mente!

III. Betriebssicherheit, Schäden und Folgen

Bei schnelllaufenden Hochleistungsmotoren sind in der Regel große Ventilüberschneidungen und hohe Kompressionsverhältnisse erforderlich. Um ein hohes K-Verhältnis zu verwirkli chen, muss im oberen Totpunkt (OT) der Abstand zwischen Kolbenoberkante und Zylinder kopfunterkante entsprechend klein sein, insbesondere bei sehr kurzhubigen Motoren (maß "z" in Fig. 5).

Dieser kleine Abstand begrenzt den Ventilhub im "Spül-OT". Eine große Ventilüberschneidung ist aber nur dann wirkungsvoll, wenn auch zugleich entsprechend große Ventilöffnungsquerschnitte vorhanden sind. Bei einem konstruktiv vorgegebenen Ventildurchmesser kann ein großer Quer schnitt nur durch einen entsprechend großen Ventilhub verwirklicht werden. Um eine Berührung der Ventile mit dem Kolben zu vermeiden, sind in der Regel sog. Ventiltaschen im Kolben erfor derlich. Das bedeutet aber eine Verschlechterung der Brennraumform durch die Unregelmäßig keiten an der Kolbenoberfläche und eine Verminderung des Kompressionsverhältnisses durch die Vergrösserung des Verdichtungsraumes.

Zusammenfassend kann folgendes festgestellt werden:
Die Forderung eines hohen Kompressions- bzw. Verdichtungsverhältnisses bei gleichzeitig großer Ventilüberschneidung und verlustarmer Spülung in OT-Spülung kann nur (begrenzt) erreicht wer den, wenn der Sicherheitsabstand zwischen den teilweise geöffneten Ventilen und der Kol benoberseite möglichst klein ist. Das hat zur Folge, dass die Zuordnung Kurbelwinkel zu Nocken winkel nur eine kleine Toleranz zulässt (siehe Fig. 5).

Nachteile

Durch verschleißbedingte Abnützung bzw. Schäden an den Übertragungselementen zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle (Zahnriemen, Kette, Zahnräder) verändert sich die Winkelzuord nung zwischen "KW" und "NW". Die Folge ist, dass der Kolben in OT-Spülung auf die Ventile auf schlägt und damit große Schäden am Kurbel- und Nockenantrieb sowie an den angrenzenden Brennraumteilen verursacht werden. Im Extremfall sind Totalschäden des gesamten Motors nicht auszuschließen.

Ähnliche Schäden können auch durch folgende Ursachen entstehen:

1. Ventilfeder erlahmt

Ventil wird nicht schnell genug zurückgezogen - Kolben schlägt auf die Ventile!

2. Ventilfeder oder Ventilteller bricht

Ventil fällt in den Brennraum - Kolben wird zerschlagen!

Beschreibung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Gaswechselventile darzustellen, die die eingangs er wähnten Nachteile der zur Zeit üblichen Ventilkonstruktionen vermeidet, den Wirkungsgrad des Ladungswechsels und somit auch den Gesamtwirkungsgrad des Motors verbessert, die thermi sche Belastung der Ventile vermindert und die Betriebssicherheit erhöht.

Die erfindungsmäßige Lösung wird im Folgenden beschrieben.

Lösung der Aufgabe

Die Gaswechselventile 20, 21 (in Fig. 2, 3, 4) öffnen nicht wie bisher üblich zum Brennraum hin, sondern werden beim Öffnungsvorgang aus dem Brennraum in den Bereich des Zylinderkopfes zurückgezogen (Fig. 2).

Die Steuerung der Ventile erfolgt durch eine Negativnocke (Fig. 2 u. 6), d. h. im Nockental sind die Ventile geöffnet, der Nockenberg schliesst die Ventile - also umgekehrt zur üblichen Nocken form.

Im geschlossenen Zustand der Ventile werden sie vorerst mit einer geringen Kraft auf den Ventil sitz gedrückt. Die Einstellung erfolgt am Punkt "D" (Fig. 6) der Nocke über das Gewindedruck stück (1) - (Fig. 3). An diesem Punkt "D" herrscht im Brennraum nur ein geringer Druck (Lade druck). Sobald die Kompressionsphase beginnt, der Kolben sich also nach oben bewegt, beginnt an der Nocke am Punkt "A" ein Überhub. Dieser Überhub wächst stetig bis auf ein Maximum am Punkt "B" und nimmt dann wieder stetig ab bis zum Punkt "C". Der Punkt "B" an der Nocke ent spricht der oberen Kolbenstellung (= OT-Zündung). In diesem Bereich herrscht der höchste Brennraumdruck und deshalb müssen hier die Ventile die höchste Anpresskraft erhalten. Da am Punkt "D", wie bereits oben erwähnt, die Ventile schon geschlossen sind, muss der Über hub durch Federelemente aufgenommen werden. Diese Federelemente (2)in Fig. 3 können zum Beispiel am oberen Ende des Ventilschaftes sitzen und können aus Tellerfedern bestehen. Die Grösse des Überhubes (Maß x in Fig. 6) und die Stärke der Federelemente sind dem maxima len Brennraumdruck, gegen den die Ventile zugehalten werden müssen, anzupassen.

Der Verlauf des Überhubes am Umfang der Nocke (A-B-C) entspricht dem Verdichtungs- und Brennraumdruckverlauf.

Der Überhub (Maß x) ist "klein" gegenüber dem Gesamthub (H) in (Fig. 6). Der Anstieg und Abfall des Überhubes erstreckt sich über einen großen Nockenwellenwinkelbereich. Die Umfangs kraft an der Nocke beträgt je nach Ausführung, Rolle oder Gleitkufe nur 5 bis 15% der erforderli chen Anpresskraft (Reibungsanteil). Somit wird der Nockenwellenantrieb nicht ruckartig belastet.

Im geschlossenen Zustand der Ventile (Fig. 2) ist die Kipphebelanordnung vorteilhaft so ausge legt, dass die Achse Kipphebeldrehpunkt (M) zum Druckstückmittelpunkt (DM) mit der Ventil schaft-Längsachse einen 90°-Winkel bildet. Somit ist gewährleistet, dass während der Dauer der hohen Anpresskraft keine Seitenkräfte auf den Ventilschaft wirken. Eine Biegebeanspruchung des Schaftes ist damit ausgeschlossen. Der Schaftdurchmesser kann damit entsprechend klein aus geführt werden (kleine Ventilmassen).

Im geöffneten Zustand liegen die Ventile mit ihrem rückwärtigen Sitz 3 - (Fig. 4) am gekühlten Ventileinsatz 4 an. Die einfallende Wärme durch den heißen Abgasstrom während der Spülphase wird hiermit über den Ventileinsatz 4 abgeführt. Das gilt besonders für das Auslassventil. Es steht nicht wie bisher üblich mitten im Abgasstrom und kann deshalb aus einfach legierten Werkstoffen gefertigt werden. Eine zusätzliche Sitzpanzerung ist in den meisten Fällen nicht mehr erforderlich, was wiederum die Ventilfertigung deutlich vereinfacht. Außerdem werden die Strömungswider stände für die Gasströme verbessert, da die zurückgezogenen Ventile den vollen Querschnitt der Öffnungen freigeben. Das hat außerdem einen positiven Einfluss auf den Wirkungsgrad des La dungswechsels.

Öffnen der Ventile

Das Öffnen der Ventile (bei der erfindungsmäßigen Lösung) erfolgt ahne äusseren Kraftaufwand seitens der Nockenwelle im Gegensatz zu den bisherigen Ausführungen (siehe Abschnitt II). So bald die Negativnocke am Punkt "D" (Fig. 6) das Auslassventil freigibt, wird es durch den vor handenen Brennraumdruck von selbst geöffnet. Die Öffnungsgeschwindigkeit kann beliebig groß gewählt werden und hängt nur von der konkaven Form des Öffnungsbereiches (Fig. 6) an der Nocke ab. Die Ventilfederkraft kann klein gewählt werden, da die Ventilfeder 5 nur dazu erforder lich ist, das Ventil während der gesamten Öffnungsphase offenzuhalten und den Kontakt zur Noc kenbahn aufrechtzuerhalten (wenn der Brennraumdruck abgesunken ist).

Im Öffnungszeitpunkt des Einlassventiles ist der Druck im Brennraum und im Ansaugkanal annä hernd gleich. Das Öffnen des Einlassventiles wird hier durch die vorgespannte Ventilfeder 6 be wirkt, sobald auch hier - wie beim A-Ventil - die Negativnocke am Punkt "D" (Fig. 6) das E-Ventil freigibt. Die Öffnungsgeschwindigkeit kann durch eine entsprechend große Federkraft und durch die konkave Form an der Nocke im Öffnungsbereich (Fig. 6) beliebig groß gewählt werden. Eine äussere Kraft über den Nockenantrieb ist auch hier nicht erforderlich.

Durch eine hohe Öffnungsgeschwindigkeit werden (wie bekannt) folgende Vorteile erreicht:

1. Der Restdruck im Brennraum zum Zeitpunkt "Auslass öffnet" kann ohne zusätzliche Aus schubkraft des Kolbens und ohne großen Strömungsverlust durch den schnell geöffneten vol len Ventilquerschnitt entweichen. Außerdem erhält bei "aufgeladenen" Motoren der Turbolader den vollen Abgasimpuls. Das führt zu einer Verbesserung des Laderwirkungsgrades und da mit auch zu einer Verminderung des Kraftstoffverbrauches.
2. Ein schnelles Öffnen hat auch zur Folge, dass das Auslassventil nur kurzzeitig im heißen Ab gasstrom steht und die eingefallene Wärme sofort wieder über die rückwärtige Sitzanlage am Ventileinsatz 4 (Fig. 4) abfließen kann.
3. Einlassseitig wirkt ein schnelles Öffnen derart, dass die Restspülung in "OT-Spülung" verbes sert wird und bereits am Beginn des Saughubes der volle Ventilquerschnitt vorhanden ist. Somit kann die volle Strömungsenergie der Frischluft (bzw. Frischgas) ohne Drosselverlust zur Neufüllung des Hubraumes genutzt werden. Außerdem steht das (erfindungsmäßig) zu rückgezogene Ventil nicht als störendes Bauteil mitten im Frischgasstrom. Die Strömungsver luste werden somit auch hier vermindert.

Schließen der Ventile

Die Schließgeschwindigkeit kann deutlich kleiner sein als die Öffnungsgeschwindigkeit, und zwar aus folgenden Gründen:
1. Das Schließen des Auslassventiles erfolgt im Bereich des oberen Totpunktes. Hier ist die Kolbengeschwindigkeit klein bzw. "Null" und damit ist auch die Ausschubgeschwindigkeit sei tens des Kolbens gleich Null, d. h.: dis Ausschubarbeit ist bereits beendet und damit isi hier der volle Ventilquerschnitt über einen großen Nockenwellenwinkelbereich nicht erforderlich. Der Schließvorgang kann somit ohne große Beschleunigung erfolgen und sich demnach über einen größeren Nockenwinkel erstrecken. Die Schließkräfte sind deshalb - auch im Zusam menhang mit der hier erforderlichen kleinen Federkraft - verhältnismäßig gering.
Das Schließen des Einlassventiles erfolgt im Bereich des unteren Totpunktes. Auch hier ist die Kolbengeschwindigkeit klein bzw. "Null" und damit ist auch die Saugwirkung des Kolbens gleich "Null". Hier gilt wie beim Auslassventil: Das Schließen des Einlassventiles kann auch hier sanft erfolgen.
(Ein sanftes Schließen kann z. B. durch eine konvexe Nockenform (Fig. 6) über einen größe ren Nockenwinkel erreicht werden.)
Die Schließkräfte und Nockenwellenmomente können klein gehalten werden, ruckartige Bela stungen am Nockenwellenantrieb treten damit nicht auf.

Nachfolgend werden die Vorteile der erfindungsmäßigen Lösung in den Abschnitten Ia bis IIIa zusammenfassend beschrieben, verglichen mit den eingangs beschriebenen Nachteilen in den Abschnitten I bis III der derzeitig ausgeführten Ventilkonstruktionen.

Ia Thermische Belastung

Während der Öffnungsphase sind die Ventile in den Zylinderkopfbereich zurückgezogen.
Vorteile

1. Die Ventile werden vom Abgasstrom nicht aufgeheizt, sondern durch die rückwärtige Sitzanlage gekühlt.
2. Einfache und billigere Ventilwerkstoffe können eingesetzt werden, eine Sitzpanzerung ist nicht erforderlich und die Fertigung wird vereinfacht und verbilligt.
3. Die Ventile stehen als störendes Bauteil nicht mitten in den Gasströmen, geben den vol len Öffnungsquerschnitt frei, verbessern somit die Strömungswiderstände, den Ladungs wechsel und somit den Gesamtwirkungsgrad des Motors.
4. in OT-Spülung kann (während der Ventilüberschneidungsphase) die Frischluft (Frisch gas) ungehindert den Brennraum durchfluten und somit die Wärme gleichmäßig von der Kolbenoberfläche abführen.

IIa Mechanische Belastung der Ventile und deren Antrieb

Durch die erfindungsmäßige Anordnung der Ventile öffnen sie einerseits durch den Brenn raum-Innendruck (Auslass), andererseits durch die vorgespannte Ventilfeder (Einlass) von selbst, sobald die Negativnocken die Ventile freigeben.
Vorteile

1. Ohne äußeren Kraftaufwand über die Nockenwelle ist ein beliebig schnelles Öffnen der Ventile möglich.
2. Die Kräftesumme am Auslassventil der bisherigen Ventilkonstruktionen (siehe II 1-3) entfallen.
3. Ruck- und stoßartige Belastungen am Nockenwellenantrieb werden deutlich vermindert, der Drehmomentverlauf an der Nockenwelle ist gleichmäßiger und der Antrieb ruhiger. 4. Die Abmessungen der Antriebselemente können verkleinert werden = Kosteneinsparung. 5. Der Leistungsbedarf des Nockenwellenantriebes wird vermindert. Der Gesamtwirkungs grad und damit auch der Kraftstoffverbrauch wird verbessert.

IIIa Betriebssicherheit, Schäden und Folgen

Durch die erfindungsmäßige Lösung der Ventilanordnung tauchen die Ventile beim Öffnungs vorgang nicht in den vom Kolben beherrschten Brennraum hinein.
Vorteile:
(siehe Fig. 7)

1. Ventilüberschneidungen und die Ventilzeitquerschnitte können beliebig groß gewählt werden.
2. Die Steuerzeiten im Bereich "Spül-OT" können beliebig gewählt und während des Betrie bes nach Bedarf verändert werden, ohne dass die Ventile mit dem Kolben in Berührung kommen.
3. Die Ventilhübe können optimal groß gewählt werden.
4. Kompressionsverhältnisse sind nicht begrenzt. Der Kolben kann sich beliebig der Zylin derkopfunterkante nähern.
5. Ventiltaschen an der Kolbenoberfläche sind nicht erforderlich, die Brennraumform kann optimal gestaltet werden.
6. Schäden an den Ventilen und deren Antrieb verursachen keine Folgeschäden am Ge samtmotor. Gebrochene Ventile können nicht in den Brennraum fallen, da der Ventiltel lerdurchmesser größer ist als der Öffnungsdurchmesser.
7. Fehler in der Winkelzuordnung Kurbelwelle - Nockenwelle verursachen ebenfalls keine Folgeschäden, selbst wenn die Nockenwelle total zum Stillstand kommt (durch Bruch im Antrieb), da, wie bereits oben erwähnt, die Ventile nicht in den Kolbenbereich kommen.

In der bisherigen Beschreibung der erfindungsmäßigen Ventilanordnung werden die Ventile über eine Nockenwelle mechanisch betätigt. Selbstverständlich kann die Ventilbetätigung auch mittels hydraulischen oder elektrischen Vorrichtungen erfolgen. Die Vorteile der erfindungsmäßigen Lö sung kommen auch hier voll zum Tragen. Ein besonderer Vorteil ergibt sich bei einer hydrauli schen oder elektrischen Betätigung dadurch, dass die Hubverläufe der Ventile während der Überschnei dungsphase im Hinblick auf den Kolbenhubverlauf nicht beachtet werden müssen. Eine Zwangs steuerung, wie bei den bisherigen Ventilkonstruktionen ist nicht erforderlich, da, wie bereits er wähnt, durch das Zurückziehen der Ventile während des Öffnens diese nicht in den Kolbenwegbe reich kommen. Die Ventile können somit bei einer nicht mechanischen Betätigung durch beliebige Rechtecksignale angesteuert werden.

Erfindungsmeldung Zeichnungen zur Erfindungsmeldung

Fig. 1 Ventile herkömmlicher Ausführung (schräg oder gerade)

Fig. 2 Ventile nach erfindungsmäßiger Ausführung - Kolben und Ventile in Stellung" OT-Zündung "(OT = oberer Totpunkt" "Kolben")

Fig. 3 Ventile nach erfindungsmäßiger Ausführung - Kolben und Ventile in Stellung "OT-Spülung"

Fig. 4 Ventile nach erfndungsmäßiger Ausführung - ein Ventil geöffnet, ein Ventil Geschlossen

Fig. 5 Ventile herkömmlicher Ausführung - Ventilerhebungskurven zum Kolbenhubverlauf Gestrichelte Ventilteller = teilweise geöffnet

Fig. 6 Ventilnocken nach erfindungsmäßiger Ausführung (Einlaß/Auslaß)

Fig. 7 Ventile nach erfindungsmäßiger Ausführung - Kolbenstellung in OT-Spülung, beide Ventile ganz geöffnet Ventilerhebungskurven zum Kolbenhubverlauf

Fig. 8 Kanalführung - Schnitt durch Fig. 4

Fig. 9 Ventile nach erfindungsmäßiger Ausführung - als Beispiel senkrecht stehender Ventile

Claims

1. Gaswechselventile für ventilgesteuerte Hubkolben-Brennkraftmaschinen, dadurch gekenn zeichnet, dass die Gaswechselventile während der Öffnungsphase nicht in den vom Hubkol ben bestrichenen Brennraumbereich eintauchen, sondern in den Zylinderkopfbereich zurück gezogen werden.

2. Gaswechselventile nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile im geöffneten Zustand mit einer dem eigentlichen Dichtsitz gegenüberliegenden zweiten Dichtfläche an ei nem entsprechenden Teil des Zylinderkopfes zur Wärmeableitung anliegen.

3. Gaswechselventile nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Ventil und Ven tilbetätigung ein elastisches Glied eingebaut ist, das einen Überhub aufnehmen kann.