DE4232573A1 - In richtung auf einen brennraum schliessendes ladungswechselventil fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ladungswechselventil (d. h. Ein- oder Auslaßventil) gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Ventil ist als Auslaßventil aus der EP 00 75 472 A2, F01L 9/02, bekannt. Eine derartige Ventilkonstruktion, bei der die Schließbewegung des Ventilkörpers in Abweichung von den üblichen Ventilkonstruktionen für Ladungswechselventile gegen den - dann relativ niedrigen - Gasdruck im Brennraum und die Öffnungsbewegung gleichsam mit dem - dann relativ hohen - Gasdruck im Brennraum erfolgt, verhält sich sowohl im Hinblick auf die nur geringe Fremdenergie zur Ventilbetätigung als auch im Hinblick darauf günstig, daß der Ventilkörper im geöffneten Zustand des Ventils zumindest weitgehend aus dem Gasströmungsweg entfernt liegen kann und demgemäß der Strömungswiderstand sehr klein wird.

Die Tatsache, daß zum Schließen eines in dieser Weise ausgebildeten Auslaßventils also eine relativ geringe Betätigungskraft erforder­ lich ist, andererseits das in seiner Schließstellung befindliche Ventil aber mit einer relativ hohen Kraft entgegen der Wirkung der dann hohen Gasdruckkräfte im Brennraum in seiner Schließstellung gehalten werden muß, wird bei dem zitierten Stand der Technik da­ durch berücksichtigt, daß gleichsam zwei hydraulische Betätigungs­ kreise vorgesehen sind, nämlich ein Niederdruckkreis zur Speisung der Druckkammer mit einem Druck, der im Verein mit der der Druck­ kammer zugekehrten Stirnfläche eines Kolbens am Ventil - dort im wesentlichen gebildet durch die Stirnfläche des Ventilschafts - ausreicht, um das Ventil in seine Schließstellung zu bewegen, während zur Speisung einer weiteren Druckkammer, die durch einen weiteren Kolben am Ventil begrenzt ist, auf hohem Druck befind­ liches Hydraulikmedium vorgesehen ist, wobei dieser Druck und die der weiteren Druckkammer zugekehrte Stirnfläche des weiteren Kol­ bens so groß bemessen sind, daß hierdurch das Ventil entgegen dem maximalen Brennraumdruck in seiner Schließstellung gehalten wird.

Ein grundsätzlicher Vorteil eines derartigen hydraulisch betätigten Ladungswechselventils ist darin zu sehen, daß auf einfache Weise, nämlich lediglich durch entsprechende Steuerung oder Regelung des Drucks des Hydraulikmediums, die Ventilsteuerzeiten in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine oder Fahrbedingungen des mit dieser ausgerüsteten Kraftfahrzeugs verändert werden kön­ nen. Übliche Nockensteuerungen sind diesbezüglich aufwendig, rei­ bungsbehaftet und häufig nicht geeignet, eine Feineinstellung von Ventilsteuerzeiten in einem hinreichend großen Bereich vorzunehmen. So gestattet der Einsatz gattungsgemäßer Ladungswechselventile den Verzicht auf ein Leistungsstellorgan nach Art einer Drosselklappe, die stets mit Strömungsverlusten verbunden ist; der Einsatz hydrau­ lischer Ventiltriebe für diesen Zweck ist aus der DE-OS 35 19 387, F02D 13/02, bekannt. Auch gestattet der Einsatz derartiger Ladungs­ wechselventile, um nur ein weiteres Beispiel für die praktische Be­ deutung dieses Ventilkonzepts anzuführen, in einfacher Weise eine Wirkungsgradoptimierung der Brennkraftmaschine durch Abschalten einzelner Zylinder bei Teillast und demgemäß Betrieb der übrigen Zylinder im günstigen Vollastbereich, wobei die jeweils abgeschal­ teten Zylinder, wie beispielsweise aus der DE-PS 36 31 284, F02D 17/02, bekannt, als Verdichter arbeiten können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Ladungswechselventil unter Wahrung seiner Vorteile zu schaffen, dessen Steueraufwand gegenüber dem für das bekannte Ventil er­ forderlichen Aufwand verringert ist, wodurch zugleich eine Verein­ fachung der eigentlichen Ventilkonstruktion möglich ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Die Erfindung vermeidet also den Aufwand des beim diskutierten Stand der Technik zum Halten des Ladungswechselventils in seiner Schließstellung erforderlichen Hochdruck-Hydrauliksystems, indem gleichsam der Druck im Brennraum selbst zur Erzeugung einer das Ladungswechselventil in seiner Schließstellung haltenden Druckkraft herangezogen wird. Ein besonderer Vorteil dieses Konzepts ist darin zu sehen, daß sich die so gewonnene "Haltekraft" für das Ventil in seiner Schließlage selbsttätig an Änderungen des Drucks im Brenn­ raum anpaßt, so daß man diesen Brennraumdruck, gegen den das La­ dungswechselventil zu halten ist, gleichsam als Hochdruckquelle für den Schließdruck ansprechen kann.

Infolge der Tatsache, daß lediglich eine einzige Druckkammer am Ventil und demgemäß ein einziger Kolben an diesem vorzusehen ist, ergibt sich eine sehr einfache Ventilkonstruktion.

Unter einem Kolben im Sinne der Erfindung ist auch eine Membran zu verstehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, die einen Querschnitt durch den ein Auslaßven­ til führenden Zylinderkopfbereich einer Kraftfahrzeugs-Brennkraft­ maschine nebst den Mitteln zur hydraulischen Ventilsteuerung wiedergibt.

Das Auslaßventil ist allgemein mit 1 bezeichnet. In der Schließ­ stellung dieses Ventils ist sein Ventilkörper 2 durch den in der Druckkammer 3 herrschenden, auf die Stirnfläche 4 des ventilfesten Kolbens 5 ausgeübten Druck gegen den Ventilsitz 6 im Zylinderkopf 7 gedrückt, so daß der Brennraum 8 gegen den Auslaßkanal 9 abge­ schlossen ist.

Zur Versorgung der Druckkammer 3 mit einem hydraulischen Druckmedi­ um dient die Pumpe 10, die aus dem Vorratsbehälter 11 Druckmedium über das Rückschlagventil 12 mit durch das Druckregelventil 13 be­ stimmtem Druck in den Speicher 14 transportiert. Die von der Druck­ kammer 3 abgehende Leitung 15 wird über das beispielsweise in Ab­ hängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine betätigte Zweiwege-Ventil 16 wahlweise mit der Abflußleitung 17 oder - über das Rückschlagventil 18 - mit der Leitung 19 verbunden, die zum Speicher 14 führt und als Druckmittelzufuhr dient.

In der dargestellten geschlossenen Lage des Ladungswechselventils 1 sperrt das Zweiwegeventil 16 die Leitung 15 gegen die Abflußleitung 17 ab und verbindet sie mit der Druckquelle 14, so daß ein Absinken des Drucks in der Druckkammer 3 unmöglich ist.

Während der so durch die Verbindung mit dem Speicher 14 hervorgeru­ fene Druck in der Druckkammer 3 ausreicht, um das Ladungswechsel­ ventil 1 aus seiner geöffneten, d. h. in der Figur nach oben ange­ hobenen Stellung in seine dargestellte Schließstellung zu bewegen, da zu diesem Zeitpunkt der Gasdruck in dem Brennraum 8 relativ niedrig ist, müssen während des Expansionstakts im Brennraum 8 höhere hydraulische Kräfte auf den Kolben 5 ausgeübt werden, um das Ventil 1 in seiner Schließstellung zu halten. Hierzu dient der ne­ ben dem Ventilkörper 2 angeordnete Druckraum 20, der über die Lei­ tung 21 mit der Druckkammer 3 in Verbindung steht und den Stufen­ kolben 22 führt, dessen dem Druck im Brennraum 8 ausgesetzte Stirn­ fläche 23 größer als seine den Druckraum 20 begrenzende Stirnfläche 24 ist. Das bedeutet, daß die vom Gasdruck im Brennraum 8 ausgeüb­ ten Druckkräfte in dem Druckraum 20 zu höheren Kräften führen und demgemäß jede Vergrößerung des Drucks im Brennraum 8 zu einer die Schließlage des Ventils 1 sicherstellenden Druckererhöhung in der Druckkammer 3 führt. Umgekehrt bedeutet jede Verringerung des Drucks im Brennraum 8 auch eine Verringerung des Drucks im Druck­ raum 20 und damit in der Druckkammer 3, so daß nach Umschalten des Zweiwegeventils 16 das Ladungswechselventil 1 und der Druckkolben 22 durch die ihnen zugeordneten Druckfedern 25 und 26 verschoben werden können, und zwar das Ventil 1 im Sinne des Abhebens vom Ventilsltz 6, d. h. in Öffnungsrichtung, und der Stufenkolben 22 in Richtung auf den Brennraum 8.

Statt durch die Feder 25 kann das Öffnen des Ventils 1 auch hydraulisch erfolgen.

Auf die Gestaltung des Kolbens 22 als Stufenkolben kann man ver­ zichten, wenn man dafür sorgt, daß die druckkammerseitige Stirn­ fläche 15 des Kolbens 5 am Ventil 1 wesentlich größer als die brennraumseitige Stirnfläche 2a des Ventilkörpers 2 ist.

Wie für jeden Fachmann ersichtlich, müssen die Größen der verschie­ denen, dem Druck des Hydraulikmediums und dem Brennraumdruck ausge­ setzten Flächen so aufeinander abgestimmt sein, daß bei in seiner Schließstellung befindlichem Ladungswechselventil stets die hydrau­ lisch erzeugte Haltekraft größer ist als die vom Brennraumdruck ausgeübte Kraft. In jedem Fall bietet die Erfindung aber den Vor­ teil der Einsparung eines zweiten Hydraulikkreises mit auf hohem Druck befindlichem Hydraulikmedium, da die zur Erzeugung der den geschlossenen Zustand des Ladungswechselventils wahrenden Haltekraft erforderliche Energie letztlich durch den Druck im Brennraum geliefert wird.

Claims (8)

1. Ladungswechselventil für einen Brennraum einer Brennkraftma­ schine mit einem Ventilkörper, der zum Schließen des Ventils in Richtung auf den Brennraum gegen einen Ventilsitz durch von einem Hydraulikmedium auf einen eine Druckkammer begrenzenden Kolben am Ventil ausgeübte Druckkräfte bewegbar ist, mit einem der Druckkammer zugeordneten Steuerventil zur wahlweisen Druck­ erhöhung und Druckverringerung sowie mit hydraulischen Mitteln zum Halten des Ventils in seiner Schließstellung entgegen dem Brennraumdruck, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulischen Mittel einen mit der Druckkammer (3) in Verbindung stehenden Druckraum (20) enthalten, der von einem dem Brennraumdruck aus­ gesetzten Druckkolben (22) begrenzt ist.

2. Ladungswechselventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkolben (22) neben dem Ventilsitz (6) angeordnet ist.

3. Ladungswechselventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum Öffnen des Ventils (1) an diesem eine übliche Ventilfeder (25) angreift.

4. Ladungswechselventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilfeder (25) an der Rückseite des Kolbens (5) an­ greift.

5. Ladungswechselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (16) wahlweise eine Verbin­ dung zwischen der Druckkammer (3) einerseits und einer druckge­ regelten Hydraulikmediumquelle (14) oder einer Abflußleitung (17) andererseits herstellt.

6. Ladungswechselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkolben (22) als Stufenkolben ausge­ bildet ist, dessen brennraumseitige Stirnfläche (23) größer als seine druckraumseitige Stirnfläche (24) ist.

7. Ladungswechselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die druckkammerseitige Stirnfläche (15) des Kolbens (5) größer als die brennraumseitige Stirnfläche (2a) des Ventilkörpers (2) ist.

8. Ladungswechselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Druckkolben (22) eine ihn in Richtung Brennraum (8) belastende Feder (26) angreift.