DE3607798A1 - Ventilanordnung - Google Patents

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.