SE540998C2 - Förbränningsmotor med pneumatisk ventilfjäder - Google Patents

Abstract

Uppfinningen hänför sig till en förbränningsmotor innefattande, en första styrbar motorventil inrättad att valbart öppna/stänga en i förbränningsmotorn ingående förbränningskammare, ett topplock som är angränsande förbränningskammaren, och som är inrättat att styra ett ventilskaft hos motorventilen, varvid motorventilen är axiellt förskjutbar relativt nämnda topplock mellan en förbränningskammaren stängd position och en förbränningskammaren fullt öppen position, och en ventilfjäderbricka som är förbunden med nämnda ventilskaft. Förbränningsmotorn är kännetecknad av att ventilfjäderbrickan delvis avgränsar en gasfjädervolym, vilken är i fluidkommunikation med en angränsande gasvolym via en port då motorventilen är i den förbränningskammaren stängda positionen, och vilken är avgränsad från den angränsande gasvolymen då motorventilen är i den förbränningskammaren fullt öppna positionen, varvid nämnda port är öppen under åtminstone 25 procent av motorventilens maximala slaglängd.

Description

FÖRBRÄNNINGSMOTOR MED PNEUMATISK VENTILFJÄDER Uppfinningens tekniska område Den föreliggande uppfinningen hänför sig i allmänhet till en förbränningsmotor lämpad för drivning av ett fordon, såsom en bil eller lastbil, en båt, etc. eller för drivning av en maskin såsom ett elaggregat eller dylikt. De förbränningsmotorer som berörs är framförallt kamaxelfria kolvmotorer, vilka även är kända under begreppet "motor med fria ventiler". I synnerhet hänför sig den föreliggande uppfinningen till en förbränningsmotor innefattande en första styrbar motorventil inrättad att valbart öppna/stänga en i förbränningsmotorn ingående förbränningskammare, ett topplock som är angränsande förbränningskammaren, och som är inrättat att styra ett ventilskaft hos motorventilen, varvid motorventilen är axiellt förskjutbar relativt nämnda topplock mellan en förbränningskammaren stängd position och en förbränningskammaren fullt öppen position, och en ventilfjäderbricka som är förbunden med nämnda ventilskaft.

Uppfinningens bakgrund och teknikens ståndpunkt I en dylik kamaxelfri förbränningsmotor nyttjas en tryckfluid, såsom en vätska eller gas, för att åstadkomma en förskjutning/öppning av en eller flera motorventiler. Detta medför att de kamaxlar, och tillhörande utrustning, som konventionella förbränningsmotorer använder för att öppna motorventilerna för att släppa in luft respektive släppa ut avgaser från förbränningskamrarna har ersatts med ett mindre utrymmeskrävande och mer styrbart system. Dock skall påpekas att den föreliggande uppfinningen även kan nyttjas i en förbränningsmotor innefattande traditionella kamaxlar.

Förbränningsmotorer innefattar traditionellt en kraftig ventilfjäder i form av spiralfjäder för att återföra respektive motorventil till en förbränningskammaren stängd position. Vid dimensionering av dessa spiralfjädrar måste flera faktorer vägas in för att erhålla adekvat stängning vid olika motorvarvtal och för att säkerställa att motorventilen inte oönskat öppnas vid fel tillfälle. I realiteten måste spiralfjädrarna dimensioneras för den mest extrema situationen, vilket i de flesta driftssituationer medför att ventilfjäderkraften är onödigt stor vilket i sin tur medför onödig energiförbrukning. Därtill är fjäderkraften linjärt ökande för en traditionell ventilfjäder.

Pneumatiska ventilfjädrar är exempelvis kända från Formell-motorer, då traditionella spiralfjädrar i metall inte är tillräckligt snabba i de extremt höga varvtal som där används. Dessa lösningar använder sig av en syrefri gas som gasfjäder och därtill dyra och komplicerade tätningar för att förhindra att gasen läcker ut eller luft/olja läcker in. Ur kostnadssynpunkt är det inte försvarbart att nyttja den teknik som används i Formell-motorer i en förbränningsmotor hos en personbil eller lastbil.

I en förbränningsmotor enligt den föreliggande uppfinningen nyttjas såväl pneumatik som hydraulik för densammas drift, och i dessa system är det önskvärt att hydraulvätska förefinns i gasen som vanligtvis består av luft, i smörjande, nedkylande och tätande syfte. Med hydraulvätska avses häri i första hand motorolja om inget annat anges.

Kortfattad beskrivning av uppfinningens syften Den föreliggande uppfinningen tar sikte på att undanröja ovannämnda nackdelar och tillkortakommanden hos tidigare kända förbränningsmotorer och att tillhandahålla en förbättrad förbränningsmotor. Ett grundläggande syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en förbättrad förbränningsmotor av inledningsvis definierad typ, i vilken energin som åtgår för att öppna motorventilerna är mindre än hos tidigare kända förbränningsmotorer.

Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en förbränningsmotor, i vilken returfjäderkraften som verkar mot motorventilen har ökande lägesderivata vid höga och ökande motorventillyft för att förhindra släpp mellan motorventilskaftet och tryckaren.

Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en förbränningsmotor, vilken innefattar en pneumatisk ventilfjäder som tillåter att hydraulvätska återfinns i gasen som används, utan att påverkas negativt.

Ett ytterligare syfte med den föreliggande uppfinningen är att tillhandahålla en förbränningsmotor, som medför justerbar returfjäderkraft hos den pneumatiska ventilfjädern.

Kortfattad beskrivning av uppfinningens särdrag Enligt uppfinningen uppnås åtminstone det grundläggande syftet medelst den inledningsvis definierade förbränningsmotorn, som har särdragen definierade i det oberoende kravet. Föredragna utföranden av den föreliggande uppfinningen är vidare definierade i de beroende kraven.

Enligt den föreliggande uppfinningen tillhandahålls en förbränningsmotor av inledningsvis definierad typ, vilken är kännetecknad av att ventilfjäderbrickan delvis avgränsar en gasfjädervolym, vilken är i fluidkommunikation med en angränsande gasvolym via en port då motorventilen är i den förbränningskammaren stängda positionen, och vilken är avgränsad från den angränsande gasvolymen då motorventilen är i den förbränningskammaren fullt öppna positionen, varvid nämnda port är öppen under åtminstone 25 procent av motorventilens maximala slaglängd.

Således är den föreliggande uppfinningen baserad på insikten att genom att låta gasfjädervolymen vara i fluidkommunikation med en angränsande gasvolym då motorventilen är stängd kan förspänningstrycket hos den pneumatiska ventilfjädern justeras samtidigt som den pneumatiska ventilfjädern enbart nyttjas vid höga motorventillyft.

Enligt ett föredraget utförande av den föreliggande uppfinningen, innefattar topplocket en genomföring, vilken är inrättad att styra motorventilens ventilskaft, varvid nämnda ventilfjäderbricka och en från ventilfjäderbrickan sig sträckande cylinderformad hylsa bildar en ventilfjäderhuv, varvid ventilfjäderhuvens cylinderformade hylsa är teleskopiskt förskjutbar relativt nämnda genomföring, radiellt utanför genomföringen, och varvid ventilfjäderhuven och genomföringen avgränsar nämnda gasfjädervolym. Detta medför att eventuellt ansamlad vätska i gasfjädervolymen automatiskt evakueras från densamma då motorventilen är stängd.

Enligt ett föredraget utförande av den föreliggande uppfinningen, uppvisar ventilfjäderhuvens cylinderformade hylsa, närliggande densammas fria ände, nämnda port för att medge fluidkommunikation mellan gasfjädervolymen och den angränsande gasvolymen då motorventilen är i den förbränningskammaren stängda positionen. Därmed erhålls en direkt korrelation mellan förskjutning av motorventilen och stängning av fluidkommunikationen mellan gasfjädervolymen och den angränsande gasvolymen.

Enligt ett föredraget utförande innefattar förbränningsmotorn en topplockskammare som ingår i en sluten tryckfluidkrets, och som delvis avgränsas av nämnda topplock, varvid ventilfjäderhuven är anordnad i topplockskammaren. Därmed nyttjas den gas som nyttjas i den slutna tryckfluidkretsen, vilket medför mindre krav på avtätning.

Företrädesvis innefattar förbränningsmotorn en positionssensor, vilken innefattar nämnda ventilfjäderhuv och en spole, varvid ventilfjäderhuven är teleskopiskt förskjutbar relativt spolen, radiellt innanför spolen. Till följd av att ventilfjäderhuven är förbunden med motorventilen medges en noggrann fastställning/övervakning av motorventilens position Ytterligare fördelar med och särdrag hos uppfinningen framgår av övriga osjälvständiga krav samt av den följande, detaljerade beskrivningen av föredragna utföranden.

Kortfattad beskrivning av ritningarna En mer fullständig förståelse av ovannämnda och andra särdrag och fördelar hos den föreliggande uppfinningen kommer att framgå av den följande, detaljerade beskrivningen av föredragna utföranden med hänvisning till de bifogade ritningarna, på vilka: Fig. 1 är en schematisk genomskuren sidovy av en del av en förbränningsmotor, Fig. 2 är en schematisk genomskuren sidovy av en ventilaktuator, Fig. 3 är en delvis genomskuren schematisk perspektivvy av ett topplock och topplockskåpor, Fig. 4 är en schematisk genomskuren sidovy av en motorventil med tillhörande returfjäderarrangemang enligt ett första utförande, Fig. 5 är en förstoring av en del av figur 4 visande returfjäderarrangemanget, Fig. 6 är en schematisk genomskuren sidovy av en motorventil med tillhörande returfjäderarrangemang enligt ett andra utförande, Fig. 7 är en förstoring av en del av figur 6 visande returfjäderarrangemanget, Fig. 8 är en schematisk genomskuren sidovy av ett returfjäderarrangemang enligt ett tredje utförande, Fig. 9 är en schematisk genomskuren sidovy av returfjäderarrangemanget enligt figur 8 enligt ett alternativt utförande, och Fig. 10 är en schematisk genomskuren sidovy av ett returfjäderarrangemang enligt ett fjärde utförande.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföranden Hänvisning sker inledningsvis till figur 1 som är en schematisk återgivning av en del av en uppfinningsenlig förbränningsmotor, generellt betecknad 1. Förbränningsmotorn 1 innefattar ett cylinderblock 2 med åtminstone en cylinder 3. Vanligtvis innefattar nämnda cylinderblock 2 tre eller fyra cylindrar 3. I det visade utförandet beskrivs en cylinder 3, dock skall inses att den utrustning som beskrivs nedan i anslutning till den visade cylindern 3 företrädesvis appliceras på förbränningsmotorns 1 samtliga cylindrar, i de fall förbränningsmotorn innefattar flera cylindrar.

Vidare innefattar förbränningsmotorn 1 en i nämnda cylinder 3 axiellt förskjutbar kolv 4. Kolvens 4 rörelse, axiella förskjutning fram och åter, överförs på konventionellt sätt till en med kolven 4 förbunden vevstake 5 som i sin tur är förbunden med och driver en vevaxel (inte visad) i rotation.

Förbränningsmotorn 1 innefattar även ett topplock 6 som tillsammans med nämnda cylinder 3 och nämnda kolv 4 avgränsar en förbränningskammare 7. I förbränningskammaren 7 sker antändning av en blandning av bränsle och luft på konventionellt sätt och beskrivs inte mer häri. Topplocket 6 innefattar en styrbar första motorventil 8, även känd som gasväxlingsventil, i det visade utförandet innefattar topplocket även en styrbar andra motorventil 9. Nämnda första motorventil 8 utgör i det visade utförandet en tilluftsventil som är anordnad att valbart öppna/stänga för tillförsel av luft till förbränningskammaren 7. Den andra motorventilen 9 utgör i det visade utförandet en frånluftsventil, eller avgasventil, som är anordnad att valbart öppna/stänga för evakuering av avgaser från förbränningskammaren 7.

Förbränningsmotorn 1 innefattar vidare i det föredragna utförandet en första ventilaktuator 10 som är operativt förbunden med nämnda första motorventil 8 och som är inrättad i en sluten tryckfluidkrets hos förbränningsmotorn 1. Den första ventilaktuatorn 10 innefattar åtminstone en inloppsöppning 11 för tryckfluid och åtminstone en utloppsöppning 12 för tryckfluid. Tryckfluiden är en gas eller gasblandning, företrädesvis luft eller kvävgas. Luft har den fördelen att det är enkelt att byta ut tryckfluid eller tillföra mer tryckfluid om den slutna tryckfluidkretsen läcker, och kvävgas har den fördelen att den saknar syre vilket förhindrar oxidation av andra element.

I det fall förbränningsmotorn 1 innefattar flera ventilaktuatorer är dessa anordnade parallellt med varandra i nämnda slutna tryckfluidkrets. Varje ventilaktuator kan vara operativt förbunden med en eller flera motorventiler, exempelvis kan förbränningsmotorn innefatta två tilluftsventiler 8 vilka samfällt drivs av en och samma ventilaktuator 10, dock är det föredraget att varje ventilaktuator driver en motorventil vardera för att erhålla största möjliga styrbarhet av förbränningsmotorns 1 drift.

Beskrivningen härnedan av förbränningsmotorn 1 kommer enbart omfatta en motorventil 8 och en ventilaktuator 10, men det skall inses att motsvarande gäller för samtliga motorventiler och ventilaktuatorer om inget annat anges. Förbränningsmotoren 1 innefattar även en topplockskammare 13 som ingår i nämnda slutna tryckfluidkrets och som avgränsas av nämnda topplock 6 och en topplockskåpa 14. I det visade utförandet är topplockskåpan 14 uppdelad i två delar, vilka delar är individuellt förbindbara med och löstagbara från topplocket 6 medelst skruvar 15. Topplockskammaren 13 uppvisar företrädesvis en volym i storleksordningen 3-10 liter, typiskt i storleksordningen 5-6 liter. I ett alternativt utförande återfinns enbart en topplockskåpa 14 som, tillsammans med topplocket 6, ensamt avgränsar topplockskammaren 13.

Ventilaktuatorns 10 åtminstone en utloppsöppning 12 är i fluidkommunikation med topplockskammaren 13, dvs. den tryckfluid som lämnar ventilaktuatorn 10 via nämnda åtminstone en utloppsöppning 12 strömmar ut i topplockskammaren 13. I de fall förbränningsmotorn 1 innefattar flera ventilaktuatorer, mynnar samtliga ventilaktuatorers utloppsöppningar för tryckfluid företrädesvis i en och samma topplockskammare.

Företrädesvis är hela ventilaktuatorn 10 anordnad i nämnda topplockskammare 13, och det är även föredraget att ventilaktuatorn 10 är lösgörbart förbunden med nämnda topplockskåpa 14, exempelvis medelst en skruv 16, eller liknande fästdon. I detta utförande "hänger" således ventilaktuatorn 10 i topplockskåpan 14 utan att vara i kontakt med topplocket 6. Om ventilaktuatorn 10 skulle vara i kontakt med både topplockskåpan 14 och topplocket 6, erhålls en konstruktionsmässigt ofördelaktig toleranskedja.

Hänvisning sker nu till figur 2, vilken visar en schematisk återgivning av ventilaktuatorn 10.

Ventilaktuatorn 10 innefattar en aktuatorkolvskiva 17 och en aktuatorcylinder 18 som avgränsar en nedåt öppen cylindervolym. Aktuatorkolvskivan 17 avdelar nämnda cylindervolym i en första, övre del 19 och en andra, undre del 20 och är axiellt förskjutbar i nämnda aktuatorcylinder 18. Aktuatorkolvskivan 17 bildar del av en aktuatorkolv eller tryckare, generellt betecknad 21, som är inrättad att ligga an mot och driva motorventilen 8. Vidare innefattar aktuatorkolven 21 medel 22 för speleliminering i axiell led i förhållande till nämnda motorventil 8. Spelelimineringsmedlet 22 är företrädesvis hydrauliskt, och ser till att när aktuatorkolven 21 är i sitt övre vändläge förblir aktuatorkolven 21 i kontakt med den första motorventilen 8 då densamma är stängd, i syfte att korrigera för monteringstoleranser, värmeutvidgningar, etc. Således justeras aktuatorkolvens 21 axiella längd automatiskt medelst spelelimineringsmedlet 22.

Den andra delen 20 hos ventilaktuatorns 10 cylindervolym är i fluidkommunikation med nämnda topplockskammare 13. På detta sätt säkerställs att samma tryck verkar på aktuatorkolvskivan 17 från den första delen 19 av cylindervolymen respektive från den andra delen 20 av cylindervolymen, när aktuatorkolven 21 är i det övre vändläget.

Därmed är tätningen mellan aktuatorkolvskivan 17 och aktuatorcylindern 18 inte kritisk utan visst läckage kan tillåtas, vilket medför att ett enklare och billigare tätningsarrangeman kan nyttjas, och i viloläge påverkas aktuatorkolvskivan inte av förändringar i lågtrycksnivån.

Ventilaktuatorn 10 innefattar en styrbar inloppsventil 23 som är anordnad att öppna/stänga inloppsöppningen 11, en styrbar utloppsventil 24 som är anordnad att öppna/stänga utloppsöppningen 12, en hydraulikkrets, generellt betecknad 25, som i sin tur innefattar en backventil 26 anordnad att tillåta påfyllning av hydraulikkretsen 25 och en styrbar tömningsventil 27 anordnad att styra tömning av hydraulikkretsen 25. Det skall påpekas att ventilerna i ventilaktuatorn 10 är schematiskt återgivna och kan exempelvis utgöras av slidventiler, sätesventiler, etc. Vidare kan flera av ovannämnda styrbara ventiler utgöras av en enda kropp. Vardera ventil kan vidare vara direkt eller indirekt elektrisk styrd. Med direkt elektriskt styrd avses att ventilens position är direkt styrd av exempelvis en elektromagnetisk anordning, och med indirekt elektriskt styrd avses att ventilens position är styrd av en tryckfluid som i sin tur är styrd av exempelvis en elektromagnetisk anordning.

För att erhålla en förskjutning av aktuatorkolvskivan 17 nedåt, för att öppna motorventilen 8, öppnas inloppsventilen 23 för att tillåta påfyllning av tryckfluid med högt tryck in i den övre delen 19 av cylindervolymen. Då aktuatorkolven 21 förskjuts nedåt öppnar hydraulikkretsens 25 backventil 26 varpå hydraulvätska sugs in och ersätter den volym som aktuatorkolven 21 lämnar. Därefter stängs inloppsventilen 23 och tryckfluiden som kommit in i den övre delen 19 av cylindervolymen tillåts expandera varpå aktuatorkolvskivan 17 fortsätter sin rörelse nedåt. Då tryckfluiden i den övre delen 19 av cylindervolymen inte orkar förskjuta aktuatorkolvskivan 17 längre, dvs. då trycket på undersidan av aktuatorkolvskivan 17 och den första motorventilens 8 returfjäder är lika högt som trycket på ovansidan av aktuatorkolvskivan 17, stannar aktuatorkolvskivan 17. Aktuatorkolvskivan 17 hålls kvar (låses) i denna nedre position önskad tid genom att hydraulikkretsens 25 tömningsventil 27 hålls stängd samtidigt som hydraulikkretsens 25 backventil 26 stängs automatiskt. För att åstadkomma en returrörelse öppnas utloppsventilen 24 för att medge evakuering av tryckfluid från den övre delen 19 av cylindervolymen, och därtill öppnas hydraulikkretsens 25 tömningsventil 27 varpå aktuatorkolvskivan 17 förskjuts uppåt då hydraulvätskan evakueras från hydraulikkretsen 25, och samtidigt evakueras tryckfluiden från den övre delen 17 av cylindervolymen till topplockskammaren 13.

Hänvisning sker nu i första hand till figur 3, vilken visar en delvis genomskuren schematisk perspektivvy av bland annat ett topplock och topplockskåpor.

Topplockskåpan 14 innefattar ett tryckfluidgrenrör 29 som är förbundet med ventilaktuatorns 10 åtminstone en inloppsöppning 11. Tryckfluidgrenröret 29 sträcker sig utmed topplockskåpans 14 axiella längd. Nämnda tryckfluidgrenrör 29 bildar del av en primär tryckfluidkanal 30 som sträcker sig från en kompressor 31 till ventilaktuatorns 10 åtminstone en inloppsöppning 11. Kompressorn 31 är anordnad att tillföra tryckfluid under högt tryck till ventilaktuatorerna. Vidare sträcker sig en sekundär tryckfluidkanal 32 (se även figur 1) från topplockskammaren 13 till nämnda kompressor 31.

Volymen på den primära tryckfluidkanalen 30, högtryckssidan, skall hållas så liten som möjligt för att temperaturen på tryckfluiden skall sjunka så lite som möjligt från kompressorn 31 till ventilaktuatorn 10. Volymen hos topplockskammaren 13 och den sekundära tryckfluidkanalen 32, lågtryckssidan, skall å andra sidan maximeras för att tryckförhållandet mellan lågtryckssidan och högtryckssidan skall påverkas så lite som möjligt när kompressorn 31 drar luft från lågtryckssidan. Företrädesvis är volymen hos topplockskammaren 13 och den sekundära tryckfluidkanalen 32 åtminstone tio gånger större än volymen hos den primära tryckfluidkanalen 30, allra helst åtminstone femton gånger större.

Kompressorn 31 har företrädesvis varierbar kompressorvolym/deplacement eller på annat sätt reglerbart utflöde, och vanligtvis drivs kompressorn 31 via förbränningsmotorns 1 vevaxel. Vid höga varvtal och högt vridmomentuttag krävs högre tryck hos tryckfluiden i den primära tryckfluidkanalen 30 och vid låga varvtal och lågt vridmomentuttag krävs lägre tryck hos tryckfluide i den primära tryckfluidkanalen 30. Tryckdifferensen mellan högtryckssidan och lågtryckssidan är i storleksordningen 15-20 bar vid höga varvtal och hög motorlast/vridmomentuttag och i storleksordningen 2-5 bar vid låga varvtal och låg motorlast. Företrädesvis är kompressorn 31 av typen axialkolvpump, engelsk benämning "swashplate", vilken åstadkommer variabelt deplacement medelst ett flertal kolvar med varierbar slaglängd där alla kolvar är inrättade i inbördes olika lägen i sina respektive cykler. Slaglängden bestäms av lutningen hos en glidplatta, vilken verkar mot och genom rotation driver kolvarna att utföra en axiell rörelse, och vilkens centrumaxel genomför en nuterande rörelse. För varje varv glidplattan vrids kommer alla kolvar ha utfört en cykel. Glidplattans lutning är således varierbar/ställbar.

Trycknivån hos högtryckssidan är i storleksordningen 8-30 bar för att med tillräcklig snabbhet öppna en inåtöppnande motorventil där ett högt mottryck råder i förbränningskammaren, och trycknivån hos lågtryckssidan är i storleksordningen 4-8 bar, för att hålla tryckförhållandet under 1:4, helst under 1:3. Syftet är att hålla temperaturen på tryckfluiden i den primära tryckfluidkanalen 30 under 120°C under normal drift för att inte oxidera en hydraulvätskedimma som återfinns i tryckfluiden, dock kan temperaturer upp till 150°C tillåtas under korta/begränsade perioder.

Vidare innefattar topplockskåpan 14 ett hydraulvätskegrenrör 33 som är förbundet med en inloppsöppning 34 hos nämnda hydraulikkrets 25 hos ventilaktuatorn 10. Hydraulvätskegrenröret 33 sträcker sig utmed topplockskåpans 14 axiella längd, parallellt med tryckfluidgrenröret 29. En pump 35, eller liknande, är anordnad att tillföra trycksatt hydraulvätska till hydarulvätskegrenröret 33 via en ledning 36. Vidare innefattar topplockskåpan 14 all nödvändig elektrisk infrastruktur (inte visad) för att bland annat styra ventilaktuatorn 10, för diverse sensorer, etc.

Beskrivning av uppfinningen kommer nu att ske med hänvisning till figurerna 4-10, vilka visar alternativa utföranden av den första motorventilens 8 returfjäderarrangemang.

Hänvisning sker i första hand till figurerna 4 och 5, vilka visar ett första utförande av den första motorventilens 8 returfjäderarrangemang.

Topplocket 6 innefattar i det visade utförandet en genomföring, generellt betecknad 37, vilken genomföring är inrättad att styra ett ventilskaft 38 hos motorventilen 8. Motorventilen 8 är axiellt förskjutbar relativt nämnda genomföring 37, och relativt topplocket 6, mellan en förbränningskammaren 7 stängd position och en förbränningskammaren 7 öppen position. Då förbränningskammaren 7 är öppen tillåts fluidkommunikation, förbi motorventilen 8, mellan förbränningskammaren 7 och ett lufttillförselsystem alternativt ett luftevakueringssystem/avgassystem. En ventilfjäderbricka 39 är på konventionellt sätt förbunden med ventilskaftet 38 vid en relativt förbränningskammaren 7 motsatt sida av topplocket 6. Ventilfjäderbrickan 39 är företrädesvis anordnad i området av ventilskaftets 38 ände.

Nämnda genomföring 37 skjuter företrädesvis upp från topplocket 6, i riktning bort från förbränningskammaren 7. Genomföringen 37 innefattar i det visade föredragna utförandet en inre styrhylsa 40, som är anordnad nedsänkt i topplocket 6 och som direkt omger motorventilens 8 ventilskaft 38, en tätning 41 anordnad anliggande ventilskaftet 38 samt den inre styrhylsan 40, samt en yttre styrhylsa 42, som åtminstone delvis omger den inre styrhylsan 40. Den yttre styrhylsan 42 är avtätad relativt den inre styrhylsan 40 och/eller mot topplocket 6. Den yttre styrhylsan 42 är företrädesvis belägen på topplockets 6 ovansida. I ett alternativt utförande utgörs den inre styrhylsan och den yttre styrhylsan av en och samma detalj. Företrädesvis innefattar den yttre styrhylsan 42, på avstånd från topplocket 6, en radiellt utskjutande fläns 43, vilken innefattar en tätning 44 i densammas ytterkant. Tätningen 44 är företrädesvis en ringtätning exempelvis tillverkad av metall, gummi eller plast.

Mellan ventilfjäderbrickan 39 och genomföringen 37, i det visade utförandet den radiellt utskjutande flänsen 43 hos genomföringens 37 yttre styrhylsa 42, är anordnad och sträcker sig en spiralfjäder 45, vilken är inrättad att kvarhålla motorventilen 8 i densammas stängda position då inga krafter verkar för att öppna densamma. Spiralfjädern 45 skall vara dimensionerad för att orka hålla uppe vikten hos motorventilen 8 och de detaljer som är förskjutbara samfällt med motorventilen 8, och för att säkerställa att motorventilen 8 stängs vid låga motorventillyft, vidare skall spiralfjäderns 45 fjäderkonstant vara minimal för att inte addera för mycket kraft då motorventilen 8 öppnas. Spiralfjäderns 45 förspänning är företrädesvis i storleksordningen 100N ± 20N och spiralfjäderns 45 fjäderkonstant motsvarar företrädesvis en adderad kraft i storleksordningen 5-10N per hoptryckt millimeter, dvs. per varje millimeter motorventilen 8 förskjuts.

I det visade utförandet bildar nämnda ventilfjäderbricka 39 och en från ventilfjäderbrickan 39 sig sträckande cylinderformad hylsa 46 gemensamt en ventilfjäderhuv, generellt betecknad 47. Ventilfjäderhuvens 47 cylinderformade hylsa 46 är teleskopiskt förskjutbar relativt nämnda genomföring 37, radiellt utanför genomföringen 37. Ventilfjäderhuven 47, genomföringen 37 och motorventilen 8 är företrädesvis koncentriska med varandra. I det visade utförandet är ventilfjäderhuvens 47 cylinderformade hylsa 46 teleskopiskt förskjutbar radiellt utanför den yttre styrhylsan 42, och ringtätningen 44 vid den radiellt utskjutande flänsen 43 är anordnad anliggande insidan av den cylinderformade hylsan 46. Ventilfjäderhuven 47 och genomföringen 37 avgränsar en gasfjädervolym 48, vilkens volym minskar då motorventilen 8 öppnas och ventilfjäderhuven 47 förskjuts i axiell riktning nedåt. Ventilfjäderhuven 47 är företrädesvis anordnad i topplockskammaren 13. Genom att använda ett pneumatisk returfjäderarrangemang för motorventilen 8 erhålls liten returfjäderkraft vid låga motorventillyft och stor returfjäderkraft vid höga motorventillyft, dock är den totala energiförbrukningen för att öppna motorventilen 8, för varje motorventillyft, reducerad i förhållande till ett returfjäderarrangemang med enbart en mekanisk returfjäder. Det skall påpekas att tätningen 44 mellan den cylinderformade hylsan 46 och den yttre styrhylsan 42 inte nödvändigtvis måste vara absolut tät, vilket medför att ett enklare och billigare tätningsarrangemang kan nyttjas, såsom en kolvringstätning.

Väsentligt för den föreliggande uppfinningen är att gasfjädervolymen 48 är i fluidkommunikation med en angränsande gasvolym 49 då motorventilen 8 är i den förbränningskammaren 7 stängda positionen, och är avgränsad från den angränsande gasvolymen 49 då motorventilen 8 är i den förbränningskammaren 7 fullt öppna positionen.

Således när motorventilen 8 är stängd föreligger samma tryck i gasfjädervolymen 48 som i den angränsande gasvolymen 49, och när motorventilen 8 förskjutits en sträcka mot den fullt öppna positionen stängs fluidkommunikationen av och trycket i gasfjädervolymen 48 ökar i takt med att motorventilen 8 och ventilfjäderhuven 47 förskjuts nedåt.

Företrädesvis bildar den angränsande gasvolymen 49 del av topplockskammaren 13. Vidare är en port 50 anordnad mellan gasfjädervolymen 48 och den angränsande gasvolymen 49.

I ett föredraget utförande uppvisar ventilfjäderhuvens 47 cylinderformade hylsa 46, närliggande densammas fria ände, nämnda port 50 för att medge fluidkommunikation mellan gasfjädervolymen 48 och den angränsande gasvolymen 49 då motorventilen 8 är stängd. Porten 50 utgörs företrädesvis av en eller flera urtagning i den cylinderformade hylsans 46 nedre kant. Portens 50 totala/sammanlagda utbredning i omkretsled motsvarar företrädesvis mindre än 180 grader och mer än 10 grader, och kan vara uppdelad i en eller flera segment. Företrädesvis motsvarar portens 50 sammanlagda utbredning i omkretsled mer än 80 grader och mindre än 100 grader. I ett alternativt utförande är portens 50 urtagningar anordnade på ett litet avstånd från den cylinderformade hylsans 46 nedre kant. Porten 50 stängas gradvis, stegvis eller linjärt, i samband med att ventilfjäderhuven 47 förskjuts nedåt.

Väsentligt är att porten 50 är öppen under en stor del av motorventilens 8 maximala slaglängd och blir helt stängd först då ventilfjäderhuven 47 förskjutits åtminstone 25 procent av motorventilens 8 maximala slaglängd, vilket i det visade utförandet motsvarar en förskjutning på ca 3 mm.

Företrädesvis är nämnda port 50 öppen under åtminstone 35 procent av motorventilens 8 maximala slagländ, allra helst åtminstone 45 procent. Företrädesvis är porten 50 öppen under maximalt 70 procent av motorventilens 8 maximala slaglängd, allra helst maximalt 60 procent.

När motorventilen 8 är fullt öppnad skall trycket i gasfjädervolymen 48 vara mindre än 4 gånger större än grundtrycket i gasfjädervolymen 48 då fluidkommunikation tillåts mellan gasfjädervolymen 48 och den angränsande gasvolymen 49, helst skall tryckökningen inte vara större än 3 gånger. Detta medför att temperaturen i gasfjädervolymen 48 inte kommer att överstiga den temperatur vid vilken hydraulvätskan i gasfjädervolymen 48 oxiderar. Vid en normal maximal slaglängd hos motorventilen 8 på tolv millimeter sker den första delen av förskjutningen av motorventilen 8 utan kompression av gasen i gasfjädervolymen 48 till följd av att porten 50 är öppen exempelvis till dess att motorventilen 8 förskjutits sex millimeter, dvs kompressionen senareläggs men ger kraftig progressivitet vid stora/höga ventillyft, exempelvis sex-tolv millimeter. Senareläggandet av kompressionen medför att gasfjädervolymens 48 volym kan minimeras i förhållande till ett system där kompression sker under hela ventillyftet. Detta medför att temperaturen i gasfjädervolymen 48 inte kommer att överstiga den temperatur vid vilken hydraulvätskedimman i gasfjädervolymen 48 oxiderar. Det skall påpekas att en viss mängd gas kommer att kvarstå i gasfjädervolymen 48 under drift av förbränningsmotorn, och denna gas kommer att kylas av via ventilfjäderhuven 47, vilket bidrar till att det högre kompressionsförhållandet medges, vilket i sin tur leder till ett mer kompakt returfjäderarrangemang.

Till följd av att porten 50, i det visade utförandet, är belägen i den nedre änden av gasfjädervolymen 48 kommer eventuell hydraulvätska som ansamlats i gasfjädervolymen 48 då motorventilen 8 varit öppen, att evakueras i samband med nästa öppning av porten 50. Hydraulvätskan som evakueras från gasfjädervolymen 48 rinner på grund av gravitationen ut i den angränsande gasvolymen 49 och dräneras på lämpligt sätt därifrån, exempelvis via en styrbar ventil. I det fall den angränsande gasvolymen 49 bildar del av topplockskammaren 13, rinner hydraulvätskan företrädesvis ut i topplockskammaren 13 och dräneras företrädesvis därifrån via en styrbar ventil (inte visad).

Hänvisning sker nu i första hand till figurerna 6 och 7 vilka visar ett andra utförande av den första motorventilens 8 returfjäderarrangemang. Enbart delar som skiljer sig från det första utförandet enligt figurerna 4 och 5 kommer att beskrivas.

I detta utförande är den angränsande gasvolymen 49 avgränsad från topplockskammaren 13 och är istället i fluidkommunikation med ett i topplocket 6 anordnat gasfjädergrenrör 51. Gasfjädergrenröret 51 sträcker sig utmed topplockets 6 axiella längd. Gasfjädergrenröret 51 innefattar företrädesvis en hydraulvätskedräneringsventil 52, vilken är styrd att dränera bort ansamlad hydraulvätska till förbränningsmotorns 1 hydraulvätskesump. Företrädesvis är trycket i gasfjädergrenröret 51 högre än trycket i topplockskammaren 13 och företrädesvis mindre än 2 bar högre tryck. Trycket i gasfjädergrenröret 51 är justerbart utifrån rådande drift av förbränningsmotorn 1. Genom att nyttja ett gasfjädergrenrör 51 kan grundtrycket i gasfjädervolymen 48 justeras utifrån rådande situation oberoende av trycket i topplockskammaren 13 och oberoende av tryckförhållandena i den slutna tryckfluidkretsen. Vidare är det möjligt att i detta utförande helt eliminera spiralfjädern 45, alternativt nyttja en klenare spiralfjäder med mycket lägre förspänningskraft och mindre fjäderkonstant.

I ett ytterligare alternativt, icke visat, utförande av den första motorventilens 8 returfjäderarrangemang, utgör gasfjädergrenröret 51 den angränsande gasvolymen varpå en ventil är anordnad mellan gasfjädervolymen 48 och gasfjädergrenröret 51. Ventilen utgörs exempelvis av en backventil som medger passage från gasfjädergrenröret 51 till gasfjädervolymen 48, och således uppvisar returfjäderarrangemanget en envägsfluidkommunikation mellan gasfjädergrenröret 51 och gasfjädervolymen 48 då motorventilen 8 är stängd.

I ett alternativt, ej visat, utförande är gasfjädergrenröret 51 direkt kopplat till förbränningskammarens 7 inloppsrör om motorventilen är en tilluftsventil, och direkt kopplat till förbränningskammarens 7 utloppsrör om motorventilen är en frånluftsventil, varvid samma tryck råder i gasfjädervolymen 48 som verkar för att öppna motorventilen 8. Hänvisning sker nu till figur 8, vilken visar ett tredje utförande av den första motorventilens 8 returfjäderarrangemang. Enbart delar som skiljer sig från övriga utföranden kommer att beskrivas. Även i detta utförande är ventilfjäderbrickan 39 förbunden med motorventilens 8 ventilskaft 38, dock återfinns ingen cylinderformad hylsa förbunden med ventilfjäderbrickan 39. En cylinderformad hylsa 53 skjuter istället upp i riktning från topplocket 6, varvid den cylinderformade hylsan 53 är avtätad mot ventilskaftet 38 i området av den cylinderformade hylsans 53 nedre kant. Företrädesvis utgör den cylinderformade hylsan 53 del av genomföringen 37. Ventilfjäderbrickan 39 är axiellt förskjutbar invändigt om den cylinderformade hylsan 53, varvid ventilfjäderbrickan 39 och den cylinderformade hylsan 53 avgränsar gasfjädervolymen 48. Porten 50 är anordnad i anslutning till den cylinderformade hylsans 53 övre kant, dock är funktionen och kännetecknen hos porten 50 desamma som ovan beskrivits.

Hänvisning sker nu till figur 9, som visar ett alternativ till utförandet enligt figur 8. I detta alternativa utförande innefattar returfjäderarrangemanget en ventilfjäderhuv 47, likt utförandena enligt figurerna 4-7, med en ventilfjäderbricka 39 och en från ventilfjäderbrickan 39 sig sträckande cylinderformad hylsa 46. Ventilfjäderhuvens 47 cylinderformade hylsa 46 är teleskopiskt förskjutbar, radiellt invändigt eller utvändigt, relativt den cylinderformade hylsan 53 som skjuter upp från topplocket 6. Porten 50 är i det visade utförandet anordnad i den övre kanten av den nedifrån uppskjutande cylinderformade hylsan 53, dock kan porten alternativt vara anordnad in den nedre kanten hos ventilfjäderhuvens 47 cylinderformade hylsa 46, eller en kombination därav.

Hänvisning sker nu i första hand till figur 7 utan att för den skull begränsas till utförandet av motorventilens 8 returfjäderarrangemang enligt figur 7. Förbränningsmotorn 1 innefattar företrädesvis en positionssensor 54, vilken innefattar nämnda ventilfjäderhuv 47 och en spole 55, varvid ventilfjäderhuven 47 är teleskopiskt förskjutbar relativt spolen 55, radiellt innanför spolen 55. Spolen 55, eller induktor, är anordnad radiellt utvändigt om den del av genomföringen 37 som skjuter upp från topplocket 6.

Syftet med positionssensorn 54 är att nyttja enskilda digitala insignalpulser samt därav förorsakade enskilda digitala utsignalpulser, vilket medger möjlighet till fastställning av den inbördes positionen mellan ventilfjäderhuven 47 och spolen 55 med stor tids- och lägesupplösning samt låg energiåtgång.

Till följd av att ventilfjäderhuven 47 är samfällt förskjutbar med motorventilen 8 och spolen 55 är förbunden med topplocket 6, erhålls en fastställning av den inbördes positionen mellan motorventilens 8 ventiltallrik och motorventilens 8 ventilsäte i topplocket 6, dvs. en fastställning var motorventilen 8 befinner sig och i vilken grad ventilen är öppen, eller med andra ord det aktuella ventillyftet.

Ventilfjäderhuvens 47 cylinderformade hylsa 46 utgörs av en elektriskt konduktiv kropp, företrädesvis tillverkad av en ickemagnetisk metall såsom aluminium. Dock är det tänkbart att cylinderformade hylsan 46 är tillverkad av en magnetisk metall, såsom en sammanpressad järnpulverkropp. Spolen 55 är företrädesvis tillverkad av koppar och är lindad på en bärare 56. Spolen 55 är operativt förbunden med en logikkrets (icke visad), och positionssensorn är inrättad att fungerar på följande sätt. Då motorventilen 8 förskjuts i förhållande till ventilsätet för att släppa in eller ut gas från förbränningskammaren 7, förskjuts även gasfjäderhuven 47 i förhållande till spolen 55. Då överlappet mellan gasfjäderhuvens 47 cylinderformade hylsa 46 och spolen 55 ökar, minskar tiden det åtgår för en mätspänning över ett motstånd som är seriekopplat med spolen 55 att ändras ett i förväg bestämd värde i proportion till överlappet, till följd av att spolen 55 kortsluts i olika grad av inverkan från gasfjäderhuvens 47 cylinderformade hylsa 46. Mätspänningen över motståndet ändras då spänningen över spolen 55 ändras, och spänningen över spolen 11 ändras då man önskar fastställa den inbördes positionen.

Fastställandet av den inbördes positionen mellan motorventilen 8 och densammas säte kan väljas att enbart göras då det finns ett syfte att fastställa den inbördes positionen, dvs. då motorventilen 8 är i rörelse. Motorventilens 8 rörelse baseras på förbränningsmotorns 1 vevaxelrörelse, och är i en normal förbränningsmotor i rörelse under ungefär 1/2 varv av ett rotationsvarv hos vevaxel. Under den tid motorventilen 8 är i rörelse sker fastställande av motorventilens 8 position företrädesvis en gång per varje eller varannan vevvinkelgrad, dvs. ungefär 90-180 gånger under ett rotationsvarv hos vevaxeln.

Hänvisning sker nu i första hand till figurer 10, som visar ett fjärde utförande av den första motorventilens 8 returfjäderarrangemang . Enbart delar som skiljer sig från övriga utföranden kommer att beskrivas.

Utförandet enligt figur 10 är en variant på utförandet enligt figur 9, där den från topplocket 6 uppskjutande cylinderformade hylsan ersatts med positionssensorn 54. Porten 50 är i detta urförande anordnad i den nedre kanten av ventilfjäderhuvens 47 cylinderformade hylsa 46.

Tänkbara modifikationer av uppfinningen Uppfinningen är ej begränsad blott till de ovan beskrivna och på ritningarna visade utförandena, vilka enbart har illustrerande och exemplifierande syfte. Denna patentansökning är avsedd att täcka alla anpassningar och varianter av de föredragna utförandena beskrivna häri, och följaktligen är den föreliggande uppfinningen definierad av ordalydelsen av de bifogade kraven och desammas ekvivalenter. Således kan utrustningen modifieras på alla tänkbara sätt inom ramen för de bifogade kraven.

Det skall även påpekas att all information om/rörande termer såsom ovanför, under, övre, nedre, etc., skall tolkas/läsas med utrustningen orienterad i enlighet med figurerna, med ritningarna orienterade på sådant sätt att hänvisningsbeteckningarna kan läsas på ett korrekt sätt. Således, indikerar dylika termer enbart inbördes förhållanden i de visade utförandena, vilka förhållande kan ändras om den uppfinningsenliga utrustningen förses med en annan konstruktion/design.

Det skall påpekas att även om det ej är uttryckligen angivet att särdrag från ett specifikt utförande kan kombineras med särdragen i ett annat utförande, skall detta anses uppenbart då så är möjligt.

Claims (13)

Patentkrav

1. Förbränningsmotor innefattande, - en första styrbar motorventil (8) inrättad att valbart öppna/stänga en i förbränningsmotorn (1) ingående förbränningskammare (7), - ett topplock (6) som är angränsande förbränningskammaren (7), och som är inrättat att styra ett ventilskaft (38) hos motorventilen (8), varvid motorventilen (8) är axiellt förskjutbar relativt nämnda topplock (6) mellan en förbränningskammaren (7) stängd position och en förbränningskammaren (7) fullt öppen position, och - en ventilfjäderbricka (39) som är förbunden med nämnda ventilskaft (38), kännetecknad av, att ventilfjäderbrickan (39) delvis avgränsar en gasfjädervolym (48), vilken är i fluidkommunikation med en angränsande gasvolym (49) via en port (50) då motorventilen (8) är i den förbränningskammaren (7) stängda positionen, och vilken är avgränsad från den angränsande gasvolymen (49) då motorventilen (8) är i den förbränningskammaren (7) fullt öppna positionen, varvid nämnda port (50) är öppen under åtminstone 25 procent av motorventilens (8) maximala slaglängd och stängs till följd av en förskjutning av motorventilen (8).

2. Förbränningsmotor enligt krav 1, vari nämnda port (50) är öppen under åtminstone 35 procent av motorventilens (8) maximala slaglängd, företrädesvis åtminstone 45 procent.

3. Förbränningsmotor enligt krav 1 eller 2, vari nämnda port (50) är öppen under maximalt 70 procent av motorventilens (8) maximala slaglängd, företrädesvis maximalt 60 procent.

4. Förbränningsmotor enligt något av kraven 1-3, vari topplocket innefattar en genomföring (37), vilken är inrättad att styra motorventilens (8) ventilskaft (38), varvid nämnda ventilfjäderbricka (39) och en från ventilfjäderbrickan (39) sig sträckande cylinderformad hylsa (46) bildar en ventilfjäderhuv (47), varvid ventilfjäderhuvens (47) cylinderformade hylsa (46) är teleskopiskt förskjutbar relativt nämnda genomföring (37), radiellt utanför genomföringen (37), och varvid ventilfjäderhuven (47) och genomföringen (37) avgränsar nämnda gasfjädervolym (48).

5. Förbränningsmotor enligt krav 4, vari ventilfjäderhuvens (47) cylinderformade hylsa (46), närliggande densammas fria ände, uppvisar nämnda port (50) för att medge fluidkommunikation mellan gasfjädervolymen (48) och den angränsande gasvolymen (49) då motorventilen (8) är i den förbränningskammaren (7) stängda positionen.

6. Förbränningsmotor enligt krav 4 eller 5, vari förbränningsmotorn (1) innefattar en topplockskammare (13) som ingår i en sluten tryckfluidkrets, och som delvis avgränsas av nämnda topplock (6), varvid ventilfjäderhuven (47) är anordnad i topplockskammaren (13).

7. Förbränningsmotor enligt krav 6, vari en första ventilaktuator (10) är operativt förbunden med nämnda första motorventil (8), vilken första ventilaktuator (10) är anordnad i nämnda slutna tryckfluidkrets.

8. Förbränningsmotor enligt krav 7, vari nämnda första ventilaktuator (10) är anordnad i topplockskammaren (13).

9. Förbränningsmotor enligt något av kraven 6-8, vari den angränsande gasvolymen (49) bildar del av topplockskammaren (13).

10. Förbränningsmotor enligt något av kraven 6-8, vari den angränsande gasvolymen (49) är avgränsad från topplockskammaren (13) och är i fluidkommunikation med ett i topplocket (6) anordnat gasfjädergrenrör (51).

11. Förbränningsmotor enligt krav 10, vari gasfjädergrenröret (51) innefattar en hydraulvätskedräneringsventil (52).

12. Förbränningsmotor enligt krav 10 eller 11, vari trycket i gasfjädergrenröret (51) är högre än trycket i topplockskammaren (13).

13. Förbränningsmotor enligt något av kraven 4-12, vari densamma innefattar en positionssensor (54), vilken innefattar nämnda ventilfjäderhuv (47) och en spole (55), varvid ventilfjäderhuven (47) är teleskopiskt förskjutbar relativt spolen (55), radiellt innanför spolen (55).