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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbrennungsmotoren mit elektromagnetisch
betätigten
Ventilen.
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Wie
bekannt ist, werden gegenwärtig
an Verbrennungsmotoren Tests durchgeführt, in welchen die Einlaß- und Auslaßventile,
welche die Verbrennungskammer des Motors wahlweise mit dem Ansaugkrümmer und
dem Abgaskrümmer
des Motors in Kommunikation bringen, durch elektromagnetische Stellglieder
betätigt
werden, die durch eine elektronische Steuereinheit angetrieben werden.
Diese Lösung
macht es möglich,
den Hub, die Öffnungszeit und
den Moment der Öffnung
oder der Schließung der
Ventile als Funktion der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle und
anderer Betriebsparameter des Motors zu variieren, wodurch seine
Leistungsfähigkeit
wesentlich verbessert wird.
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Leider
haben die Verbrennungsmotoren, die gegenwärtig getestet werden, den Hauptnachteil, daß sie extrem
leistungsfähige
elektromagnetische Stellglieder benötigen, deren Gewicht und Abmessungen
bedeutet, daß sie
schwer auf dem Kopf des Motors zu montieren sind. Darüber hinaus
macht die Verwendung hochleistungsfähiger elektromagnetischer Stellglieder
es notwendig, einen elektrischen Generator von großer Abmessung
auf den Verbrennungsmotor zu montieren, der in der Lage ist, die massive
Nachfrage nach Elektrizität
zufrieden zu stellen, was mit zu verhindernden Produktionskosten verbunden
ist.
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Die
Verwendung von elektromagnetischen Hochleistungsstellgliedern wird
diktiert durch das Erfordernis, auf die Einlaß- und Auslaßventile
axiale Kräfte
von hohem Wert auszuüben.
Bei spezifischen Betriebsmomenten des Motors muß das elektromagnetische Stellglied
in der Lage sein, eine axiale Kraft zu erzeugen, die in der Lage
ist, nicht nur die Trägheit des
Ventils zu überwinden,
sondern auch die durch die in der Verbrennungskammer enthaltenen
Gase auf das Ventil ausgeübte
Kraft.
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Wenn
man z. B. die Augenblicke vor dem Öffnen der Auslaßventile
betrachtet, haben die in der Verbrennungskammer verbrannten Gase
einen Druck von etwas von 8 bar, welcher auf den Ventilteller wirkt
und dessen Öffnung
entgegen wirkt; falls das elektromagnetische Stellglied, das auf
das Auslaßventil
wirkt, deshalb in der Lage sein sollte, daß Auslaßventil zu öffnen und die Verbrennungskammer
in Kommunikation mit dem Abgaskrümmer
zu bringen, muß es
eine Kraft erzeugen, die gleich dem Druck multipliziert mit der
Fläche
des Tellers des Auslaßventils
ist.
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Der
Wert der durch die verbrannten Gase auf das Auslaßventil
ausgeübten
Kraft ist so hoch, daß in den
Verbrennungsmotoren, die gegenwärtig
getestet werden, elektromagnetische Stellglieder mit Leistungen
verwendet werden, die viel größer als
2 kW sind, ein Wert, welcher für
sich sehr hoch ist, wenn man die bestehenden Gewichts- und Raumgrenzen
berücksichtigt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, Verbrennungsmotoren mit
elektromagnetisch betätigten
Ventilen zu schaffen, die elektromagnetische Stellglieder geringer
Leistung verwenden können, um
die oben beschriebenen Nachteile zu beseitigen.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich deshalb auf einen Verbrennungsmotor
mit elektromagnetisch betätigten
Ventilen mit einer Verbrennungskammer mit variablem Volumen, wenigstens
einer Ansaugleitung, welche die Verbrennungskammer mit einer Ansaugkrümmer des
Motors verbindet, und wenigstens einer Abgasleitung, welche die
Verbrennungskammer mit einem Abgaskrümmer des Motors verbindet,
wobei der Verbrennungsmotor ferner für jede Ansaug- und Abgasleitung
aufweist ein jeweiliges Ventil, das sich aus einer geschlossenen
Position und in eine solche bewegen kann, in welcher dieses die
Leitung verschließt,
und einem elektromagnetischen Stellglied, das so ausgewählt ist,
daß es
das Ventil auf Befehl in diese geschlossene Position und aus dieser
bewegt, wobei der Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet ist,
daß dieser
für wenigstens
eines dieser Ventile Mittel zum Ausgleichen der auf das Ventil ausgeübten Drucke
aufweist, welche so ausgebildet sind, daß sie die Druckkräfte, welche der Öffnung dieses
Ventils entgegen gerichtet sind, ausgleichen.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, welche einen Verbrennungsmotor mit elektromagnetisch
betätigten
Ventilen in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung zeigen.
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In
der beigefügten
Zeichnung ist ein Verbrennungsmotor insgesamt durch 1 dargestellt
und umfaßt
einen Block 2, einen oder eine Mehrzahl von Kolben 3,
die in einer axial gleitenden Weise in jeweiligen zylindrischen
Hohlräumen 4 montiert
sind, die in dem Körper
des Blocks 2 enthalten sind, und einen Kopf 5,
der auf dem Scheitelpunkt des Blocks 2 angeordnet ist,
so daß die
zylindrischen Hohlräume 4 geschlossen
sind.
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In
dem jeweiligen zylindrischen Hohlraum 4 begrenzt jeder
Kolben 3 zusammen mit dem Kopf 5 eine Verbrennungskammer 6 mit
variablen Volumen, während
der Kopf 5 für
jede Verbrennungskammer 6 mit wenigstens einer Ansaugleitung 7 und
wenigstens einer Abgasleitung 8 versehen ist, die so ausgebildet
ist, daß sie
die Verbrennungskammer 6 mit dem Ansaugkrümmer bzw.
mit dem Abgaskrümmer des
Motors 1 verbindet, die beide von bekannter Bauart sind
und nicht dargestellt sind.
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In
der beigefügten
Zeichnung ist der Motor 1 ferner mit einer Gruppe elektromagnetisch
betätigter Ventile
versehen, die so ausgebildet sind, daß sie den Luftstrom in die
Verbrennungskammer 6 über
die Ansaugleitung 7 und den Strom der verbrannten Gase
aus der Verbrennungskammer 6 über die Abgasleitung 8 regulieren.
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Der
Motor 1 im Speziellen hat am Einlaß jeder Leitung, sei es einer
Ansaugleitung 7 oder einer Abgasleitung 8, ein
jeweiliges Tellerventil 9 bekannter Bauart, welches auf
dem Kopf 5 so montiert ist, daß es mit seinem Stab 10 axial
durch den Körper des
Kopfes 5 hindurch gleitet und sich sein Kopf 11 am
Einlaß der
Leitung axial in und aus einer geschlossenen Position bewegt, in
welcher dieser den Einlaßt
dieser Leitung in einer leckdichten Weise schließt. Die Ventile 9,
die an dem Einlaß der
Ansaugleitungen 7 positioniert sind, sind allgemein als "Einlaßventile" bekannt, während die
Ventile 9, die an dem Einlaß der Abgasleitungen 8 positioniert
sind, allgemein als "Auslaßventile" bekannt sind.
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Der
Motor 1 umfaßt
für jedes
Einlaßventil 9 und
jedes Auslaßventil 9 ein
jeweiliges elektromagnetisches Stellglied 12, das so ausgebildet,
daß es den
Stab 10 des Ventils 9 derart axial verstellt,
daß sich
der Kopf 11 aus und in seine geschlossene Position bewegt.
Die elektromagnetischen Stellglieder 12 werden durch eine
elektronische Steuereinheit (nicht gezeigt) angetrieben und sind
in der gezeigten Ausführungsform
auf dem Kopf 5 auf der entgegen gesetzten Seite zum Block 2 positioniert,
jeweils koaxial mit Bezug zu dem Stab 10 des Ventils 9,
den sie zu bewegen haben.
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In
der in der beigefügten
Zeichnung gezeigten Ausführungsform
umfaßt
jedes elektromagnetische Stellglied 12 zwei ringförmige Elektromagnete 13,
die in Ausrichtung entlang der Achse A des Stabes 10 des
Ventils 9 in einem vorbestimmten Abstand voneinander angeordnet
sind, eine Scheibe 14 aus ferromagnetischem Material, das
koaxial zu der Achse A zwischen den zwei Elektromagneten 13 und
einem äußeren Schutzgehäuse 15,
innerhalb welchen die zwei ringförmigen
Elektromagnete 13 und die Scheibe aufgenommen sind, angeordnet
ist. Das äußere Gehäuse 15 ist
offensichtlich an dem Kopf 5 des Motors 1 befestigt.
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Die
zwei Elektromagnete 13 sind beide durch einen äußeren magnetischen
Kern 13a aus ferromagnetischem Material gebildet, welcher
eine Toroidform mit einem im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt hat, und
durch eine Wicklung 13b aus elek trisch leitfähigem Material,
die innerhalb des äußeren magnetischen
Kerns 13a gewickelt ist. die zwei Elektromagnete 13 sind
beide derart ausgerichtet, daß die
korrespondierende Wicklung 13b der Scheibe direkt zugewandt
ist, deren Funktion ist, den magnetischen Schaltkreis der zwei Elektromagnete 13 abwechselnd
zu schließen.
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Die
Scheibe 14 ist an dem freien Ende des Stabes 10 festgelegt
und kann unter der Wirkung des magnetischen Feldes, das abwechselnd
durch die zwei ringförmigen
Elektromagnete 13 erzeugt wird, axial zwischen einer ersten
Betriebsposition, in welcher die Scheibe 14 in Anschlag
an dem Elektromagnet 13 angeordnet ist, der hinter dem
Kopf 5 angeordnet ist, und einer zweiten Betriebsposition,
in welcher die Scheibe 14 in Anschlag an den Elektromagneten 13 angeordnet
ist, der auf der entgegen gesetzten Seite des Kopfes 5 in
Bezug zu dieser Scheibe 14 angeordnet ist, axial bewegt
werden kann. Es ist naheliegend, daß, wenn sich die Scheibe 14 in
der ersten Betriebsposition befindet, der elektrische Strom in dem
Elektromagneten zirkuliert, der hinter dem Kopf 5 angeordnet
ist, während
der elektrische Strom, während
sich die Scheibe 14 in der zweiten Betriebsposition befindet,
in dem Elektromagneten 13 zirkuliert, der auf der entgegen
gesetzten Seite des Kopfes 5 in Bezug zu der Scheibe 14 angeordnet ist.
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Wenn
die Scheibe 14 sich in der ersten Betriebsposition befindet,
geht der Kopf 11 des Ventils 9 aus dem Einlaß der Leitung
vor, und das Ventil 9 befindet sich somit in der offenen
Position; wenn jedoch sich die Scheibe 14 in der zweiten
Betriebsposition befindet, greift der Kopf 11 in den Einlaß der Leitung in
einer leckdichten Weise ein, und das Ventil 9 ist deshalb
in der geschlossenen Position.
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In
der gezeigten Ausführungsform
ist jedes elektromagnetische Stellglied 12 auch mit zwei
im Wesentlichen identischen Schraubenfedern 16, versehen,
die koaxial zu der Achse A angeordnet sind, jede innerhalb eines
jeweiligen Elektromagneten 13. Diese Federn stehen mit
einem ersten Ende in Anschlag an der Scheibe 14 und mit
einem zweiten Ende in Anschlag an der Oberfläche des Kopfes 5 oder
an der Basis des äußeren Gehäuses 15 und sind
so ausgebildet, daß sie
die Verstellung der Scheibe 14 aus der ersten in die zweite
Betriebsposition und umgekehrt erleichtern.
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Für jedes
elektromagnetische Stellglied 12 in Bezug zu einem Auslaßventil 9 umfaßt der Motor 1 schließlich eine
Einrichtung 17 zum Ausgleichen der auf den Kopf 11 des
Ventils 9 ausgeübten
Drucke, welche so ausgebildet ist, die Druckkräfte, die dem Öffnen des
Ventils 9 während
des normalen Betriebs des Motors 1 entgegen gesetzt sein
können,
auszugleichen. Diese Druckkräfte
sind aufgrund der Tatsache, daß die
Seite 11a des Kopfes 11 des Ventils 9, das
der Verbrennungskammer 6 zugewandt ist, während des
voraus gehenden Augenblicks der Öffnung des
Ventils 9 einem unterschiedlichen Druck zu dem Druck auf
der Seite 11b des Kopfes 11, der dem Inneren der
Abgasleitung 8 zugewandt ist, ausgesetzt ist, wesentlich.
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Die
Ausgleichseinrichtung 17 ist in der gezeigten Ausführungsform
durch eine Kompensationskammer 18 gebildet, die innenseitig
des Kopfes 5, koaxial zur Achse A des Stabes 10 des
Ventils 9, auf welches die Einrichtung einwirken soll,
vorgesehen ist, und durch einen Kolben 19, der in einer
axial gleitenden Weise in dieser Kompensationskammer 18 montiert
ist. Dieser Kolben 19 ist auf den Stab 10 des Ventils 9,
auf welches die Ausgleichseinrichtung 17 einwirken soll,
abgestimmt und begrenzt in dieser Kammer 18 zwei Halbkammern 20a und 20b mit komplementär variablem
Volumen.
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Eine
der zwei Halbkammern 20a und 20b kommuniziert
mit der Verbrennungskammer 6 und die andere mit der Abgasleitung 8 über jeweilige
Leitungen 21 und 22, derart, daß die gleichen
Drucke, die auf den Seiten 11a und 11b des Kopfes 11 des Auslaßventils 9 auf
die zwei Seiten des Kolbens 19 wirken.
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Insbesondere
muß, um
die Auswirkungen der Druckkräfte
auszugleichen, die Halbkammer 20a, welche ihr Volumen steigert,
wenn das Ventil 9 in die offene Position bewegt wird, in
Kommunikation mit der Verbrennungskammer 6 gehen, während die Halbkammer 20b,
welche ihr Volumen reduziert, wenn das Ventil 9 in die
offe ne Position verstellt wird, in Kommunikation mit der Abgasleitung 8 stehen muß. Es ist
naheliegend, daß,
um einen optimalen Ausgleich zu erreichen, die Kammer 18 derart
ausgebildet sein muß,
daß die
Krone des Kolbens 19 einen Oberflächenbereich hat, der kleiner
oder gleich demjenigen jeder der zwei Seiten 11a und 11b des
Kopfes 11 des Ventils 9 ist.
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Um
die Verbindung der Halbkammer 20a mit der Verbrennungskammer
zu vereinfachen, kann die Leitung 21 in vorteilhafter Weise
innerhalb des Stabes 10 des Ventils 9 erhalten
werden.
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Es
ist naheliegend, daß die
Ausgleichseinrichtung 17 möglicherweise außerhalb
des Kopfes 5 positioniert sein kann, z. B. auf dem Scheitelpunkt des
elektromagnetischen Stellgliedes 12.
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Gemäß einer
ersten Variante (nicht gezeigt) kann der Motor 1 auch mit
einer Ausgleicheinrichtung 17 für jedes der elektromagnetischen
Stellglieder 12 vorgesehen sein, welche die Einlaßventile 9 betätigen.
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Gemäß einer
weiteren Variante (nicht gezeigt) kann der Kolben 19 durch
eine elastisch verformbare Federplatte ersetzt werden. Der Oberflächenbereich
der Federplatte muß natürlich innerhalb der
gleichen Abmessungskriterien liegen, denen der Kolben 19 ausgesetzt
ist.
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Der
Betrieb des Motors 1 kann aus der obigen Beschreibung ohne
Weiteres hergeleitet werden und bedarf deshalb keiner weiteren Erläuterung.
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Der
Motor 1, wie er beschrieben und dargestellt ist, hat den
unstreitigen Vorteil, daß dieser
elektromagnetische Stellglieder 12 mit einer Leistung nutzen
kann, die wesentlich geringer ist als diejenige der gegenwärtig verwendeten
elektromagnetischen Stellglieder, ohne komplizierte Veränderungen
an der Struktur des Motors mit sich zu bringen. Der Einbau der Ausgleicheinrichtungen 17 in
der Motorarchitektur ist relativ einfach und erfordert keine größeren Modifikationen
einer Produktionsanlage Es ist auch naheliegend, daß Modifikationen
und Variationen an dem Motor 1, so wie er beschrieben und
dargestellt ist, durchgeführt
werden können,
ohne dadurch den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.