DE3911496A1 - Betaetigungsvorrichtung fuer ein ladungswechsel-ventil einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Betäti­ gungsvorrichtung ist beispielsweise aus der DE-OS 30 24 109 bekannt, worin die Haltevorrichtungen als Elektro­ magneten ausgebildet sind. Die vorliegende Erfindung dagegen bezieht sich auch auf anderweitige Haltevor­ richtungen, welche beispielsweise unter Zuhilfenahme mechanischer, hydraulischer oder pneumatischer Bauele­ mente gebildet werden können.

Derartige Ventil-Betätigungsvorrichtungen bieten den Vorteil weitgehend variabler Ventil-Steuerzeiten. Durch gezielte Ansteuerung der Haltevorrichtungen kann dabei das Ventil exakt zum jeweils gewünschten Zeitpunkt in die jeweils andere Totpunktstellung (beispielsweise von der geschlossenen Position in die Position maximaler Öffnung) bewegt werden. Indem dabei am Ventilkörper zumindest ein in den jeweiligen Totpunktstellungen gespanntes Federelement angreift, ist ein schwingungs­ fähiges Feder-Masse-System geschaffen, dessen in der Mitte der jeweils oszillierend zurückzulegenden Bewe­ gungsstrecke vorhandene maximale kinetische Energie in den beiden Totpunktstellungen als potentielle Energie im jeweiligen Federelement gespeichert wird. Aufgrund unvermeidbarer Energieverluste muß dem Feder-Masse- System selbstverständlich kontinuierlich Energie zuge­ führt werden, wobei die Art der Energiezufuhr beispiels­ weise analog der oben genannten Schrift erfolgen kann, was jedoch für das Wesen der vorliegenden Erfindung zunächst unerheblich ist. Ebenso ist es zunächst nicht von Bedeutung, ob das Federelement aus zwei entgegen­ gesetzt wirkenden Federn besteht oder beispielsweise lediglich aus einer einzigen Zug-Druck-Feder.

Wenngleich derartige Ventil-Betätigungsvorrichtungen eine Vielzahl überzeugender Vorteile aufweisen, so sind doch Verbesserungen insbesondere im Hinblick auf einen gesteigerten Wirkungsgrad sowie weiter verfeinerte Anpassungsmöglichkeiten an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine wünschenswert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, derartige Verbes­ serungs-Maßnahmen aufzuzeigen. Zur Lösung dieser Aufgabe sind die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 oder 2 vorgesehen, wobei es besonders vorteilhaft ist, diese Merkmale miteinander zu kombinieren.

Ist erfindungsgemäß die in der Offen-Totpunktstellung des Ventiles wirkende Federelement-Spannkraft veränder­ bar, so kann hiermit auf einfachste Weise die Öffnungs­ dauer des Ladungswechselventiles beeinflußt werden. Zwar ist es bei einer Ausbildung ähnlich der DE-OS 30 24 109 auch möglich, die Ventilöffnungsdauer durch unterschied­ liche Zeitdauer der Erregung der als Elektromagneten ausgebildeten Haltevorrichtung zu beeinflussen, jedoch erfordert die Erregung dieses Haltemagneten kontinuier­ liche Energiezufuhr. Ist somit durch eine starre Vorgabe des Federelementes und somit auch durch eine unverän­ derliche Spannkraft in der Offen-Totpunktstellung des Ventiles eine minimale Ventilöffnungsdauer vorgegeben, so ist es zum einen nicht möglich, diese Öffnungsdauer weiter zu verkürzen, zum anderen erfordert eine ge­ wünschte Verlängerung der Öffnungsdauer kontinuierliche Energiezufuhr und verschlechtert somit den Wirkungsgrad. Mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hingegen ist es in einem weiten Bereich möglich, die Ventilöffnungsdauer allein durch Verändern der Feder­ element-Spannkraft zu variieren ohne dabei überhaupt eine Haltevorrichtung zu benötigen. Da es jedoch nicht möglich ist, den gesamten Betriebsbereich einer Brenn­ kraftmaschine ohne eine Haltevorrichtung in der Ventil- Offenstellung abzudecken, empfiehlt es sich dennoch, eine solche vorzusehen.

Zwar ist es aus der bereits zitierten Schrift bekannt, die Spannkraft des Federelement-Systemes zu beeinflus­ sen, jedoch ist dabei - abweichend von der vorliegenden Erfindung - die in der geschlossenen Ventil-Totpunkt­ stellung wirkende Spannkraft veränderbar. Dies erfolgt dabei in der Absicht, die Gleichgewichtslage des Feder- Masse-Systemes zu verschieben und somit bei stillstehen­ der Brennkraftmaschine das Ladungswechsel-Ventil stets in seine geschlossene Position zu bewegen. Irgendwelche Anregungen, mit Hilfe einer ähnlichen Maßnahme an dem in der Offen-Totpunktstellung des Ventiles wirkenden Federelement die Ventil-Öffnungsdauer zu beeinflussen, sind dieser Schrift jedoch nicht entnehmbar.

Im unabhängigen zweiten Patentanspruch schlägt die Erfindung vor, die Position der in Ventil-Offenstellung wirksamen Haltevorrichtung veränderbar zu gestalten. Hiermit ist es möglich, den jeweils maximal erzielbaren Ventilhub in seiner Höhe zu beeinflussen. Eine derartige Einflußmöglichkeit gestattet es, die Ladungswechsel­ dynamik der Brennkraftmaschine in allen Betriebspunkten optimal abzustimmen. Darüber hinaus bietet sich eine Variation des maximalen Ventilhubes auch für die Lei­ stungsregelung einer quantitätsgesteuerten Brennkraftm­ aschine an.

Anspruch 3 nennt eine vorteilhafte, da konstruktiv einfache sowie in der Energiebilanz günstige Anordnung zur Verschiebung der Haltevorrichtung bzw. zur Verän­ derung der Spannkraft des Federelementes, so dieses als Schraubenfeder ausgebildet ist und sich mit ihrem Ende am verschiebbaren Hebelarm abstützt. Alternativ kann jedoch auch ein pneumatisches Federelement vorgesehen sein, dessen Federcharakteristik in bekannter Weise variierbar ist.

Eine Ausbildung gemäß Anspruch 5 bietet den Vorteil, daß in einem gewissen Rahmen eine Veränderung des maximalen Ventilhubes ohne Beeinflussung der Federspannkraft und somit ohne Einfluß auf die Ventilöffnungsdauer sowie die Bewegungsgeschwindigkeit des Ventiles erfolgen kann. Kommt das Ventil beispielsweise unter Zwischenschaltung zugeordneter, am Ventilschaft angebundener Stützscheiben jeweils nur in einem schmalen Bereich um die Totpunkt­ lage mit dem der jeweiligen Totpunktlage zugeordneten Federelement in Berührung, so führt das Ventil in dem dazwischenliegenden berührungsfreien Bereich einen sog. Freiflug aus. Nachdem dem Ventil in einer Totpunktlage somit durch Lösen der Haltevorrichtung und unter Einfluß des vorgespannten Federelementes ein gewisser Bewegungs­ impuls aufgeprägt wurde, bewegt es sich in dieser Freiflugphase im wesentlichen ungehindert auf die entgegengesetzte Totpunktlage zu. Eine Abbremsung der Bewegung sowie eine Umwandlung der kinetischen Energie in eine speicherbare potentielle Energie erfolgt dort unter Einfluß des zweiten Federelementes. Wie sofort verständlich wird, beeinflußt eine geringfügige Ver­ schiebung der Haltevorrichtung unter Mitnahme des Federelementes lediglich die Länge der Freiflugphase, so daß es somit möglich ist, allein den maximalen Ventilhub zu variieren, ohne dabei Einfluß auf die jeweils rele­ vante Federcharakteristik zu nehmen.

Da gegen Ende der Freiflugphase die Stützscheibe am Federelement mit hoher Energie auftrifft, empfiehlt es sich, an diesem oder an der Stützscheibe Geräusch­ dämpfungsmaßnahmen vorzusehen. Denkbar ist hierfür beispielsweise eine Beschichtung oder Ausbildung mit bzw. in Kunststoff, wie NBR oder Teflon.

Eine stark abstrahierte Prinzipdarstellung dient einer nochmals näheren Erläuterung. Wenngleich hierbei die Haltevorrichtungen als Elektromagneten ausgebildet sind sowie das Federelement in Form zweier gegenüberliegender Schrauben-Druckfedern vorliegt, so können die Funktionen dieser Elemente ohne Einfluß auf das Wesen der Erfindung auch von anderen gängigen Bauelementen übernommen werden.

Ein Ladungswechsel-Ventil 1 einer nicht gezeigten Hubkolben-Brennkraftmaschine ist in einem Abschnitt 2 deren Gehäuses mit seinem Ventilschaft 3 gemäß Pfeil­ richtung 4 längsverschieblich geführt. Das dem Ventil­ teller 5 gegenüberliegende Ende des Ventilschaftes 3 ist mit einer Stützscheibe 6 versehen.

Im Gehäuse der Brennkraftmaschine angeordnet sind desweiteren Haltevorrichtungen 7 a, 7 b, welche die Stützscheibe 6, so sie in den Haltebereich der Halte­ vorrichtung gelangt, zu fixieren vermögen. Im vorlie­ genden Fall sind dabei diese Haltevorrichtungen 7 a, 7 b als ringförmige Elektromagneten ausgebildet, welche die metallische Stützscheibe 6 unter Erregung an einem zugehörigen Anschlag 8 a, 8 b festhalten. Konzentrisch zu den Haltevorrichtungen 7 a, 7 b sind Federelemente 9 a, 9 b in Form zweier Schrauben-Druckfedern angeordnet. Diese Federelemente 9 tragen jeweils eine der Stützscheibe 6 zugewandte Prallplatte 10 a, 10 b und stützen sich mit ihrem anderen Ende an einer Stützplatte 11 a, 11 b ab.

Während die Stützplatte 11 a starr im Brennkraftmaschi­ nen-Gehäuse angebunden ist, ist die Stützplatte 11 b gemäß Pfeilrichtung 4 verschiebbar geführt. Dazu ist die Stützplatte 11 b mit einem Hebelarm 12 versehen, an welchem eine drehbar gelagerte Exzenterwelle 13 an­ greift. Durch Verdrehen dieser Exzenterwelle 13 ist es somit möglich, die Höhenposition der Stützplatte 11 b gemäß Pfeilrichtung 4 zu verändern.

In gleicher Weise ist die Haltevorrichtung 7 b gemäß Pfeilrichtung 4 verschiebbar angeordnet und trägt ebensolch einen Hebelarm 12′, an welchem eine Exzenter­ welle 13′ angreift. Auch die Höhenlage der Haltevor­ richtung 7 b ist somit veränderbar; die Haltevorrichtung 7 a dagegen ist fest im Gehäuse der Brennkraftmaschine eingebunden.

Zur Erläuterung der Funktionsweise sei zunächst unter­ stellt, daß die Stützscheibe 6 am Anschlag 8 a durch Erregung der Haltevorrichtung 7 a fest anliegt. Das Federelement 9 a stehe dabei unter Vorspannung. Wird nunmehr die Haltevorrichtung 7 a gelöst, wird also die elektromagnetische Spule entregt, so wird das Ladungs­ wechsel-Ventil 1 unter Einfluß der Vorspannkraft des Federelementes 9 a in Pfeilrichtung 4′ beschleunigt, wobei in der ersten Phase des Bewegungsablaufes die Prallplatte 10 a des Federelementes 9 a noch an der Stützscheibe 6 anliegt. In einem späteren Zeitpunkt jedoch ist das Federelement 9 a vollständig entspannt, so daß das Ventil 1 freifliegend seine Bewegung fortsetzt, bis die Stützscheibe 6 auf der Prallplatte 10 b des Federelementes 9 b auftrifft. Gleichzeitig werden auch die Elektromagnetspulen der Haltevorrichtung 7 b erregt. Die kinetische Energie des Ventiles 1 wird umgewandelt in potentielle Energie, welche in dem sich dabei span­ nenden Federelement 9 b gespeichert wird. Schließlich kommt die Stützscheibe 6 b auf dem Anschlag 8 b zum Anliegen und wird durch die Haltevorrichtung 7 b fest­ gehalten. In diesem Zustand befindet sich das Ventil 1 in seiner Offenstellung, wobei der maximal erzielbare Ventilhub realisiert sei.

Eine Entregung der Elektromagnetspulen der Haltevor­ richtung 7 b gibt anschließend das Ventil 1 wieder frei, so daß dieses entgegen Pfeilrichtung 4′ nunmehr wieder in seine Ausgangsposition gelangt.

Wie ersichtlich, ist es durch Verschieben der Halte­ vorrichtung 7 b gemäß Pfeilrichtung 4 möglich, den maximal erzielbaren Ventilhub zu beeinflussen. Die Vorteile, welche sich hiermit für den Betrieb der Brennkraftmaschine erzielen lassen, wurden bereits oben erläutert. Geringfügige Änderungen des Ventilhubes bewirken dabei zunächst lediglich eine Verringerung der Länge der Freiflugphase, wenn neben der Haltevorrichtung 7 b zugleich die Stützplatte 11 b des Federelementes 9 b mit verschoben wird.

Es ist jedoch auch möglich, bei festgehaltener Halte­ vorrichtung 7 b allein die Stützplatte 11 b des Feder­ elementes 9 b gemäß Pfeilrichtung 4 zu verschieben. Hierdurch ist die Vorspannkraft des Federelementes 9 b beeinflußbar. Neben der Geschwindigkeit, mit welcher das Ventil bei Lösen der Haltevorrichtung 7 b gegen Pfeil­ richtung 4′ bewegt wird, kann durch Änderung der Vor­ spannkraft jedoch auch die tatsächliche Ventilöffnungs­ dauer variiert werden. In gewissen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine kann es dabei sogar angebracht sein, die Haltevorrichtung 7 b überhaupt nicht zu erregen, so daß äußerst kurze Ventilöffnungszeiten allein durch Abfedern des Ventiles in seiner Offenstellung am Feder­ element 9 b unter minimalem Energieaufwand erzielbar sind.

Die detaillierte Ansteuerungslogik der Haltevorrichtun­ gen 7 a, 7 b sowie der Exzenterwellen 13, 13′ kann dabei in verschiedenartigster Weise den jeweiligen Erforder­ nissen angepaßt werden. Auch kann die Anordnung dieser oder anderer Bauelemente anders getroffen werden.

Wesentlich ist es, die Position der die Offenstellung des Ventiles definierenden Haltevorrichtung und/oder die Spannkraft des in der Offen-Totpunktstellung des Ven­ tiles wirkenden Federelementes veränderbar zu gestalten.

Claims (6)

1. Betätigungsvorrichtung für ein Ladungswechsel- Ventil einer Brennkraftmaschine, welches zwischen zwei durch Haltevorrichtungen definierten Totpunkt­ stellungen eine oszillierende Bewegung, ausgelöst u. a. durch zumindest ein in der jeweiligen Tot­ punktstellung gespanntes Federelement, ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Offen-Tot­ punktstellung des Ventiles (1) wirkende Spannkraft des Federelementes (9 b) veränderbar ist.

2. Betätigungsvorrichtung für ein Ladungswechsel- Ventil einer Brennkraftmaschine, welches zwischen zwei durch Haltevorrichtungen definierten Totpunkt­ stellungen eine oszillierende Bewegung, ausgelöst u. a. durch zumindest ein in der jeweiligen Tot­ punktstellung gespanntes Federelement, ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Position der die Offenstellung des Ventiles (1) definierenden Haltevorrichtung (7 b) in Ventilbewegungsrichtung (4) veränderbar ist.

3. Ventil-Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder/und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung der Haltevorrichtungs-Position und/oder der Spannkraft des als Schraubenfeder ausgebildeten Federelementes ein von einer Exzenterwelle (13) betätigter Hebel­ arm (12) vorgesehen ist.

4. Ventil-Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannkraft des als pneumatische Feder ausgebildeten Federelementes durch Beeinflussung des Pneumatikdruckes veränder­ bar ist.

5. Ventil-Betätigungsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gegeneinander gerichtete Federelemente (9 a, 9 b) vorgesehen sind, welche lediglich in einem Totpunkt-Bereich mit einer zugeordneten am Ventilschaft (3) angebundenen Stützscheibe (6) in Kontakt kommen.

6. Ventil-Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stützscheibe und/oder an den Federelementen Geräuschdämpfungs­ maßnahmen vorgesehen sind.