WO2005090762A1 - Ventil und ventiltrieb mit selbsthaltenden endpositionen des ventilschafts - Google Patents

Abstract

Die Erfindung ist ein Ventil (1), bei dem der Ventilschaft (4) in seinen beiden Endlagen mit einer Federanordnung (10a, b; 11a, b; 18a, b) abgefedert ist. Die Energie-Weg Kennlinie der an den Ventilschaft angreifenden Federanordnung (10a, b; 18a, b) hat hierbei ein absolutes Minimum in der unbetätigten Stellung des Ventilschafts (4) und jeweils ein relatives Minimum in der Nähe jeder Endlage des Ventilschafts (4). Je nach konstruktiver Auslegung der Federanordnung (10a, b; 11a, b; 18a, b), lässt sich über den Federweg und die Potentialbarriere zwischen den energetischen Minima, die Energie einstellen, die benötigt wird, um den Ventilschaft (4) aus einer Endlage heraus zu bewegen. Über den Federweg und die Positionierung des relativen Minimums im Ventilhub in Bezug auf die Endlagen lässt sich die Haltekraft der Federanordnung (10a, b; 11a, b; 18a, b) einstellen, mit der der Schließkörper (3) des Ventils auf den Ventilsitz gedrückt wird. Die Betätigung des Ventils (1) erfolgt mit einem elektromagnetischen Aktor (5), der vorzugsweise als sogenannte Tauchspule ausgebildet ist.

Description

Ventil und Ventiltrieb mit selbsthaltenden Endpositionen des Ventilschafts

Die Erfindung betrifft ein Ventil und einen Ventiltrieb mit selbsthaltenden Endpositionen des Ventilschafts in der geschlossenen und der geöffneten Stellung. Das Ventil ist zum Beispiel geeignet zur Regulierung der Ansaugluftmenge im Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors. Besonders bei der Impulsaufladung von Verbrennungsmotoren wird im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors ein schaltbares Einlassventil, ein sogenanntes Lufttaktventil, benötigt, um eine Aufladung der Brennräume des Verbrennungsmotors erreichen zu können. Für den Einsatz als Lufttaktventil zur resonanten Aufladung von Verbrennungsmotoren ist das erfindungsgemäße Ventil besonders gut geeignet .

Die Erfindung geht aus von einem Ventil und einem Ventiltrieb wie er beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift DE 199 18 260 AI offenbart wurde. Aus der DE 199 18 260 AI ist es bekannt, bei einem Ventil, den Ventilschaft über eine Schraubenfeder mit einer Aktuatorstange als Ventiltrieb zu verbinden. Grundgedanke hierbei war es, die Kopplung zwischen Ventil und Aktuator flexibel auszuführen, so dass beim Auftreffen des Ventilkörpers auf den Ventilsitz der Auftreffimpuls abgefedert werden kann. Man verspricht sich davon eine längere Haltbarkeit von Ventil und Ventilsitz.

Die Abfederung des Auftreffimpulses in einer Endlage der Ventilstellung hat den Nachteil, das zur Fixierung des Ventils in seiner Endlage von einem elektromagnetischen Aktor über die Aktuatorstange permanent eine Haltekraft aufgebracht werden muß, die gegen die rückstellend wirkende Federkraft das Ventil in seiner Endlage behält. Dies führt zu einem permanenten Energieverbrauch im elektromagnetischen Aktor als Ventiltrieb .

Andererseits sind Ventilkonstruktionen bekannt, die mit einer Schließfeder den Schließkörper auf den Ventilsitz drücken und die zum Öffnen einen Aktor brauchen, der gegen die Kraft der Schließfeder das Ventil in seine geöffnete Stellung bringt. Ein derartiges Ventil ist z.B. aus der deutschen Patentschrift DE 101 49 004 Cl bekannt. Das Ventil ist hierbei ein Kraftstoffeinspritzventil und muss daher lediglich nur für sehr kurze, dafür aber sehr präzise, Zeitintervalle geöffnet werden. Der Energieaufwand für das Öffnen des Ventils, bei dem während der gesamten Öffnungsdauer eine Kraft gegen die Kraft der Schließfeder aufgebracht werden muss, hält sich daher in Grenzen. Für Ventile, deren geöffnet Zeiten im Vergleich zu deren geschlossen Zeiten nicht sehr kurz sind, ist die dauerhafte Kraftaufwendung gegen die Kraft einer Schließfeder nicht sinnvoll .

Erfindungsgemäße Aufgabe war es daher, ein Ventil zu schaffen, dass in seinen beiden Endstellungen Offen und Geschlossen den Schließkörper jeweils gegen den Ventilsitz presst, ohne dass in den beiden Endstellungen eine aktive Haltekraft von einem elektrischen Aktor aufzubringen ist. Die Lösung gelingt hauptsächlich mit einem Ventil, bei dem der Ventilschaft in seinen beiden Endlagen mit einer Federanordnung abgefedert ist. Die Energie-Weg Kennlinie der an den Ventilschaft angreifenden Federanordnung hat hierbei ein absolutes Minimum in der unbetätigten Stellung des Ventilschafts und jeweils ein relatives Minimum in der Nähe jeder Endlage des Ventilschafts. Je nach konstruktiver Auslegung der Federanordnung, lässt sich über den Federweg und die .Potentialbarriere zwischen den energetischen Minima, die Energie einstellen, die benötigt wird, um den Ventilschaft aus einer Endlage heraus zu bewegen. Über den Federweg und die Positionierung des relativen Minimums im Ventilhub in Bezug auf die Endlagen lässt sich die Haltekraft der Federanordnung einstellen, mit der der Schließkörper des Ventils auf den Ventilsitz gedrückt wird. Die Betätigung des Ventils erfolgt mit einem elektromagnetischen Aktor, der vorzugsweise als sogenannte Tauchspule ausgebildet ist.

Der mit der Erfindung hauptsächlich erzielte Vorteil wird darin gesehen, dass die Endpositionen in beiden Endlagen abgefedert werden können, ohne dass zur Fixierung des Schließkδrpers des Ventils in den beiden Endlagen von einer Aktorik Kraft aufgebracht werden muss . Es bedarf für die Fixierung des Ventilschließkörpers in den beiden Endlagen auch keiner mechanischen Fixierungen durch Sperren oder ähnliches .

Ein weiterer Vorteil liegt in der Energierückgewinnung und damit im geringen Energieverbrauch für die Schaltvorgänge mit dem Ventil. Die relativen Energieminima zur Fixierung des Ventilschließkörpers in den beiden Endlagen liegen auf höherem Potential als das zwischen ihnen befindliche absolute Energieminimum an der Mittelstellung des Ventilschließkörpers zwischen geöffnet und geschlossen. Damit kann bis auf minimale Reibungsverluste und einen Energieverlust durch den nichtelastischen Stoß beim Auftreffen des

Ventilschließkörpers auf den Ventilsitz, bzw. bei Fixierung des Ventilschafts in einer seiner beiden Endlagen, die gesamte Energie, die notwendig war, um den Ventilschaft in die eine Endlage zu bringen, dazu benutzt werden, um den Ventilschaft in die jeweils andere Endlage zu bringen. Von dem elektromagnetischen Aktor muss lediglich der friktive Energieverlust nachgeführt werden. Zur Auslösung des Schaltvorgangs wird ebenfalls ein relativ kleiner Energiebetrag benötig, der im wesentlich der eingestellten Potentialbarriere entspricht, die überwunden werden muss, um die Potentialmulde der relativen Energieminima in der Nähe der Endlagen des Ventilschaftes durch einen Schaltvorgang verlassen zu können. Dieser für die Schaltung benötigte Vorgang wird initial von dem elektromagnetischen Aktor aufgebracht, kann jedoch durch die Zwischenspeicherung in der Federanordnung für den Transfer des Ventilschaftes von der ersten Endlage in die zweite Endlage wiedergewonnen und genutzt werden. Damit kann der Energieeintrag zur Auslösung eines Schaltvorganges zur Kompensation der Reibungsverluste beim Schaltvorgang selbst benutzt werden.

Dadurch, dass von dem elektromagnetischen Aktor nur relativ geringe Schaltenergien und keine Haltekräfte in den Endlagen aufgebracht werden müssen, kann der Aktor in seiner elektromagnetischen Dimensionierung klein ausfallen. Insbesondere kann auf magnetische Armierungen auf dem Ventilkörper verzichtet werden. Hierdurch verringert sich die bewegte Masse im Vergleich zu bekannten elektromagnetischen Ventilen erheblich, was ein besseres dynamisches Verhalten des Ventils bei den Schalt orgängen bewirkt. Je nach Auslegung der Kennlinie der Federanordnung werden damit hochdynamische Schaltvorgänge möglich. Außerdem erlaubt der relativ kleine elektromagnetische Aktor eine kostengünstige, kompakte Bauweise und ^"ein geringeres Gewicht des gesamten VentilSystems .

Bei der Verwendung einer Tauchspule als elektromagnetischer Aktor ist eine Nachfuhr der Verlustenergie durch eine kleine stromproportionale Kraft über den gesamten Stellweg des Ventilschaftes von einem Endanschlag bis zum zweiten Endanschlag möglich. Dies erlaubt eine bessere Ausregelung von Störeinflüssen während des Schaltvorgangs.

Durch Auslegung der Federn lässt sich die Haltekraft durch die Federanordnung in den Endlagen des Ventilschaftes einstellen. Außerdem lässt sich mit der gleichen Maßnahme die Auftreffgeschwindigkeit des Ventilkörpers auf den Ventilsitz konstruktiv voreinstellen. Bei Bedarf kann die Auftreffgeschwindigkeit unter Zuhilfenahme des elektromagnetischen Aktors noch genauer eingestellt und ausgeregelt werden. Insbesondere kann mit dem elektromagnetischen Aktor ein Abbremsen des Ventilkörpers, bzw. des Ventilschaftes vor Erreichen der Endlage erfolgen, so dass die Auftreffgeschwindigkeiten in den Endlagen gegen Nul1 geht .

Ein Ausführungsbeispiel für eine Federanordnung mit den vorbezeichneten Eigenschaften besteht aus zwei vorgespannten gegeneinander wirkenden Spiralfedern und zwei Kippfedern, die so angeordnet sind, dass jeweils kurz vor Erreichen einer Endlage des Ventilschaftes eine Kippfeder umkippt und durch den Umkippvorgang eine Richtungsumkehr der resultierenden Federkraft in Bewegungsrichtung des Ventilstellweges bewirkt. Die Richtungsumkehr ist hierbei in beiden Endlagen so gerichtet, dass sich in jeder Endlage eine Kraft in Richtung der Endlage ergibt, die als Haltekraft für die Fixierung des Ventilschaftes in seiner jeweiligen Endlage dient. Die Spiralfedern mit einer reinen Kraftkomponente entlang des Stellweges des Ventilschaftes dienen lediglich der Energiespeicherung, damit nach einem Schaltvorgang und nach Überwindung der Potentialbarriere die kinetische Energie aus dem vorhergehenden Schalt organg, die in Form von potentieller Energie in den Spiralfedern gespeichert wurde, für den nachfolgenden Transfer des Ventilschaftes in die jeweils andere Endlage wieder freigesetzt und genutzt werden kann.

In einer vereinfachten Ausführungsform besteht die Federanordnung lediglich aus zwei kippfähig gelagerten und an den Ventilschaft angelenkten Spiralfedern. Damit wird zwar der konstruktive Aufwand gering gehalten, jedoch ergeben sich weniger Möglichkeiten hinsichtlich der Auslegung verschiedener Federparameter und damit weniger Möglichkeiten, dass dynamische Verhalten des Ventils einzustellen. Bei lediglich 2 Federn, lassen sich die beiden Funktionen Energiespeicherung und Aufbringen der Haltekraft nicht trennen.

Besser ist ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem die Federanordnung aus zwei Spiralfedern und zwei Tellerfedern besteht. Die Spiralfedern sind hierbei entlang des Ventilschaftes angeordnet. Sie sind vorgespannt, definieren die Mittelpunktslage des Ventilkörpers und sind gegenwirkend. Sie dienen der Speicherung der kinetischen Energie aus dem Translationsprozess des Ventilkörpers von der einen Endlage in die andere. Die Tellerfedern greifen ebenfalls an dem Ventilschaft an und definieren die relativen Energieminima in der Nähe der beiden Endlagen des Ventilschaftes. Mit der Energie, die zum Umklappen der Tellerfedern benötigt wird, kann die Potentialbarriere zur Fixierung des Ventilschaftes in seinen Endlagen optimal eingestellt werden. Auch kann mit den Tellerfedern die verbleibende Haltekraft in den Endlagen auf einfache und sehr präzise Weise durch geeignete konstruktive Anbringung der Tellerfedern am Ventilschaft optimal eingestellt werden. Tellerfern sind dann von Vorteil, wenn auf einem relativ kurzen Stellweg des Ventilsystems eine möglichst genaue Kraft-Weg-Kennlinie mit Umkehr der Stellkraft eingestellt werden soll. Bei großen Stellwegen hingegen sind die Tellerfedern ungeeignet . Dann sind angelenkte, kippbare Spiralfedern besser.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von Skizzen näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Ventil mit einer Federanordnung aus 4 Spiralfedern, wobei zwei Spiralfedern als Kippfedern an den Ventilschaft angelenkt sind,

Fig. 2 ein Ventil mit einer Federanordnung aus zwei kippbar gelagerten Spiralfedern,

Fig. 3 einen Ventiltrieb mit einer Federanordnung aus zwei Spiralfedern und zwei Tellerfedern,

Fig. 4 ein Energie-Federweg-Diagramm und ein Kraft- Federweg-Diagramm einer für den Ventiltrieb benötigten Federanordnung,

Fig. 1 zeigt exemplarisch ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dargestellt ist ein aufgeschnittenes Lufttaktventil 1 für eine resonante Aufladung eines Verbrennungsmotors. In einem stromlinienförmig geformten Träger 2, der sich inmitten des Strömungsquerschnitts des Lufttaktventils befindet, ist ein als Ringschieber ausgebildeter Schließkörper 3, der über einen Ventilschaft 4 von einem Ventiltrieb betätigt werden kann. Der Ventiltrieb ist ebenfalls in dem Träger 2 angeordnet und besteht aus einem elektromagnetischen Aktor in Form mindestens eines Tauchspulenstellers 5, der direkt oder indirekt an den Ventilschaft 4 kraftschlüssig angreift. Der Tauchspulensteller besteht aus einer zylinderförmigen Ankerspule 6, die je nach Bestromung in einem Luftspalt eines magnetischen Rückschlusses hin und her bewegt wird. Durch die Hin- und Her-Bewegung des Tauchspulenstellers kann das Ventil geöffnet und geschlossen werden. In Teildarstellung a) ist die unbestromte Mittelstellung des Ringschiebers 3 dargestellt, während in Teildarstellung b) die geschlossene Position des Ringschiebers 3 dargestellt ist. Das Erreichen einer Endlage aus einer Mittelposition erfolgt hierbei vorzugsweise durch resonantes Aufschwingen.

Außer dem elektromagnetischen Aktor greifen noch die Kräfte einer Federanordnung an dem Ventilschaft an. Der Ventilschaft 4 ist in einem Lager 8 verschiebbar gelagert . An den beiden Enden des Ventilschaftes ist jeweils eine scheibenförmige Erweiterung 9 des Ventilschaftes angebracht. Zwischen jeder scheibenförmigen Erweiterung des Ventilschafts und dem Lager des Ventilschafts befindet sich eine vorgespannte Linearfeder 10a, 10b, d.h. eine Spiralfeder mit linearem Kraft-Weg- Gesetz. Die beiden Spiralfedern stützen sich damit gegen das Lager 8 des Ventilschaftes ab und sind in ihrer Kraftwirkung auf den Ventilschaft selbst gegenwirkend.

An dem vom Ringschieber 3 abgewandten Ende des Ventilschafts sind zwei weitere Spiralfedern, d.h. zwei weitere Spiralfedern mit linearem Kraft-Weg-Gesetz, kippbar angelenkt. Die beiden Federn werden im folgenden als Kippfedern bezeichnet. Die beiden Angriffspunkte der Kippfedern 11a, 11b auf dem stromlinienförmigen Träger 2 sind hierbei in Längsausrichtung zum Ventilschaft voneinander beabstandet und auf verschiedenen Seiten des Ventilschaftes und ermöglichen ebenfalls eine Drehbewegung der Kippfedern, wenn dies durch die Hin- und Her-Bewegung des Ventilschaftes notwendig wird. In der unbestromten Mittelstellung des Ventiltriebs befinden sich die Anlenkpunkte 13 der Kippfedern auf dem Ventilschaft in Achsenlängsrichtung zum Ventilschaft zwischen den beiden Anlenkpunkten 14 der Kippfedern auf dem Träger 2 des Ventiltriebes.

Die Beabstandung der Anlenkpunkte 14 auf dem Träger 2 des Ventiltriebes und die Vorspannung der Kippfedern sind hierbei vorzugsweise so gewählt, dass beim Verfahren des Ventilschaftes in eine seiner beiden Endlagen die Anlenkpunkte am Ventilschaft jeweils einen der Anlenkpunkte auf dem Träger passieren, so dass bei Erreichen einer Endlage immer alle Kippfedern und Spiralfedern auf Druck beansprucht sind. Die geometrische Anordnung der Anlenkpunkte und die Vorspannungen der Federn in der unbetätigten Mittelstellung des Ventiltriebs werden hierbei so gewählt, dass die Druckkräfte in Achsrichtung zum Ventilschaft in der Resultierenden den Wert Null ergeben.

In der Teildarstellung b) der Fig. 1 ist hierbei die untere Kippfeder 11a stärker auf Druck belastet, während die obere Kippfeder 11b weniger auf Druck belastet ist. Die beiden Spiralfedern 10a, 10b auf dem Ventilschaft können in der geschlossenen Endstellung des Ventilschaftes so eingestellt sein, dass die linke Linearfeder 10a in dieser Stellung gerade entspannt ist, während die rechte Linearfeder 10b auf Druck gespannt ist und die kinetische Energie des Stellvorgangs durch Verfahren des Schließkörpers als potentielle Energie gespeichert hat. Insgesamt sind die einzelnen Kennlinien aller vier Federn der gesamten Federanordnung so auszulegen und die konstruktive Gestaltung der Federanordnung so aufeinander abzustimmen, dass sich in Achsrichtung zum Ventilschaft ein Kraft-Weg-Verlauf und ein Energie-Weg-Verlauf mit den Charakteristiken nach Fig. 4 ergibt .

Einen vereinfachten Ventiltrieb zeigt das Ausführungsbeispiel der Fig. 2. Bei diesem Ventiltrieb ist die Anzahl der an den Ventilschaft angreifenden Federn auf zwei kippbar gelagerte Spiralfedern, in dieser Beschreibung als Kippfedern 11a, 11b bezeichnet, reduziert. Die Funktionsweise und die konstruktive Gestaltung der beiden Kippfedern mit ihren Anlenkpunkten ist grundsätzlich identisch mit der konstruktiven Gestaltung im vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel der Fig. 1. Es fehlen jedoch die beiden Spiralfedern auf dem Ventilschaft. Die Speicherung von kinetischer Bewegungsenergie des Ventilkörpers kann daher lediglich in eingeschränktem Umfang durch die beiden Kippfedern erfolgen. In der Teildarstellung b) zu Fig. 2 ist das Ventil in seiner geschlossenen Stellung gezeigt. Der Ringschieber 3 wurde von dem Tauchspulensteller 5 auf seinen Ventilsitz 15 ausgefahren und schließt mit den radial wirkenden Dichtflächen 16 den Einlass des Lufttaktventils ab. Der Tauchspulensteller 5, der Ringschieber 3 sowie die an den Ventilschaft angreifenden Kippfedern 11a, 11b sind in einem im Strömungsquerschnitt des Ventils fixierten Träger 2 angeordnet. Der Träger wird hierbei z.B. mit Verschraubungen 17 im Strömungsquerschnitt des Ventils gehalten.

Die geöffnete Stellung des Ventils ist in Teildarstellung a) zu Figur 2 skizziert. Die Tauchspule 6 des Tauchspulenstellers ist in die magnetische Rückführung eingefahren worden und hat den Ringschieber von seinem Ventilsitz zurückgezogen und in seine geöffnete Endlage gebracht. Hierbei sind beiden Kippfedern 11a, 11b umgeklappt und fixieren nun den Ventilschaft in seiner geöffneten Endlage. Die Fixierung kommt dadurch zu Stande, dass die Anlenkpunkte der Kippfedern an dem Träger 2 und an dem Ventilschaft so gewählt werden müssen, dass die Federwege in Abhängigkeit von der Vorspannung der Kippfedern und deren Kraft-Weg-Kennlinien in den beiden Endlagen, offen und geschlossen, jeweils eine ausreichende Haltekraft ergeben. Die Richtungsumkehr der Haltekraft wird hierbei durch das Umkippen der Kippfedern bewirkt, wenn die Anlenkpunkte auf dem Ventilschaft 4 die Anlenkpunkte auf dem Träger 2 in Folge der Bewegung des Ventilschafts beim Öffnen oder Schließen des Ventils mit dem Tauchspulensteller 5 passieren.

Eine mögliche konstruktive Gestaltung, um diese eben definierte Funktionaltität zu erreichen ist z.B. dann gegeben, wenn FedervorSpannungen und Anordnung der Anlenkpunkte der Kippfedern so gewählt werden, dass in der geschlossenen Stellung des Ringschiebers in Teildarstellung b) der Figuren 1 und 2 die Kippfeder 11b voll entlastet ist und die Kippfeder 11a auf Druck belastet ist. In der vollständig geöffneten Stellung des Ringschiebers müssen dann nach Umkippen der beiden Kippfedern die Kippfedern ihre Rollen tauschen. D.h. die zuvor entlastete Kippfeder muss nach dem Kippen auf Druck belastet sein und die zuvor belastete Kippfeder muss nach dem Kippen entlastet sein. Die zuletzt genannten Verhältnisse sind in Teildarstellung a) zu Figur 2 skizziert.

Durch die Verwendung von Federanordnungen mit 4 Federn, durch die Verwendung von Tellerfedern, durch die Verwendung von Federn mit nichtlinearen Kraft-Weg-Gesetzen, durch die Variation der Lage der Anlenkpunkte lassen sich eine Vielzahl weiterer Gestaltungsmöglichkeiten finden, um die oben definierte Funktionalität der Federanordnung zu realisieren. Eine allgemeine Lehre, wie die oben bezeichnete Funktionalität realisiert werden kann, wird im Zusammenhang mit den Diskussion zu Figur 4 weiter unten offenbart.

In Fig. 3 ist ein Ventiltrieb skizziert, der die erfindungsgemäße Funktionalität mit einer Federanordnung aus 2 Spiralfedern 10a, 10b mit Kraftwirkung entlang der Achse des Ventilschafts 4 und 2 Tellerfedern 18a, 18b, die die Funktion der Kippfedern aus den vorbeschriebenen Beispielen übernehmen, realisiert. Die beiden Spiralfedern 10a, 10b übernehmen zusammen mit den beiden Tellerfedern analog zu dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 die Speicherung der kinetischen Bewegungsenergie des Ventilkδrpers beim Öffnen und Schließen. Die beiden Tellerfedern 18a, 18b greifen ebenfalls am Ventilschaft 4 an und klappen je nach Stellung des Ventilschafts in den Endlagen des Ventils in zwei verschiedene Stellungen mit Richtungsumkehr der auf den Ventilschaft ausgeübten Kraft um. Tellerfedern, Spiralfedern und Ventilschaft sind in diesem Beispiel kraftschlüssig verbunden.

Beispielsweise kann die mit durchgezogenen Linien skizzierte Stellung der Tellerfedern 18a, 18b der geöffneten Stellung des Ventils entsprechen, während die mit unterbrochenen Linien skizzierte Stellung der Tellerfedern 19a, 19b der geschlossenen Stellung des Ventils entspricht. Die Haltekraft in den Endlagen wird dann jeweils von den Tellerfedern aufgebracht . Zweckmäßiger Weise wurden zwei Tellerfedern gewählt, um die am Ventilschaft angreifenden Kräfte besser verteilen zu können. Es sind jedoch mit gleicher Funktionalität auch Ventiltriebe mit mindestens einer Tellerfeder, die an den Ventilschaft angreift und beim Verfahren des Schließkörpers von der offenen in die geschlossene Stellung umklappt, möglich und von der erfinderischen Lehre dieser Beschreibung mit umfasst . Bei der Verwendung lediglich einer Tellerfeder kann sogar auf die Spiralfedern auf dem Ventilschaft verzichtet werden. Um die vorbeschriebenen Funktionalitäten der verschiedenen Ausführungsbeispiele erfüllen zu können, sind bei allen konstruktiven Gestaltungen der an den Ventilschaft angreifenden Federanordnung bei Annäherung des Ventilschafts in jede seiner beiden Endlagen jeweils eine Richtungsumkehr der resultierenden Federkraft in Achsrichtung zum Ventilschaft zu bewirken. Die Richtungsumkehr der resultierenden Federkraft muss hierbei derart erfolgen, dass in der Endlage des Ventilschafts der Ventilschaft durch die resultierende Federkraft in seiner Endlage gehalten wird, d.h. dass die resultierende Federkraft in der Endlage den Ventilschaft in seine Endlage drückt. Dies kann mit jeder vorbeschriebenen Federanordnung aus den Ausführungsbeispielen erfolgen. Allgemein kann dieses Erfordernis mit jeder Federanordnung erfolgen, deren Energie-Federweg-Kennlinie einen Verlauf hat, wie er in Fig. 4 skizziert ist.

Über dem Hub des Ventilschaftes, der im wesentlichen identisch ist mit dem Anteil des Federweges in Achsrichtung des Ventilschaftes, ist der Verlauf der in der Federanordnung gespeicherten potentiellen Energie aufgetragen. Die örtliche Ableitung dieser potentiellen Energie nach dem Hub des Ventilschaftes ist mit einer unterbrochenen Linie in dem Diagramm des Fig. 4 eingetragen. Die örtliche Ableitung der potentiellen Energie ergibt bekanntlich die Federkraft in Richtung der Ortkoordinate. Die Ortkoordinate ist hierbei der Hub oder der Stellweg des Ventilschaftes. Der reale Hub des Ventilschaftes endet natürlich an den beiden Endlagen Endlagel und Endlage2. Im Diagramm ist zu Berechnungszwecken der Hub des Ventilschaf es ein wenig über die beiden Endlagen hinaus verlängert .

Eine Federanordnung, mit der die erfindungsgemäße Funktionalität erfüllt wird, hat einen potentiellen Energieverlauf über dem Hub des Ventilschaftes, der in jeder der beiden Endlagen des Ventilschaftes eine lokale Potentialmulde mit einem relativen Energieminimum hat. Die relativen Energieminima sollen hierbei energetisch höher liegen , als ein absolutes energetisches Minimum möglichst in der Nähe der Mittelstellung des Ventilhubes. Wenn die beiden relativen Energieminima höher liegen als das absolute Energieminima, kann die Energie, die notwendig ist, um die dazwischenliegende Potentialbarriere PB1, PB2 zu überwinden, und die für einen Schaltvorgang mit einem Aktor zugeführt werden muss, für die Translation des Ventilkörpers von der einen Endlage in die andere Endlage aus dem Federsystem zurückgewonnen werden und zur Kompensation von Reibungsverlusten während des Ventilhubes genutzt werden.

Die Kraft, mit der der Ventilkörper jeweils in seiner Endlage gehalten wird, lässt sich durch Festlegung des Ventilhubes, sprich durch Begrenzungen des Ventilhubes durch mechanische Anschläge, insbesondere durch den Ventilsitz selbst, einstellen. Der Abstand der Endlage von dem relativen Energieminimum XI,X2 , bzw. gleichbedeutend vom Nulldurchgang der Federkraft, in Bezug auf den Ventilhub bestimmt hierbei die Haltekraft, mit der die Federanordnung den Ventilschaft in der Endlage hält. Durch Variation dieses Abstandes XI, X2 und durch die Auslegung der Federn kann die Haltekraft der Federanordnung eingestellt werden. Zusätzlich kann durch aktorischen Eingriff über die Tauchspulen die Auftreffgeschwindigkeit des Ventilkörpers, insbesondere des Ringschiebers, auf dem Ventilsitz der Endlage beeinflusst werden. Insbesondere kann bei Annäherung in die Endlage die Geschwindigkeit des Ventilkörpers bis nahe an den Idealwert 0 herabgebremst werden, so dass ein möglichst schonendes Auftreffen des Ventilkörpers in seinen Endlagen eingestellt werden kann.

Claims

Patentansprüche

1. Ventil (1), insbesondere für die resonante Aufladung eines Verbrennungsmotors, bei dem ein Schließkörper (3) über einen Ventilschaft (4) in die beiden Stellungen Offen und Geschlossen gebracht werden kann, wobei der Ventilschaft (4) mit Hilfe einer Federanordnung (10a, 10b, 11a, 11b, 18a, 18b) und eines aktorischen Stellgliedes (5) von einer ersten Endlage (Endlagel) in eine zweite Endlage (Endlage2) gebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Federanordnung einen Verlauf der potentiellen Energie in Abhängigkeit des Ventilhubs hat, der in den beiden Endlagen des Ventilschaftes jeweils eine Potentialmulde aufweist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Endlagen die Haltekraft zur Fixierung des Ventilschaftes (4) durch die Federanordnung (10a, 10b, 11a, 11b, 18a, 18b) aufgebracht wird.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der potentiellen Energie der Federanordnung (10a, 10b, 11a, 11b, 18a, 18b) zwischen den beiden Potentialmulden der Endlagen ein weiteres Energieminimum aufweist, dessen Energieniveau niedriger ist, als jedes der beiden Energieniveaus der Potentialmulden.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das aktorische Stellglied (5) zur Auslösung eines Schaltvorganges lediglich die Energie zur Überwindung der Potentialbarriere (PB1,PB2) der Potentialmulden und der Reibungsverluste aufbringen muss.

5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das aktorische Stellglied (5) ein Tauchspulensteller ist .

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftreffgeschwindigkeit des Ventilschaftes (4) in seinen beiden Endlagen mit der Federkraft der Federanordndung (10a, 10b, 11a, 11b, 18a, 18b) oder mit dem aktorischen Stellglied (5) eingestellt wird.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federanordnung (10a, 10b, 11a, 11b, 18a, 18b) aus zwei Spiralfedern (10a, 10b) auf dem Ventilschaft und zwei Spiralfedern, die als Kippfedern (11a, 11b) an den Ventilschaft angelenkt sind, besteht.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federanordnung (10a, 10b, 11a, 11b, 18a, 18b) aus zwei Spiralfedern, die als Kippfedern (11a, 11b) an den Ventilschaft angelenkt sind, besteht.

9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federanordnung (10a, 10b, 11a, 11b, 18a, 18b) aus zwei Spiralfedern (10a, 10b) auf dem Ventilschaft und zwei Tellerfedern (18a, 18b), die am Ventilschaft angreifen, besteht .

10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federanordnung (10a, 10b, 11a, 11b, 18a, 18b) aus mindestens einer Tellerfeder (18a, 18b), die an den Ventilschaft angreift , besteht.