DE3841997A1 - Ventilantriebssystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventilantriebssystem für ein Ventil eines Hubkolben-Verbrennungsmotors.

Aus GB-21 07 393 B und GB-15 78 019 ist es bekannt, ein Einlaß- beziehungsweise Auslaßventil eines Vergaser- oder Dieselmotors mit Hilfe von hydrostatischem Druck, der auf einen Kolben ausge­ übt wird, zu öffnen, wobei der Kolben eine Bewegung des Ventils entgegen der Wirkung der Ventilfeder bewirkt. Die Anwendung von hydrostatischem Druck auf den Kolben oder dergleichen wird durch ein elektromagnetisches Ventil bewerkstelligt, das von einem elektronischen Kontrollsystem überwacht wird. Das Schließen des Motorventils wird durch das Schließen dieses elektromagnetischen Ventils und das Öffnen eines weiteren solchen Ventils bewirkt, das der Ventilfeder gestattet, das Motorventil in die geschlosse­ ne Position zu bewegen; bei dieser Bewegung wird auch der Kolben verschoben. Ein solches Antriebssystem gestattet, die Synchro­ nisation der Motorventile so zu variieren, daß sie an die spe­ ziellen Betriebsanforderungen des Motors angepaßt werden kann.

Um ein Motorventil zu öffnen, muß die durch den hydrostatischen Druck auf den Kolben ausgeübte Kraft ausreichend sein, um die von der Ventilfeder ausgeübte Kraft, jegliche Kräfte, die auf das Motorventil aufgrund des Druckes im Innern des Motorzylinders wirken, sowie die Trägheitskräfte zu überwinden. Sobald das Ventil begonnen hat, sich zu öffnen, wird sich die Kraft, die nötig ist, um das Motorventil in seine vollständig geöffnete Position zu bringen, verringern. Falls die ursprüngliche Kraft beibehalten wird, wird das Motorventil während seiner Bewegung eine zu hohe Geschwindigkeit erreichen, und das Flüssigkeitsvolu­ men, das verwendet wird, um das Motorventil in seine geöffnete Position zu bewegen, wird, obwohl die Geschwindigkeit des Ventils kontrolliert werden kann, dem entsprechen, das benötigt wird, um den Kolben zu verschieben; dieser Vorgang wird im wesentlichen unbeeinflußt von der Bewegungsgeschwindigkeit des Motorventils sein.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein einfaches und praktisches Antriebssystem für ein Motorventil zu schaffen.

Gemäß der Erfindung umfaßt ein solches Antriebssystem für ein Motorventil eine mit einem Flüssigkeitsdruck betreibbare Vorrich­ tung, die erste und zweite Oberflächen definiert, welche unter dem Einfluß einer elektromagnetischen Ventilanordnunq einem Flüssigkeitsdruck ausgesetzt werden können, wobei die Vorrichtung ein Auslaßteil enthält, das wirksam mit einem über eine Feder in einer geschlossenen Position vorgespannten Motorventil verbunden ist, und wobei der auf die ersten und zweiten Oberflächen einwir­ kende Flüssigkeitsdruck eine Bewegung des Auslaßteils bewirkt, um damit die Anfangsbewegung des Motorventils entgegen der Wirkung der Feder zu erreichen; die Vorrichtung ist dabei so konstruiert, daß nach dieser Anfangsbewegung das Motorventil durch die Einwir­ kung des Flüssigkeitsdrucks auf nur eine dieser Oberflächen in die geöffnete Position bewegt wird.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystems wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Systems und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des in Fig. 1 gezeigten Sy­ stems.

In Fig. 1 ist ein Teil eines Zylinderkopfes 9 mit zwei Motorven­ tilen 10 gezeigt, wobei die Ventile die Auslaßventile eines Zylinders eines Motors darstellen, der vier Ventile pro Zylinder aufweist. Die Ventile 10 stehen mit Hilfe konventioneller Ventil­ federn 12 unter Vorspannung in der geschlossenen Position und sind mit Hilfe einer mit einem Flüssigkeitsdruck betreibbaren Vorrichtung 13, die noch genauer beschrieben werden wird, in die geöffnete Position bewegbar. Durch ein auf elektromagnetischem Wege arbeitendes Ventil 14, das ein normalerweise geschlossenes Ventil darstellt, kann der Vorrichtung 13 Flüssigkeit unter Druck zugeführt werden, und diese kann über ein elektromagnetisch arbeitendes Ventil 15, das ein normalerweise offenes Ventil darstellt, wieder auströmen. Die von einer motorgetriebenen Pumpe 16 mit Druck beaufschlagbare Flüssigkeit, die der Vorrichtung entströmt, fließt zu einem Abflußkanal.

Die Vorrichtung 13 umfaßt einen Zylinderrahmen 17, in den ein abgestufter Zylinder eingeformt ist. Der Rahmen definiert ein Paar von Klammern 19, die mit Gewinde versehene Ansatzbolzen 20 tragen, die nach den Schäften 21 der Ventile ausgerichtet sind. Die Klammern weisen Aussparungen auf, um die Enden der Ventil­ schäfte zu fassen. In den Zylinder 18 ragt ein außen angeflansch­ ter, im Zylinderkopf des Motors montierter Zapfen 22 hinein, der eine gleitende Verbindung mit dem schmaleren Teil des Zylinders besitzt.

Der Zapfen begrenzt eine axiale Bohrung 22 B und Querbohrungen 22 A, die sich nach einem Zwischenstück des Zylinders hin öffnen; außerdem befindet sich in dem breiteren Abschnitt des Zylinders ein verschiebbares ringförmiges Bauelement 23, das in der ge­ schlossenen Position der Motorventile an der benachbarten Stufe des Zylinders sowie an einer auf dem Zapfen festgelegten Stufe anschlägt.

Ein Hemmelement 24, das einen ringförmigen, außen an dem Zapfen angebrachten und im geschlossenen Zustand des Motorventils axial von dem ringförmigen Bauelement 23 beabstandeten Anlaufflansch 25 definiert, ist mit Hilfe von Muttern, die mit den Ansatzbolzen 20 zusammenwirken, an den Klammern 19 des Zylinderrahmens sicher befestigt.

Im Betrieb wird, wenn die Motorventile 10 geöffnet werden sollen, das Ventil 15 geschlossen, und das Ventil 14 durch Anlegen eines elektrischen Stromes an die entsprechenden Elektromagneten, die mit den Ventilen verbunden sind, geöffnet. Die Vorrichtung wird mit Flüssigkeitsdruck beaufschlagt, und dieser wirkt auf eine erste Oberfläche, die von der Stirnwand des Zylinders 18 gebildet wird, und durch die Querbohrungen 22 A auf eine zweite Oberflä­ che, die durch die Stufen in dem Zylinder gebildet wird. Die Kraft, die durch den auf die beiden Oberflächen einwirkenden Flüssigkeitsdruck erzeugt wird, bewirkt eine Bewegung der Motor­ ventile 10 entgegen der Wirkung der Federn 12. Der auf das ring­ förmige Bauelement 23 einwirkende Druck drückt dieses gegen die Stufe auf dem Zapfen 22.

Wenn der Zwischenraum zwischen dem Bauteil 23 und dem Anlauf­ flansch ausgefüllt ist, kann der Flüssigkeitsdruck, der auf die obengenannte zweite Oberfläche wirkt, den Zylinderrahmen nicht länger bewegen, und die weitere Öffnungsbewegung der Motorventile 10 wird nur durch das Einwirken des Flüssigkeitsdruckes auf die erste Oberfläche bewirkt. Während der weiteren Bewegung der Motorventile und des Zylinderrahmens bewegt sich das ringförmige Bauelement mit dem Zylinderrahmen.

Während der Bewegung des Zylinderrahmens - bevor der obengenannte Zwischenraum ausgefüllt ist - wird eine beträchtliche Kraft erzeugt, die mehr als ausreichend ist, um die Ventile entgegen dem im Motorzylinder herrschenden Druck und die von den Ventilfe­ dern ausgeübten Kräfte zu öffnen und die Ventile zu beschleuni­ gen. Wenn der Kontakt zwischen dem Anlaufflansch 25 und dem ringförmigen Bauelement 23 hergestellt ist, wird sowohl die Kraft als auch die Beschleunigung reduziert. Des weiteren wird der momentane Flüssigkeitsverbrauch der Ventile verringert.

Der Hub der Motorventile wird von der Länge der Zeit bestimmt, während der das elektromagnetisch arbeitende Ventil 14 geöffnet ist. Der Stromfluß zu den Elektromagneten 14 und 15 wird von einem elektronischen Kontrollsystem überwacht, das auf die Stel­ lung der Kurbelwelle anspricht und auch auf andere Motor-Steuer­ parameter ansprechen kann. Wenn das elektromagnetische Ventil 14 geschlossen wird, wird eine hydraulische Verriegelung erzeugt, die ein weiteres Bewegen der Motorventile verhindert. Zum Überwa­ chen des Hubs der Motorventile und zur Anpassung der Dauer des Öffnens des elektromagnetischen Ventils 14 kann ein Stellungsge­ ber verwendet werden. Ein Rückschlagventil 14 A ist mit dem Ventil 14 parallel geschaltet und kann sich öffnen, um überschüs­ sigen Druck, der in dem System zum Beispiel dadurch entstehen kann, daß der Motorkolben gegen die Ventile schlägt, abzulassen.

Falls die Motorventile geschlossen werden sollen, wird das elek­ tromagnetische Ventil abgeschaltet, damit die Flüssigkeit aus dem Zylinder abfließen kann. Die anfängliche Durchflußgeschwindigkeit der Flüssigkeit - bevor das ringförmige Bauteil 23 in die Stufe des Zapfens einrastet - ist gering, und deswegen bewegen sich die Ventile schnell auf ihre geschlossenen Positionen zu. Die Durch­ flußgeschwindigkeit der Flüssigkeit wird jedoch vergrößert, wenn das ringförmige Bauteil 23 in die Stufe des Zapfens einrastet, so daß die Bewegung der Motorventile auf ihre Aufsitzflächen ver­ langsamt wird. Das trägt dazu bei, den Aufprall des Ventils auf seine Aufsitzfläche und damit deren Beschädigung zu minimieren.

Sowohl während der Öffnungs- als auch während der Schließsequenz, kann die Bewegungsgeschwindigkeit des Motorventils durch Pulsen der elektromagnetischen Ventile 14 und 15 kontrolliert werden. Tatsächlich hat es sich als notwendig erwiesen, die Bewegung der Motorventile während der Öffnungssequenz zu kontrollieren, bevor der maximale Hub erreicht ist, da gefunden wurde, daß ein bloßes Schließen des elektromagnetischen Ventils 14, nachdem der ge­ wünschte Hub erreicht worden ist, ein Auftreten einer Hohlraum­ bildung in der Flüssigkeit bewirkt. Ein Pulsen des elektromagne­ tischen Ventils 14 liefert den erforderlichen Grad der Kontrolle, allerdings erfordert ein solches Pulsen sehr kurze Pulsweiten, die möglicherweise schwierig über die gesamte Betriebsdauer des Systems beizubehalten sind. Als Alternative zum Pulsen ist es daher möglich, den Durchfluß durch Verwendung des elektromagneti­ schen Ventils 14 als Durchflußbegrenzer zu beschränken, indem der Stromfluß im Elektromagneten des Ventils 14 allmählich verringert wird. Dieser Vorgang erfordert jedoch ebenfalls eine sehr vor­ sichtige Kontrolle, und die bessere Lösung scheint das Vorsehen eines Dämpfers zu sein.

Fig. 2 zeigt ein Teil des Systems aus Fig. 1, jedoch mit einem eingebauten Dämpfer, der die Form eines innerhalb des Zylinders 27 verschiebbaren Kolben 26 hat; von diesem Zylinder 27 erstreckt sich ein Durchlaß mit einer Ausflußöffnung 28, wobei dieser Durchlaß zu einem Abflußkanal führt. Die Flüssigkeit kann dem Zylinder von der unter Druck stehenden Flüssigkeitsquelle über ein Rückschlagventil 29 zugeführt werden. Die Anordnung ist so aufgebaut, daß, wenn sich der Zylinderrahmen 17 dem maximalen Hub nähert, er einen verkleinerten Endteil des Kolbens 26 berührt, der die Endbewegung des Zylinderrahmens und damit die Ventile dämpft.

Das beschriebene System erlaubt neben der Variation der zeitli­ chen Steuerung der Ventile auch den Gebrauch von leichteren Ventilfedern, da die Masse der sich bewegenden Teile, die mit den Motorventilen verbunden sind, beträchtlich reduziert wird.

Die Erfindung ist jedoch nicht nur auf das beschriebene System von zwei Auslaßventilen eines Zylinders mit vier Ventilen anwend­ bar, sondern in gleicher Weise auch auf die Arbeitsweise eines einzigen Auslaßventils beziehungweise eines oder mehrerer Einlaß­ ventile.

Die Möglichkeit, die zeitliche Steuerung des Motorventils zu ändern, kann auch während des Schiebebetriebes verwendet werden, um den Bremseffekt des Motors zu erhöhen. Wenn zum Beispiel das Auslaßventil beziehungsweise die Auslaßventile am oberen Totpunkt geöffnet wird beziehungsweise werden, wird der Motorbremseffekt vergrößert, da während der abwärtsgerichteten Bewegung des Motor­ kolbens keine Energierückgewinnung erfolgt. Es wurde gefunden, daß die Auslaßventile bis zu 90° vor dem oberen Totpunkt zu einem kleinen Teil geöffnet werden können. Der steigende Druck im Motorzylinder - wenn sich der Kolben weiter aufwärts bewegt - schließt das Auslaßventil beziehungsweise die Auslaßventile entgegen der von der Flüssigkeit in der in Gang gesetzten Vor­ richtung herrührenden Spannkraft. Wenn der Kolben den oberen Totpunkt passiert und der Zylinderdruck zu fallen beginnt, öffnen sich das Ventil beziehungsweise die Ventile wieder und der Zylin­ derdruck fällt.

Es ist auch möglich, ein Viertaktmotor im Zweitaktverfahren arbeiten zu lassen, um den Motorbremseffekt zu vergrößern.

Der Hub des Motorventils beziehungsweise der Motorventile kann variiert, und im Falle des Einlaßventils kann dieses teil­ weise geöffnet werden, um die Luftgeschwindigkeit über dem Ven­ tilsitz zu vergrößern und somit die Verwirbelung im Motorzylin­ der zu verbessern.

Im Falle eines Vergasermotors kann die teilweise Öffnung des Einlaßventils des Motors benutzt werden, um die Arbeit der norma­ len Drosselklappe zu ersetzen, die den Luft- beziehungsweise den Luft/Treibstoff-Fluß zum Motorzylinder kontrolliert.

Im Falle eines Turboladermotors ist es möglich, die Auslaßventile des Motors früher als gewöhnlich zu öffnen, um die Energie zu vergrößern, die dem Turbolader zugeführt wird, was dazu beiträgt, das Auftreten von sogenannten "turbo-lags" in einem solchen Motor zu reduzieren.

Claims (8)

1. Antriebssystem für ein Motorventil, dadurch gekennzeichnet, daß es eine mit einem Flüssigkeitsdruck betreibbare Vorrich­ tung beinhaltet, die erste und zweite Oberflächen festlegt, welche unter dem Einfluß einer elektromagnetischen Ventilan­ ordnung einem Flüssigkeitsdruck ausgesetzt werden können, wobei die Vorrichtung ein Auslaßteil enthält, das wirksam mit einem über eine Feder in einer geschlossenen Position vorge­ spannten Motorventil verbunden ist, und wobei der auf die ersten und zweiten Oberflächen einwirkende Flüssigkeitsdruck eine Bewegung des Auslaßteils bewirkt, um damit die Anfangsbe­ wegung des Motorventils entgegen der Wirkung der Feder zu erreichen, wobei die Vorrichtung so konstruiert ist, daß nach dieser Anfangsbewegung das Motorventil durch die Einwirkung des Flüssigkeitsdrucks auf nur eine der Oberflächen in die geöffnete Position bewegt wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aus­ laßteil aus einem abgestuften Zylinder, einem beweglichen Zapfen, der im inneren, schmaleren Teil dieses Zylinders angeordnet ist, wobei der Zapfen am Zylinderkopf des Motors sicher angebracht ist, und das innere Ende des Zylinders die eine Oberfläche definiert, einem ringförmigen Bauteil, das um diesen Zapfen beweglich montiert ist und innerhalb des äuße­ ren, breiteren Teils des Zylinders beweglich ist, Durchlaßmit­ teln, um Flüssigkeit zu und von dem inneren Ende und einem Zwischenteil des Zylinders zu befördern, einer Stufe, die sich auf dem Zapfen befindet und gegen die das ringförmige Bauteil in der geschlossenen Position des Ventils anschlägt, sowie Hemmitteln, die von dem Auslaßteil getragen werden und die an dem ringförmigen Bauteil nach der Anfangsbewegung des Ventils einrasten können, besteht.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hemmittel einen Anlaufflansch beinhalten, der sich über den breiteren Teil des Zylinders erstreckt.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durch­ laßmittel einen axialen Durchlaß in dem Zapfen sowie Querboh­ rungen aufweisen, die ebenfalls in diesen Zapfen eingeformt sind, und die den axialen Durchlaß mit dem Zwischenteil des Zylinders verbinden.

5. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwi­ schenteil des Zylinders einen ringförmigen Zwischenraum um den Zapfen definiert.

6. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es erste und zweite elektromagnetisch wirkende Ventile aufweist, um den Flüssigkeitsdurchfluß durch die Durchflußmittel zu kontrollie­ ren, wobei das erste Ventil ein normalerweise geschlossenes Ventil ist, das geöffnet wird, um einen Flüssigkeitstransport von einer unter Druck stehenden Flüssigkeitsquelle zu den Durchflußmitteln zu gestatten, und das zweite Ventil ein normalerweise geöffnetes Ventil darstellt, das einen Flüssig­ keitstransport von den Durchlaßmitteln zu einem Abflußkanal gestattet.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es Dämpfungsmittel umfaßt, die es gestatten, die Endbewegung des Ventils in Richtung auf die geöffnete Position zu dämpfen.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsmittel einen innerhalb eines Zylinders beweglichen Kolben, einen eingeengten Auslaß aus dem Zylinder sowie ein Rückschlagventil aufweisen, durch das dem Zylinder Flüssigkeit von einer unter Druck stehenden Flüssigkeitsquelle zugeführt wird.