DE3607798A1 - Ventilanordnung - Google Patents
VentilanordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Ventil mit Ventilschaft und
Ventilteller sowie gegebenenfalls Ventilfeder, insbe
sondere für Brennkraftmaschinen zur Steuerung zugeordneter
Nebenkammern oder Kanäle.
Die herkömmlichen Tellerventile besitzen einen kreis
förmigen Teller, dessen Ebene zum Ventilschaft einen
rechten Winkel bildet; im geschlossenen Zustand liegt
der Ventilteller auf einem kegelstumpfförmigen Sitz auf.
In der Öffnungsphase ergibt sich bei dieser VentiIkonzeption
infolge des ringförmigen Öffnungsspaltes ein hoher
Strömungswiderstand.
Aufgabe der Erfindung ist es sowohl den Strömungswider
stand bei Ventilöffnung bei Ein- und Auslaßkanälen, wie
auch bei Nebenkammern zu vermindern und auch eine Zu-
und Absteuerung von Nebenkammern zur Darstellung eines
variablen geometrischen Verdichtungsverhältnisses in
einfacher Weise zu ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich das Ventil
nach dem Oberbegriff des Anspruch 1, durch einen nicht
kreisförmigen, vorzugsweise elliptischen Ventilteller,
dessen Tellerebene einerseits einen spitzen Winkel,
insbesondere unter 30°-60° zum Ventilschaft bildet und
welcher oszillierend und/oder drehend im Ventilsitz
einmündenden Nebenkammern oder Kanälen zur Zu- und Ab
steuerung dient.
Dabei dient als Ventilsitz vorzugsweise die Innenwand
eines Kegelstumpfs in welchem der Ventilteller als
schräger Kegelschnitt, zentrisch oder exzentrisch zum
Ventilschaft liegt. Hierbei ergibt sich nur bei der
oszillierenden Bewegung der bekannte Strömungswiderstand,
während in der Drehphase einer Teilkreisdrehung eine
Kammer- oder Kanalöffnung im kegelstumpfförmigen Ventil
sitz querschnittsfrei zu- oder abgesteuert werden kann.
Nach der Rückdrehung sitzt der Ventilteller wiederum auf
seinem Sitz auf; hieraus resultiert ein breites Einsatz
spektrum . So kann beispielsweise mit dem erfindungs
gemäßen Ventil eine stufenweise Veränderung des geo
metrischen Verdichtungsverhältnisses bei volumenver
änderlichen Brennkraftmaschinen realisiert werden.
Die Veränderung des Verdichtungsverhältnisses wird dadurch
ermöglicht, daß dem Ventil eine Nebenkammer zugeordnet
ist, welche in den Sitz des Ventils mündet. Bei Teillast
einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine - Ottomotor -
wird durch Drehen des Ventils die Nebenkammer abgesteuert,
wodurch sich das geometrische Verdichtungsverhältnis er
höht. Bei zunehmendem Füllungsgrad wird die Nebenkammer
durch Drehen des Ventils zugesteuert, so daß das reduzierte
geometrische Verdichtungsverhältnis eine klopfende Ver
brennung verhindert. Die Notwendigkeit des Zu- oder Ab
steuerns der Nebenkammer wird beispielsweise durch Drossel
klappenstellung oder Klopfbeginn angezeigt, sensorisch
aufgenommen und in einem Rechner mit weiteren geeigneten
Sensordaten verarbeitet. Die Teilkreisdrehung des Ventils
erfolgt dann mit Hilfe eines rechnergesteuerten Stell
werks.
Bei der vorgeschlagenen Bauweise werden in der Arbeits
phase die Gaskräfte über den Ventilteller und den Ventil
sitz direkt in den Zylinderkopf eingeleitet. Das Stell
werk bleibt unbeaufschlagt. Ein Verkoken funktionswichtiger
Dichtflächen wird verhindert, da das Ventil durch Oszillieren
und gesteuertes Drehen die Dichtflächen freihält.
Neben der oben beschriebenen Bauweise kann das erfindungs
gemäße Ventil mit zugeordneter Nebenkammer auch zur
prozeßgerechten Verdichtungsreduzierung oder Verdichtungs
erhöhung bei selbstzündenden, insbesondere hochaufge
ladenen Brennkraftmaschinen - Dieselmotoren - verwendet
werden. Das Zu- und Absteuern der Nebenkammer erfolgt
hierbei beispielsweise druck- oder mengengeregelt.
Die beschriebenen Bauweisen ermöglichen eine optimierte
Prozeßführung im Hinblick auf Wirkungsgrad und Abgas
verhalten. Der Einsatzbereich des erfindungsgemäßen
Ventils geht über den Rahmen der Brennkraftmaschinen hinaus.
Verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ventils
sind als bevorzugte Ausführungsbeispiele in der Zeichnung
dargestellt und zwar zeigen:
Fig. 1 die schematische Darstellung eines Ventils mit
Ventilschaft und -Teller im Ventilsitz des
Zylinderraums im Schnitt mit Nebenkammer einer
seits und aufbringbarem Schwenkantrieb anderer
seits,
Fig. 2 die schematische Darstellung eines Ventils mit
Ventilschaft und -Teller im Ventilsitz des
Zylinderraums im Schnitt mit Nebenkammer bei
Doppelzündung,
Fig. 3 die schematische Darstellung eines Ventils mit
Ventilschaft und -Teller im Hauptkanal im
Schnitt mit Nebenkanälen,
Fig. 4 die schematische Darstellung eines Ventils mit
Ventilschaft und -Teller sowie Schwenkantrieb
und Steuerschema, und
Fig. 5 den Schnitt durch einen Brennkraftzylinder mit
Kolben und schematischer Darstellung der Ventil
anordnung und -Steuerung.
Wie aus der Zeichnung in Fig. 1 ersichtlich wird, besteht
das erfindungsgemäße Ventil aus dem Ventilschaft 1 mit
elliptischem Ventilteller 2, dessen Tellerebene E-E einer
seits einen spitzen Winkel zum Ventilschaft 1 zwischen
30°-60° bildet und welcher oszillierend und/oder
drehend im Ventilsitz 3 angeordnet ist und damit zur
Zu- oder Absteuerung der Nebenkammer 4 dient, wie dies
hier dargestellt ist.
Der Ventilsitz 3 wird durch die Innenwand eines Kegelstumpfes
gebildet, in welchem der Ventilteller 2 als schräger
Kegelschnitt, wie ersichtlich exzentrisch zum Ventilschaft 1
liegt.
Der Ventilschaft ist im Endbereich am Ventilschaftende
5 kraftschlüssig, hier durch ovale Ausbildung mit einem
Schwenkantrieb in Form eines Drehkurbelrades 6 mit an
greifendem Dreharm 7 verbindbar, welches (6) mit der
ovalen Lochung 8 dem ovalen Ventilschaftende 5 höhen
schiebbar aufsetzbar ist. Die Höhenverstellung erfolgt
in bekannter Weise mittels Nockenwelle gegen Wirkung
der Ventilfeder, wie diese dann in Fig. 5 ersichtlich
wird. Dem Ventilsitz 3 schließt sich andererseits sodann
der Zylinderraum 9 mit Fremdzündung 10 an, wobei die
Nebenkammer 4, wie strichpunktiert eingezeichnet ist,
über dem Ventilteller 2 zu- und absteuerbar ist.
In Fig. 2 ist wiederum ein Ventil mit Ventilschaft 11 und
Ventilteller 12 letzterer als schräger Kegelschnitt im
kegelstumpfförmigen Ventilsitz 13 gezeigt zum Zu- und Ab
steuern der Nebenkammer 14 in der vorbeschriebenen Weise.
Hier ist auch die Ventilführung 15 und der Abgaskanal 16
beim Ventilsitz 13 dargestellt. Im Brennraum 17 ist die
Zündkerze 18 vorgesehen und zusätzlich in der Nebenkammer 14
mit dieser zusteuerbar, eine Zündkerze 19 mit Einspritz
düse 19 a. Diese Bauweise ist bei abgesteuerter Nebenkammer
14 im Magerbetrieb und bei zugesteuerter Nebenkammer 14
ganz oder teilweise im Schichtladebetrieb zu fahren.
Begrenzte Lastbereiche erleichtern den Schichtladebetrieb.
Die Ausführungsart mit Einfachzündung kann mit Lambda = 1
und geregeltem Katalysator betrieben werden.
Aufgrund der Hochverdichtungsphase ergibt sich im Ver
gleich zu herkömmlichen Bauweisen ein verbesserter thermo
dynamischer Wirkungsgrad. Ferner können diese Ausführungs
arten mit einem Magerkonzept gefahren werden. Zwei- und
mehrstufige Verdichtungsverhältnisse erleichtern durch
Hochverdichtung und erhöhte Brennraumturbulenzen den
Betrieb mit Magergemisch.
Bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen soll die Neben
kammer 14 mit wärmedämmendem Material 20, vorzugsweise
Keramik, ausgekleidet werden. Diese Bauweise ist für
zwei- und mehrstufige Verdichtungsverhältnisse vorge
sehen. Bei niedriger Grundverdichtung kann durch Ab
steuern der Nebenkammer 14 bzw. der Nebenkammern die
Anlaßsicherheit erhöht und das Brennraumvolumen der Last
angepaßt werden. Im Einsatzbereich der Hochaufladung
und der Zylinderabschaltung scheint diese Bauweise
mechanisch und thermodynamisch interessant.
Desweiteren ist in Fig. 3 ein Ventil mit Ventilschaft
21 und Ventilteller 22, sowie Hauptkanal als Ventil
sitz 23 dargestellt, wobei Nebenkanäle 24 bzw. 25
zum Hauptkanal 26 zu- und absteuerbar sind.
Somit kann das erfindungsgemäße Ventil auch im
Einlaß- und/oder Auslaßbereich von Brennkraftmaschinen
sowie im allgemeinen Maschinenbau zum querschnitts
freien Zu- und Absteuern von Kammern und Kanälen
eingesetzt werden.
Hiermit wird die Breite der Anwendungsmög
lichkeiten ersichtlich.
Schließlich ist in Fig. 4 ein Ventilschaft 31 mit
Ventilteller 32 und Ventilaufnahme 33 schematisch
dargestellt, wobei das Ventilschaftende 35 über
das aufsetzbare Kurbelrad 36 mit den angreifenden
Dreharmen 37 verbindbar ist und der Drehantrieb
wiederum über die ovale Lochung 38 mit dem ovalen
Ventilschaft 35 zu kuppeln ist.
Hier ist die gesamte Drehanlage schematisch dargestellt
mit Sensoren 39 a-x. So gibt beispielsweise der
Klopfsensor 39 a die Information zur Verdichtungsredu
zierung an den Rechner 40; dieser (40) leitet sodann
den Impuls an das Stellwerk 40 a weiter. Das Stellwerk
40 a bewirkt die erforderliche Teilkreisdrehung des
Ventiltellers 32, wie eingangs geschildert.
Der Sensor 39 b für die Drosselklappenstellung
kann beispielsweise den Impuls für die
Verdichtungserhöhung in entsprechender Weise einleiten.
Neben den Sensoren 39 a und 39 b sind noch weitere Sensoren
bis 39 x für eine geeignete Motorenregelung vorzusehen,
wie zum Beispiel für Temperaturen, Drucke, Mengen und Last
zustände.
In den Rechner 40, der in einen Zentralrechner integriert
sein kann, können Programme eingespeist werden, für
das Anlassen und den Notlauf. Diese Programme beziehen
sich auf die mechanische Funktion und Funktionssicherheit
der Brennkraftmaschine. Um die Standzeiten für das
Ventil und den Ventilsitz zu erhöhen, kann über das Stell
werk 40 a beispielsweise abhängig von Zeitintervallen, eine
Drehung des Ventils um wenige Winkelgrade durchgeführt
werden. Auf die Prozeßführung hat dieses Programm keinen
Einfluß. Das Verkoken des Ventilsitzes wird durch den
normalen Lastwechsel und das damit notwendige Drehen des
Ventils verhindert. Bei langandauerndem Betrieb mit
ausschließlich zu- oder abgesteuerter Nebenkammer kann
ein kurzzeitiger Lastwechsel mit Hilfe eines geeigneten
Signalprogramms angezeigt oder eingeleitet werden. Das
Programm kann sich kontinuierlich auf einzelne Brennräume
oder gleichzeitig auf die gesamte Brennkraftmaschine be
ziehen.
In Fig. 5 ist schließlich ein Querschnitt durch eine
Brennkraftmaschine dargestellt. Hierbei ist das erfindungs
gemäße Ventil eingebaut, bestehend aus dem Ventilschaft 41
mit Ventilteller 42 und Ventilsitz 43 sowie die zu- und
absteuerbare Nebenkammer 44 und am Ventilschaftende 45
das angreifende Drehkurbelrad 46 mit Dreharm 47, wobei
die Drehverbindung wiederum über eine ovale Lochung 48
erfolgt. Im Brennraum 49 beispielsweise einer Vier
takt-Brennkraftmaschine befindet sich die Zündkerze 50.
Hierbei ist der Brennraum 49 im Zylinderblock 51 mit
Kolben 52 ersichtlich, welch letzterer den Brennraum
nach unten volumenveränderlich begrenzt. Im Zylinderkopf
51 a befinden sich beispielsweise ein Einlaßventil 53,
ein nicht gezeichnetes Auslaßventil und das erfindungs
gemäße Ventil 41, 42. In der Zeichnung sind die
Zylinderlängsachse "Z" und die Ventilschaftlängsachse
"V" des erfindungsgemäßen Ventils 41, 42 parallel; diese
Achsen können auch in einem Winkel stehen. Den
Ventilen sind die üblichen Steuereinrichtung zugeordnet,
die für das Einlaßventil 53, das nicht gezeichnete Aus
laßventil und das erfindungsgemäße Ventil 41, 42 bei
spielsweise Kipphebel 54 a-54 x und Ventilfedern 55 a-55 x
umfassen. Hubhöhen und Ventilfederstärken sind bei Ven
tilen, die den Gaswechsel steuern und einem erfindungs
gemäßen Ventil, das ausschließlich die Nebenkammer 44
steuert, verschieden. Die Ventilfeder 55 b sitzt einem
Drehlager 56 auf. Die Betätigung der Ventile erfolgt über
eine gemeinsame Nockenwelle 57.
Die Drehung des Ventils 41, 42 soll bei niedrigem Druck
im Brennraum 49, vorzugsweise bei geöffnetem Einlaßventil
53 oder nicht gezeichnetem geöffnetem Auslaßventil er
folgen. Ferner kann die Drehung durch ein teilgekapseltes
Kugellager 56 unterhalb der Ventilfeder 55 b erleichtert
werden. Die Drehkurbel 46, 47 liegt auf den Widerlagern
58 a-58 x auf und wird von ihnen gehalten. Das Ventil
41, 42 wird vor der Teilkreisdrehung geringfügig vom
Ventilsitz 43 abgehoben. Diese Maßnahme erhöht die
Standzeiten des Ventils und der Ventilsitzfläche.
Das erfindungsgemäße Ventil 41, 42 kann überdies auch
zur Steuerung eines Einlaßkanals 53 a und eines nicht
gezeichneten Auslaßkanals bzw. von Ein- und/oder
Auslaßkanälen und den zugeordneten Nebenkammern ver
wendet werden. Werden zwei oder mehrere erfindungsgemäße
Ventile durch ein Verbindungsgestänge verbunden, reduziert
sich die Anzahl der Stellwerke.
Claims (22)
1. Ventil mit Ventilschaft und Ventilteller sowie
gegebenenfalls Ventilfeder, insbesondere für Brenn
kraftmaschinen zur Steuerung zugeordneter Nebenkammern
oder Kanäle, gekennzeichnet durch einen nicht kreisförmigen,
vorzugsweise elliptischen Ventilteller, dessen Tellerebene
einerseits einen spitzen Winkel, insbesondere unter
30°-60° zum Ventilschaft bildet und welcher oszillierend
und/oder drehend im Ventilsitz einmündenden Nebenkammern
oder Kanälen zur Zu- und Absteuerung dient.
2. a. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als Ventilsitz die Innenwand eines Kegelstumpfs dient,
in welchem der Ventilteller als schräger Kegelschnitt, insbes.
exzentrisch zum Ventilschaft liegt.
2. b. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als Ventilsitz die Innenwand eines Kegelstumpfs dient,
in welchem der Ventilteller als schräger Kegelschnitt, bei
zur Kegelspitze seitlich versetztem Ventilschaft zentrisch
zu demselben liegt.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ventilschaft zur Ventildrehung im Endbereich
kraftschlüssig - oval oder gezahnt - mit einem Schwenk
antrieb verbunden ist.
4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Ventilschaft mit seinem Endteil im kraftschlüssig
angeschlossenen Schwenkantriebsteil höhenverschiebbar ist.
5. Ventil nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß dem Schwenkantrieb des Ventils
eine am Ventilschaft angreifende Drehkurbel, insbesondere
ein Kurbelrad - auch integriert in andere Maschinenelemente
dient, welches in seiner Höhenlage festgelegt ist.
6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß es zur Steuerung eines Einlaß-
oder Auslaßkanals einen vollen Ventilhub ausführt und
zur Steuerung einer Nebenkammer vorzugsweise nur wenig
vom Ventilsitz abhebt, wobei seine Ventilfeder sodann
schwächer als die Federn der den Gaswechsel steuernden
Ventile ist.
7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß durch den Ventilteller die
einwirkenden Kräfte, insbesondere die Gaskräfte direkt
in den kegelstumpfförmigen Ventilsitz einleitbar sind.
8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß es zur Steuerung einer Neben
kammer dient, welche mit wärmedämmendem Material, vor
zugsweise Keramik ausgekleidet ist.
9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß es bei volumenveränderlichen
Brennkraftmaschinen zur Steuerung eines variablen geo
metrischen Verdichtungsverhältnisses dient, wodurch der
Wirkungsgrad und das Abgasverhalten insbesondere der
Stickoxidanteil verbesserbar ist.
10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß es zur Steuerung ein- und mehr
ventiliger Ausführungen dient, welche bei einem Ventil pro
Brennraum zu zweistufigem Verdichtungsverhältnis und bei
zwei Ventilen pro Brennraum zu dreistufigem Verdichtungs
verhältnis führen, wobei einzelne Nebenkammern gleicher
oder verschiedener Volumina vorsehbar sind.
11. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß es mit einem Stellwerk verbunden
ist, welches insbesondere auf elektronisch-hydraulischer
oder elektronisch-elektromagnetischer Grundlage arbeitet.
12. Ventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
es über das Stellwerk mit einem Rechner verbunden ist,
welcher mit Sensordaten und festen Programmen, insbe
sondere für das Anlassen, den Notlauf, die Entkokung
und zur Standzeiterhöhung von Ventil und Ventilsitz
arbeitet.
13. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß es zumindest in einer Phase,
nämlich dem Arbeitstakt, auf seinem kegelstumpfförmigen
Ventilsitz aufliegt.
14. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß seine Teilkreisdrehung phasen
bedingt, vorzugsweise über einen Klopfsensor oder Sen
soren für Drosselklappenstellung, Luftmengenmessung,
Einspritzmenge oder Drucke einleitbar ist.
15. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß es bei ganz oder teilweise
geöffnetem Einlaßventil oder ganz oder teilweise ge
öffnetem Auslaßventil drehbar ist.
16. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß sich die Ventilfeder einerseits
am Federteller und andererseits auf einem Kugellager ab
stützt.
17. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß bei Einfachzündung die Zünd
kerze möglichst zentral sitzt und bei Doppelzündung
eine zusätzliche Zündkerze in der Nebenkammer vorge
sehen ist.
18. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Strömungsoptimierung der
Brenngase aus der Nebenkammer oder zur Vergrößerung der
Nebenkammer der Winkel zwischen dem Ventilteller und
dem Ventilschaft sowie der Winkel zwischen der Ventil
schaftlängsachse und der Zylinderlängsachse aufeinander
abstimmbar ist.
19. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß für fremdgezündete Brennkraft
maschinen mit Lambda = 1 oder mit Magerkonzepten die
Nebenkammer mit Zündkerze und Einspritzdüse steuerbar ist,
so daß in einem begrenzten Lastbereich Schichtladebe
trieb gegeben ist und bei abgesteuerter Nebenkammer
Zündung und Einspritzung derselben außer Funktion sind.
20. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß es bei hochaufgeladenen selbst
zündenden Brennkraftmaschinen zur Erhöhung der Anlaß
sicherheit und zur Anpassung des Brennraumvolumens an ver
schiedeneLast-/Drehzahlbereiche dient.
21. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß im Hauptbrennraum und in der
Nebenkammer jeweils eine Einspritzdüse oder im Grenz
bereich zwischen Hauptbrennraum und Nebenkammer eine
Einspritzdüse vorgesehen ist, so daß eine selbst
zündende Brennkraftmaschine im geeigneten Last-/
Drehzalbereich als Kammereinspritzer und im geeigneten
Last-/Drehzahlbereich als Direkteinspritzer zu
betreiben ist.
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