DE3808542C2 - Ventiltrieb für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Ventiltrieb für ein Gaswechselventil einer BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb gemäß dem Oberbegriff des Patent
anspruchs 1.
Ein derartiger Ventiltrieb, wie er in der DE-OS 29 49 413
beschrieben ist, bietet gegenüber der üblichen alleinigen Ver
wendung einer mechanischen Ventilschließfeder insbesondere den Vorteil, daß
die Reibungskräfte zwischen dem Nocken und seiner Auflagefläche an einem Tas
senstößel oder dergleichen bei niedrigen Drehzahlen erheblich verringert sind.
Während nämlich bei alleinigem Vorhandensein einer mechanischen Ventilschließ
feder diese so stark bemessen sein muß, daß sie mit Sicherheit eine Auflage
zwischen Nocken und Tassenstößel oder dergleichen bei der höchsten zu erwar
tenden Maschinendrehzahl sicherstellt, sie also hinsichtlich der erforderli
chen Schließkräfte bei niedrigen Drehzahlen erheblich überdimensioniert ist,
bietet die kräftemäßige Parallelschaltung einer derartigen mechanischen
Schließfeder und einer pneumatischen Schließfeder, deren pneumatischer Druck
mit zunehmender Drehzahl vergrößert wird, den Vorteil, daß die mechanische
Schließfeder nur im Hinblick auf die verhältnismäßig niedrigen erforderlichen
Schließkräfte bei niedrigen Drehzahlen ausgelegt zu werden braucht, während
die bei höheren Drehzahlen erforderlichen zusätzlichen Schließkräfte erst
beim Auftreten dieser Drehzahlwerte durch entsprechende Druckbeaufschlagung
der pneumatischen Schließfeder erzeugt werden.
Bei der in der zitierten Offenlegungsschrift beschriebenen Konstruktion wird
bei geschlossenem Ventil eine Belüftungsbohrung für den pneumatischen Druck
raum durch den Tassenstößel freigegeben, so daß dann der Druckraum auf Atmo
sphärendruck gebracht wird; bei Beginn der Öffnungsbewegung des Ventils wird
diese Belüftungsbohrung durch den Tassenstößel überdeckt, so daß der Druckraum
gegen das Äußere abgeschlossen und der Druck in ihm mit zunehmender Öffnungs
bewegung des Ventils infolge dann zunehmender Verkleinerung des Druckraums er
höht wird. Zwar kann ein Teil der im pneumatischen Druckraum enthaltenen Luft
über eine drehzahlabhängig verstellbare Drosselbohrung in einen kleinen abge
schlossenen Speicherraum entweichen, jedoch erfolgt die Druckerzeugung in dem
pneumatischen Druckraum während jeder Öffnungsbewegung des Ventils durch die
Volumenänderung des Druckraums selbst.
Nun dient die Schließfederanordnung nicht nur schlechthin dem sicheren Bewegen
des Ventils in seine Schließstellung, sondern sie soll während des gesamten
Nockenhubs den Kontakt zwischen dem Nocken und seiner Auflagefläche am Tassen
stößel oder dergleichen sicherstellen, um unerwünschte Relativbewegungen zwi
schen Nocken und Ventil auszuschalten. Die Lösung dieser Aufgabe erfordert die
Einhaltung eines bestimmten Verlaufs der von der Schließfederanordnung erzeug
ten Rückstellkräfte über dem Verlauf des Nockenhubs bzw. der gewünschten Ven
tilbewegung. Um während der Wirksamkeit der Nockenflanken diesen Kraftverlauf
annähernd sicherzustellen, ist ein Druckverlauf im pneumatischen Druckraum er
forderlich, der bei der bekannten Einrichtung zu einer relativ hohen Druckspit
ze bei maximaler Öffnungsstellung des Ventils führt, das heißt zu Druckwerten,
die erheblich oberhalb des maximal erforderlichen Druckwerts liegen, so daß die
Konstruktion zwar bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine Vorteile ge
genüber der alleinigen Verwendung einer mechanischen Schließfeder bietet, je
doch bei hohen Drehzahlen der Verlauf des Drucks im pneumatischen Druckraum
über dem Drehwinkel des Nockens nicht der gewünschten Kurve entspricht.
Bekanntgeworden ist auch ein V 6-Motor, der vollständig ohne
Ventilfedern ausgerüstet ist. Dieser wohl nur für Rennwagen konzipierte Motor
enthält anstelle von Ventilfedern ein pneumatisches Drucksystem mit einer
Stickstoff-Druckflasche, deren Inhalt unter hohem Druck steht und die mit
Steuerkolben an jedem der 24 Ventile der Maschine in Druckverbindung steht.
Hier erfolgt also zwar eine Druckerzeugung nicht durch Verkleinerung von ven
tilindividuellen Druckräumen während der Öffnungsphase des jeweiligen Ventils,
jedoch ist eine derartige Konstruktion unter vollständigem Verzicht auf mecha
nische Ventilfedern für übliche Motoren nicht brauchbar, da schon bei durch Lec
kagen bedingtem erheblichen Druckabfall die üblicherweise in hängender Ausfüh
rung vorgesehenen Ventile in ihre Öffnungsstellung gehen und durch Berührung
mit dem Kolben der arbeitenden Maschine zerstört werden würden.
Ähnliches gilt für aus der DE-OS 20 09 461 und der DE-OS 34 00 192 bekann
te rein hydraulisch, das heißt wiederum unter Verzicht auf mechanische Ventil
federn, arbeitende Ventiltriebe. Bei diesen Konstruktionen wird zwar der hy
draulische Druck in einem hydraulischen Druckraum jedes Ventils durch äußere
Maßnahmen drehzahlabhängig verändert, jedoch muß infolge der Inkompressibili
tät und der Trägheit des verwendeten Drucköls bezweifelt werden, daß derartige
Konstruktionen bei sehr hohen Motordrehzahlen noch arbeiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ventiltrieb der im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 angegebenen Art, also mit einer sowohl eine (schwache)
mechanische Schließfeder als auch eine pneumatische Schließfeder in kräfte
mäßiger Parallelschaltung enthaltenden Schließfederanordnung, zu schaffen, die
unter Verwendung einfacher Mittel einen Verlauf der auf den Ventilschaft in
Richtung Schließen des Ventils während der Nockendrehung ausgeübten Kraft be
sitzt, der dem theoretisch erforderlichen Verlauf gut angenähert ist, insbe
sondere hohe Kraftspitzen bei maximal geöffnetem Ventil vermeidet.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung be
schreiben die Unteransprüche.
In Abweichung von dem eingangs beschriebenen Stand der Technik ist bei der Er
findung der pneumatische Druckraum bei Maschinendrehzahlen, die innerhalb eines
vorgegebenen niedrigen Drehzahlbereichs liegen, dauernd belüftet, so daß dann
kein Druckaufbau im Druckraum erfolgt; die pneumatische Schließfeder ist inner
halb dieses niedrigen Drehzahlbereichs also praktisch abgeschaltet und wir
kungslos. Erst bei Überschreiten eines Drehzahlwerts, bei dem die mechanische
Schließfeder infolge ihrer Auslegung noch mit Sicherheit die erforderliche
Ventilbewegung sicherstellt, erfolgt unter Abschaltung dieser Belüftung des
pneumatischen Druckraums die Verbindung desselben mit einer äußeren Druckquel
le, sei es einem Druckerzeuger oder einem Druckspeicher. Auch dann erfolgt aber
praktisch keine Druckerzeugung durch Verringerung des Volumens des pneumati
schen Druckraums des jeweiligen Ventils, da dieser nach wie vor mit der äuße
ren Druckquelle in Verbindung steht, also nicht, wie bei dem eingangs behan
delten Stand der Technik, praktisch für sich ein abgeschlossenes pneumatisches
System bildet. Hierdurch wird, insbesondere bei Unterstützung durch die Maß
nahmen nach Patentanspruch 6, auch bei hohen Drehzahlwerten, das heißt bei
Wirksamkeit der pneumatischen Schließfeder, eine gute Annäherung des Verlaufs
der von der gesamten Schließfederanordnung einschließlich mechanischer Schließ
feder erzeugten Schließkraft über der Nockendrehung sichergestellt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand des in den
Fig. 1 und 2 für verschiedene Betriebszustände wiedergegebenen Axialschnitts
durch eine Ventilanordnung erläutert.
Das im Zylinderkopf 1 in üblicher Weise längsverschiebbar geführte Ventil 2
mit dem Ventilschaft 3 wird mittels des von der Maschine selbst angetriebenen
Nockens 4 zeitweilig in eine Öffnungsstellung und durch die Ventilfederanord
nung 5 zeitweilig in eine Schließstellung bewegt; die Schließfederanordnung 5
dient auch dazu, während der gesamten Nockenbewegung diesen in Kontakt mit der
ihm zugeordneten Auflagefläche 6 am Tassenstößel 7 zu halten.
Im Bereich niedriger Maschinendrehzahlen genügt hierzu die entsprechend ausge
legte, kegelförmige mechanische Schließfeder 8, die sich mit ihrem oberen Ende
am ventilschaftfesten Kolben 9, der dicht vom Tassenstößel 7 aufgenommen ist,
dagegen mit ihrem unteren Ende an der Bodenfläche 10 des nach oben vom Kolben
9 begrenzten Druckraums 11 abstützt. Während der vom Tassenstößel 7 oberhalb
des Kolbens 9 umschlossene Raum durch die Belüftungsbohrung 12 dauernd belüf
tet ist, steht der Druckraum 11, der einen wesentlichen Bestandteil einer zu
sätzlichen pneumatischen Schließfeder bildet, nur in einem unteren Drehzahlbe
reich über den Belüftungskanal 13 mit der Atmosphäre in Verbindung. Bereits an
dieser Stelle sei eingefügt, daß die Belüftungskanäle 13 zumindest mehrerer,
zu unterschiedlichen Zeiten öffnender und schließender Ventile durch den Längs
kanal 14 in Strömungsverbindung stehen.
In dem erwähnten niedrigen Drehzahlbereich befindet sich der Schieber 15 unter
der Wirkung der ihm zugeordneten Feder 16 in der in Fig. 1 gezeichneten Stel
lung, in der er den Belüftungskanal 13 freigibt, ihn also mit der Belüftungs
öffnung 17 verbindet. In diesem unteren Drehzahlbereich, für den die mechani
sche Ventilfeder 8 ausgelegt ist, sperrt nämlich das drehzahlabhängig ange
steuerte Drucksteuerventil 18 die Druckleitung 19 gegenüber dem Luft- oder Gas
druckspeicher 20 ab, so daß der Schieber 15 praktisch nur unter der Wirkung
der ihm zugeordneten Feder 16 steht.
Man kann sagen, daß in dem unteren Drehzahlbereich das Schließen des Ventils
bzw. der Kontakt zwischen dem Nocken 4 und der Auflagefläche 6 in absolut üb
licher Weise allein durch die mechanische Schließfeder 8 sichergestellt wird.
Sobald aber die Drehzahl der Brennkraftmaschine aus dem niedrigen Drehzahlbe
reich hinauswandert, erfolgt über das Drucksteuerventil 18 die Herstellung ei
ner Verbindung zwischen der Druckleitung 19 und dem Druckspeicher 20, so daß
die auf die Oberseite des Schiebers 15 ausgeübte Druckkraft die Kraft seiner
Feder 16 übersteigt und der Schieber in die Stellung 15′ verschoben wird, in
der er die Verbindung zwischen der Belüftungsleitung 13 und der Belüftungs
öffnung 17 unterbindet (Fig. 2). Gleichzeitig wird eine Verbindung zwischen
der Belüftungsleitung 13 und der Druckleitung 19 hergestellt, so daß auch im
Druckraum 11 nunmehr ein erheblich erhöhter Druck herrscht, der auf dem Kolben
9 lastet und demgemäß Schließkräfte auf das Ventil 2 ausübt. Dieser im wesent
lichen konstante Druck liegt während der gesamten Nockenbewegung an und über
lagert sich den von der mechanischen Schließfeder 8 ausgeübten Kräften, wo
durch der erwünschte Verlauf der auf das Ventil in Schließrichtung ausgeübten
Kräfte über der Nockendrehung erzielt wird.
Infolge der Tatsache, daß jetzt die in Schließrichtung wirkenden Kräfte weit
gehend durch die pneumatische Schließfeder erzeugt werden, ist es möglich, die
mechanische Schließfeder 8 relativ schwach und damit massearm auszuführen. Das
bedeutet zum einen, daß in dem niedrigen Drehzahlbereich die Reibung zwischen
Nocken 4 und Auflagefläche 6 relativ klein ist, und zum anderen, daß der Bei
trag der Feder zur bewegten Masse des Ventiltriebs kleingehalten werden kann.
Zur Verringerung der Bauhöhe besitzt die Feder 8 Kegelform, so daß ihre Win
dungen im zusammengedrückten Zustand in einer Ebene liegen.
Durch die mittels des Kanals 14 gegebene Verbindung der mehreren Ventilen zu
geordneten Belüftungskanäle 13 erfolgt ein zusätzlicher Druckausgleich zwischen
den diesen Ventilen zugeordneten pneumatischen Druckräumen 11.
Bei einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird das Drucksteuerventil 18 als
Druckminderer mit drehzahlabhängig veränderbarer Wirkung ausgebildet, so daß
nach Wirksamwerden des Druckraums 11, also nach Bewegung des Schiebers 15 in
seine in Fig. 2 wiedergegebene Position 15′, mit weiter steigender Drehzahl
auch der Druck im Druckraum 11 zunehmend vergrößert werden kann. Hierdurch ist
es möglich, beispielsweise die Reibung zwischen dem Nocken 4 und seiner Aufla
gefläche 6 auch bei Drehzahlen oberhalb des niedrigen Drehzahlbereichs auf das
unbedingt erforderliche Maß zu beschränken.
Infolge Einmündung der Belüftungsleitung 13 in den Druckraum 11 im Bereich sei
ner Bodenfläche 10 kann Lecköl bei niedrigen Maschinendrehzahlen leicht abflie
ßen; bei Wirksamwerden der pneumatischen Schließfeder wird es durch den Spalt
der Tassenstößelführung nach oben geblasen.
Mit der Erfindung ist also ein Ventiltrieb geschaffen, der einerseits die durch
die Schließfederanordnung hervorgerufenen Belastungen durch Reibung und beweg
te Massen auf ein Minimum reduziert, andererseits aber die Möglichkeit bietet,
innerhalb eines großen Drehzahlbereichs der Maschine eine einwandfreie Kontakt
gabe zwischen dem Nocken und einem dessen Hub auf das Ventil übertragenden Bau
teil (Tassenstößel) zu erzielen.
Claims (8)
1. Ventiltrieb für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine mit einem
Ventilöffnungskräfte auf den Ventilschaft ausübenden rotierenden Nocken
und einer Ventilschließkräfte auf den Ventilschaft ausübenden Schließfe
deranordnung, die in kräftemäßiger Parallelschaltung eine mechanische
Schließfeder und eine diese in einem pneumatischen Druckraum, der durch
einen ventilschaftfesten Kolben begrenzt ist und seine Größe mit dem Ven
tilhub ändert, aufnehmende pneumatische Schließfeder enthält, der Mittel
zur Einstellung derart von der Maschinendrehzahl abhängiger pneumatischer
Druckwerte im Druckraum zugeordnet sind, daß nur in einem niedrigen Dreh
zahlbereich die Ventilschließbewegungen durch die entsprechend schwach
ausgelegte mechanische Schließfeder, dagegen bei höheren Drehzahlen zu
nehmend durch die pneumatische Schließfeder hervorgerufen werden, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mittel eine drehzahlabhängig betätigte Schaltvor
richtung (15, 16, 18) enthalten, die bei Überschreiten des niedrigen Dreh
zahlbereichs einen im niedrigen Drehzahlbereich freigegebenen Belüftungs
kanal (13) für den pneumatischen Druckraum (11) sperrt und diesen mit einem
zumindest mehreren der Ventile (2) der Maschine gemeinsamen pneumatischen
Druckspeicher (20) oder -erzeuger verbindet.
2. Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung
einen Schieber (15) enthält, der durch Federkraft (16) in eine erste
Stellung, in der er den Belüftungskanal (13) freigibt, dagegen in eine zwei
te Stellung, in der er den Belüftungskanal (13) sperrt, durch gegensinnige
Beaufschlagung mit dem Druck des Druckspeichers (20) oder -erzeugers über
ein drehzahlabhängig betätigtes Drucksteuerventil (18) verschiebbar ist.
3. Ventiltrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Drucksteuer
ventil als drehzahlabhängiger Druckminderer (18) zur Einstellung mit zu
nehmender Drehzahl steigender Druckwerte im pneumatischen Druckraum (11)
ausgebildet ist.
4. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Belüftungskanal (13) vom tiefsten Bereich (10) des pneumatischen Druck
raums (11) abgeht.
5. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der ventilschaftfeste Kolben (9) dicht von einem Tassenstößel (7) aufgenom
men und der Raum zwischen diesem und dem Kolben (9) belüftet (12) ist.
6. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die pneumatischen Druckräume (11) zumindest mehrerer Ventile (2) der Ma
schine, die zu unterschiedlichen Zeiten schließen, in druckaustauschender
Verbindung (14) stehen.
7. Ventiltrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrich
tung (15, 16, 18) diesen mehreren Ventilen (2) gemeinsam ist.
8. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die mechanische Schließfeder (8) kegelförmig ausgebildet ist.
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