DEP0047036DA - Ventilsteuerung von Verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Description

Mit der Erhöhung der Drehzahlen von Verbrennungskraftmaschinen steigt die Beanspruchung der Ventilsteuerung durch Zunahme der Beschleunigungskräfte in immer stärkerem Maße an. Das trifft sowohl für Viertaktmaschinen, als auch besonders für Zweitaktmaschinen zu, da gerade bei den letzteren die Zahl der Steuerungstakte gleich der Maschinendrehzahl ist, während sie beim Viertakter gleich der halben Drehzahl ist. Vor allem für den Zweitakter bietet aber die Ventilsteuerung große Vorteile. Sie erlaubt die Anwendung der Gleichstromspülung mit und ohne Aufladung und ergibt dadurch die vollkommenste Säuberung des Zylinders von den Abgasen und die beste Auffüllung mit Frischluft bei geringstem Luftaufwand. Der Kolbenboden wird nicht mehr durch abströmende Abgase aufgeheizt. Durch Anordnung tangentialer Spülschlitze auf den ganzen Zylinderumfang wird der Kolben gleichmäßig gekühlt, der Zylinder vor dem Verziehen bewahrt und ein starker axialer Luftwirbel erzeugt, der die Verwendung der direkten Einspritzung möglich macht. Neben den bekannten Vorteilen des leichten Anspringens und niedrigen Brennstoffverbrauches bedeutet das gegenüber dem Kammermotoren eine erhebliche Wärmeentlastung des Kolbens, so daß dieser mit ganz normalen Kolbenringen ausgerüstet werden kann. Außerdem ist die Ventilsteuerung beim Zweitakter billiger als beim Viertakter, da einmal nur ein Ventil und zweitens keine besondere Nockenwelle mit Zahnradantrieb erforderlich ist. Der einzige wirkliche Nachteil der Ventilsteuerung liegt in den großen Beschleunigungskräften, die bei dem schlagartigen und schnellen Öffnen des Auslaßventiles aufzubringen sind.

Man hat daher schon versucht, die oszillierenden Steuerorgane durch rotierende zu ersetzen. Solche Organe sind aber teuer und wegen der Schwierigkeiten, die durch die Abdichtung, Schmierung und Kühlung entstehen, zu wenig zulässig.

Für das oben erwähnte schlagartige Aufreißen des Auslaßventiles, das durch die kurze Zeit der Gaswechselperiode bedingt ist, benötigt man einen sehr steilen Nocken, der natürlich dementsprechend große Beschleunigungskräfte erzeugt. Da die aufzubringende Kraft gleich Masse mal Beschleunigung ist, wird man die Massen der Steuerorgane möglichst gering halten.

Nach der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, nur die Teile der plötzlichen Beschleunigung zu unterwerfen, bei denen das wirklich nötig ist, während die übrigen eine vorherige allmähliche Beschleunigung erfahren sollen. Der Steuerungstakt soll demnach in eine sogenannte Vorbeschleunigungs- und Hauptbeschleunigungsperiode unterteilt werden.

Außer den Beschleunigungskräften müssen beim Aufstoßen des Auslaßventiles aber auch noch die Schließkraft der Feder und die aus dem Gasdruck im Zylinder herrührende, auf dem Ventilteller lastende Kraft überwunden werden. Auch diese sollen nach der vorliegenden Erfindung während der oben erwähnten Vorbeschleunigungsperiode möglichst auf Null abgebaut werden, so daß im Augenblick des Ventilöffnens nur noch die Beschleunigungskraft für den Ventilkegel allein aufzubringen ist.

Während der Vorbeschleunigungsperiode sollen alle Steuerungsteile, mit Ausnahme des Abschlußorgans selbst, allmählich auf Geschwindigkeit gebracht werden. Dazu ist natürlich ein verhältnismäßig großes Spiel bzw. ein dementsprechender Leerweg zwischen den Antriebs- und Abschlußorganen erforderlich. Dieser Leerhub, beispielsweise des Stössels mit Stoßstange und Kipphebel, wird durch einen ganz sanft ansteigenden Nocken gesteuert, so daß die Beschleunigungskräfte gering sind. Da das Aufsetzen des Schwinghebels auf den Ventilkegel in diesem Falle bei sehr hoher Geschwindigkeit erfolgt, würde die Stoßbeanspruchung beim Vorhandensein großer Öffnungskräfte ungeheuer sein. Diese müssen daher, wie vorher schon erwähnt, bei Beendigung des Leerhubes, das heißt im Augenblick der Berührung zwischen Antriebs- und Abschlußorgan, möglichst auf Null abgebaut sein, so daß praktisch nur noch die Trägheitskraft des Ventilkegels überwunden werden muss. Das erreicht man am bestehen durch die Zwischenschaltung eines elastischen Gliedes zwischen Antriebs- und Abschlußorgan, das während des Leerhubes eine zunehmende Kraft auf das Abschlußorgan ausübt. Beispielsweise könnte dafür eine Feder benutzt werden, die der Schließfeder des Ventilkegels und der Gaskraft im Zylinder entgegen wirkt, und die durch den Leerhub zunehmend gespannt wird. Eine solche Feder verhindert gleichzeitig auch das Hin- und Herschleudern der sonst losen Antriebsteile, d.h. sie stellt eine dauernde formschlüssige Verbindung zwischen dem Antriebsnocken und den Steuerungsteilen her.

In den Abbildungen sind einige Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

In der Abb. I ist ein Zylinderkopf 1 im Schnitt gezeichnet, in dem der Ventilkegel 2 eingebaut ist. Dieser wird durch die Schließfeder 3 zugehalten. Die Öffnung des Ventiles erfolgt über den Kipphebel 4, der in bekannter Weise durch eine Stoßstange 5 mit Führungsstössel und Nocken betätigt wird. Die letzteren sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Zwischen den Ventilkegel 2 und den Kipphebel 4 ist die Gegenfeder 6 mit dem Federteller 7 eingebaut. Während des Leerhubes, der durch den Abstand zwischen dem Schaftende des Ventilkegels 2 und dem Federteller 7 bestimmt wird, wird die Gegenfeder 6 so stark zusammengedrückt, daß beim Aufsetzen des Federtellers 7 auf den Schaft des Ventilkegels 2 der Vorspannung der Schließfeder 3 und der unter dem Teller des Ventilkegels 2 wirkende Gaskraft praktisch das Gleichgewicht gehalten wird. Jetzt braucht für die Öffnung des Ventils nur noch die Massenbeschleunigungskraft für den Ventilkegel 2 aufgebraucht zu werden.

Der Leerhub läuft dabei auf einer sanft ansteigenden Spiralkurve 12 des Nockens 11 nach Abb. IV ab, während der Öffnungshub zweckmäßigerweise auf einer Tangente 13 weiter geführt wird.

Die Abb. II und III zweigen die gleiche Anordnung wie Abb. I, nur daß an Stelle der Schraubenfeder eine Blattfeder 21 (in Abb. II) bzw. eine Federklemme 31 (in Abb. III) verwendet worden sind.

Möglicherweise kann auch der Kipphebel selbst als starke Blattfeder oder als Blattfederpaket ausgebildet werden. Jedoch sind dann die Öffnungs- und Schließzeiten des Ventils nicht mehr exakt bestimmt.

Claims (7)

1.) Ventilsteuerung für Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsorgane für die Ventile (Stössel, Stoßstange und Kipphebel oder dergleichen) vor dem Öffnungsbeginn der Ventile bereits vorbeschleunigt, d.h. auf eine positive Geschwindigkeit in Richtung des Öffnungshubes gebracht werden.

2.) Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuertakt in einen Vorhub und einen Öffnungshub unterteilt ist.

3.) Ventilsteuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit am Ende des Vorhubes so groß ist, daß die Öffnungszeit des Ventiles auf das durch die Betriebssicherheit bedingte Minimum reduziert wird.

4.) Ventilsteuerung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die rückführenden Schließkräfte und die auf der Ventiltellerfläche ruhenden Gaskräfte bei Beginn des Öffnungshubes ganz oder teilweise aufgehoben sind, so daß das Ventil gewissermaßen im Gleichgewicht schwebt.

5.) Ventilsteuerung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Gegenkraft gegen die Schließ- und Gaskraft des Ventiles elastische Zwischenglieder zwischen die Antriebs- und Abschlußorgane eingebaut sind.

6.) Ventilsteuerung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als elastische Zwischenglieder Federn (Schraubenfedern, Blattfedern oder Federklammern) verwendet werden.

7.) Ventilsteuerung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsorgane selbst ganz oder zum Teil elastisch oder als Federn ausgebildet sind.