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Ventilbetätigungseinrichtung für Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft die Ventilbetätigungseinrichtung von Brennkraftmaschinen, insbesondere von
Zweitaktgasmaschinen, bei der die Steuerung der Gaseinblaseventile hydraulisch erfolgt.
Bei den genannten Maschinen ist bisher eine zur Brennstoffeinbringung bei Einspritzbrennkraftmaschi- nen übliche Einspritzpumpe in die Ventilbetätigungseinrichtung einbezogen worden, wobei die Pumpen- elemente dieser Einspritzpumpe die Steuerflüssigkeit für die Bewegung der Ventile fördern. Entsprechend dem gebräuchlichen Aufbau von Einspritzpumpen geht deshalb die Erfindung davon aus, dass jedes Pum- penelement der Betätigungseinrichtung einen in einem Pumpenzylinder in Längs - und in Umfangsrichtung beweglichen Kolben aufweist, der mit seiner Umfangsfläche das Öffnen und Schliessen von zwei in Achsrichtung des Zylinders versetzten Kanälen bewirkt.
Der höher, dem oberen Totpunkt des Pumpenkolbens zu gelegene dieser beiden Kanäle, die bei Einspritzpumpen als Saugbohrung die Füllung des Pumpenzylinders zwischen jedem Einspritzvorgang gewährleisten, erfüllt bei den bekannten Ventilbetätigungseinrichtungen die Aufgabe eines Spülkanals, durch den Steuerflüssigkeit mit Hilfe der Vorpumpe hindurchtreten kann, solange das zu betätigende Ventil geschlossen ist. Der tiefer gelegene Kanal behält die ihm bei der Kraftstoffeinspritzung zukommende Aufgabe bei, als Überströmkanal das Abströmen und Entspannen der vor dem Pumpenkolben befindlichen Flüssigkeit bei Erreichen der grössten Ventilöffnung zu gewährleisten. Beide Kanäle werden durch das Überstreichen des oberen bzw. unteren Randes der Umfangsfläche des Pumpenkolbens freigegeben bzw. geschlossen.
Die auf beiden Stirnseiten der Umfangsfläche gelegenen Räume des Pumpenzylinders stehen durch eine axiale Nut in der Umfangsfläche miteinander in Verbindung und der Pumpenzylinder wird über die zum Ventil führende Leitung mit Steuerflüssigkeit gefüllt.
Bei Ventilbetätigungseinrichtungen der vorstehend beschriebenen Art, bei welchen also herkömmliche Einspritzpumpen zur Förderung der Steuerflüssigkeit verwendet werden, ergeben sich vor allem Nach- teile bei der Schliessbewegung der Ventile, da diese, insbesondere bei hohen Drehzahlen und hohen Drükken der Steuerflüssigkeit in Schwingung geraten, was zur Zerstörung der Ventilsitze führen kann. Ein wei- terer Mangel der bekannten Betätigungseinrichtungen besteht darin, dass der vorhandene Hub der Pumpenkolben nur zu einem Teil ausgenützt ist, wodurch relativ grosse Pumpenkolben erforderlich sind.
Die Erfindung vermeidet diese Nachteile und geht von der Erkenntnis aus, dass es für eine befriedigende Ventilbetätigung unter Anwendung des vorstehend angeführten Systems auf die Dämpfung der Schliessbewegung des Ventiles ankommt. Obwohl auch bisher bereits Einrichtungen Anwendung fanden, durch die während des letzten Teiles der Rückführung des Ventiles in seine Schliessstellung zum Zwecke des langsamen Aufsetzens des Ventiles eine erhebliche Verzögerung des Ventiles erreicht wurde, überliess man die Rückstellbewegung der bei Entspannung der Steuerflüssigkeit über den Überströmkanal freiwerdende Kraft der Ventilfeder.
Bedingt durch die Forderung bei Einspritzpumpen, ein Nachspritzen der Einspritzdüse zu vermeiden und deshalb den Flüssigkeitsdruck am Ende des Förderhubes so rasch als möglich bei Freilegung eines grösstmöglichen Überströmkanals durch den Pumpenkolben abzusenken, ergab sich als Folge ein von Schwingungen begleitetes Zurückschnellen des Ventiles gegen seine Ruhestellung.
Hinsichtlich der Ausnützung der Pumpenelementgrösse bestand, wegen der Notwendigkeit einer raschen Auffüllung des Pumpenzylinders nach jedem Einspritzvorgang durch eine möglichst grosse Saugbohrung bei
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Einspritzpumpen, der Nachteil eines Verlustes an Förderhub.
Auf der Grundlage der Erkenntnis betreffend die Erfordernisse einer gedämpften Schliessbewegungso- wie mit Rücksicht darauf, dass der Spülkanal der Pumpenelemente der Ventilbetätigungseinrichtung im
Gegensatz zu Einspritzpumpen nicht auch zum Ansaugen der Betätigungsflüssigkeit dient, sind nach der
Erfindung der Mündungsquerschnitt des Überströmkanales und des Spülkanales als Drosselquerschnitte aus- gebildet, wobei das Verhältnis der Mündungsquerschnittflächen zur Querschnittfläche des Pumpenzylin- ders je vorzugsweise nur etwa 0, 5 - 1, 50/0 beträgt.
Demgegenüber liegt dieser Prozentsatz bei Einspritz - pumpen mit im wesentlichen gleichen Aufbau, die bisher für Ventilbetätigungseinrichtungen verwendet wurden, mit Bezug auf den Überströmkanalquerschnitt und den Saugkanalquerschnitt zwischen 5 und 150/0.
Aus der sich nach der Erfindung ergebenden wesentlichen Verkleinerung des Spülkanalquerschnittes gegen- über dem Saugkanalquerschnitt der vergleichbaren bisher für Betätigungseinrichtungen verwendeten Ein- spritzpumpen folgt eine Vergrösserung des Kolbenhubes bei den Pumpenelementen nach der Erfindung und damit als weiterer Vorteil, dass unter gleichen Voraussetzungen bei der Einrichtung nach der Erfindung mit kleineren Pumpenelementen das Auslangen gefunden wird, als bei der bisher üblichen Verwendung von
Einspritzpumpen.
Um die Vorteile des Grundgedankens der Erfindung, den Überströmquerschnitt als Drosselquerschnitt auszubilden, bis zu möglichst hohen Drehzahlen auszunützen, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung bei Verwendung von Pumpenelementen mit einem den Spülquerschnitt steuernden gegen die Kolbenachse geneigten oberen Rand des Kolbens, welche in ihrem Aufbau den bekannten Pumpenelementen mit oben- liegender Steuerkante für Brennstoffeinspritzung entsprechen, vorgesehen, dass die Drosselwirkung an der Mündung des Überströmkanales mit der Verkleinerung des Förderhubes durch Änderung des wirksamenMün- dungsquerschnittes des Überströmkanales abnimmt, so dass in der Verdrehlage des Pumpenkolbens für Null- förderung, bei mit der Mündung des Überströmkanales fluchtender axialer Nut in der Kolbenumfangsflä- che,
der volle Querschnitt des Überströmkanales freigegeben wird und so auch bei sehr hohen Drehzahlen ein Anheben der Ventile unterbleibt. Dadurch wird die, für gleiche Schliessgeschwindigkeiten, mit grö- sser werdenden Ventilhüben erforderliche stärkere Drosselung am Überströmquerschnitt erreicht, ohne dass es in der Verdrehlage des Pumpenkolbens für Nullförderung infolge der Drosselwirkung am Überströmquerschnitt zu einer unerwünschten Förderung von Steuerflüssigkeit und damit zu einem Anheben der Ventile kommt.
Durch die Verwendung dieses Pumpenelementes mit obenliegender Steuerkante ergeben sich noch die zusätzlichen Vorteile, dass das Förderende unabhängig vom Ventilhub immer in den Steuernockenbereich mit abnehmender Fördergeschwindigkeit fällt, so dass ein stetiger Übergang der Öffnungsbewegung in die Schliessbewegung erfolgt und dass sich der Förderbeginn mit abnehmendem Ventilhub nach "später" ver- schiebt, wodurch bei Teillast ein allfälliger Kraftgasverlust während der Spülperiode verringert oder vermieden wird.
Hiezu kann der die Steuerung des Überströmkanals bewirkende untere Rand der Umfangsfläche des Pumpenkolbens gegen die Achsrichtung des Pumpenkolbens derart geneigt verlaufen, dass die Mündung des Überströmkanales im oberen Totpunkt des Pumpenkolbens mit wachsendem Förderhub in zunehmendem Ausmass von der Umfangsfläche abgedeckt ist, und eine Förderung von Steuerflüssigkeit durch den Pumpenkolben bei mit der Mündung des Überströmkanales fluchtender axialer Nut in der Umfangsfläche unterbleibt.
Eine weitere Vereinfachung gegenüber den bekannten Betätigungseinrichtungen ergibt sich schliesslich, wenn, nach einer bevorzugten Anwendungsform der Erfindung, auf Pumpenelemente mit in eine gemeinsame Rückströmleitung mündendem Spülkanal und Überströmkanal, die gemeinsame Rückströmleitung mit dem als Hochbehälter angeordneten Ausgleichsbehälter für die Steuerflüssigkeit unter Zwischenschaltung eines Druckventiles direkt verbunden ist. Dadurch wird eine unmittelbare Rückführung der erwärmten Steuerflüssigkeit vermieden.
Im folgenden. sind weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen Fig. 1 ein Anordnungsschema eines Ausführungsbeispieles einer Ventilbetätigungseinrichtung nach der Erfindung, Fig. 2 einen Teil eines Axialschnittes durch den Zylinder eines Pumpenelementes mit dem darin im oberen Totpunkt befindlichen Pumpenkolben, Fig. 3 in Abhängigkeit von der Kurbelwellenstellung in vereinfachter Darstellung den Hubverlauf am Pumpenkolben und Fig. 4 den tatsächlichen Ventilhubverlauf bei einer nach Fig. 1 ausgebildeten Betätigungseinrichtung, wobei jeder Kurve ein anderer Höchstwert der Ventilöffnung zugrunde liegt.
In Fig. 1 ist mit 1 das zu betätigende Ventil der Brennkraftmaschinebezeichnet, das durch die Schliess- feder 2 gegen den Ventilsitz in einem nicht dargestellten Zylinderkopf der Brennkraftmaschine gedrückt
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wird. Die Steuerflüssigkeit wirkt über einen Kolben 3 auf das Ventil ein. 4 bezeichnet die zum Pumpen- element 13 führende Leitung für die Steuerflüssigkeit.
Mit 5 und 6 sind zwei Rückschlagventile, mit 7 ist eine Drosselstelle bezeichnet, die zwischen der vom Rückschlagventil e zum Kolben 3 führenden Leitung 8 und der hiezu parallelen Leitung 9 liegt. wobei letztere für die Umgehung des Rückschlagventiles 6 und der Drosselstelle 7 beim Rückströmen der durch den Ventilkolben verdrängten iteuerflüssigkeit dient. Im Pum- penelement 10 gleitet der Pumpenkolben 13, dessen Umfangsfläche 14, wie bei Einspritzpumpen ge- bräuchlich, die Mündung des Überströmkanales 15 und des Spülkanales 16 zu verschliessen vermag, wo- bei der obere bzw. der untere Rand 11 bzw. 12 der Umfangsfläche zur Steuerung des Spülkanales bzw. des Überströmkanales dient.
Der Antrieb des Pumpenelementes erfolgt im vorliegenden Beispiel ähnlich wie bei Einspritzpumpen durch eine Nockenwelle 19, die zugleich auch die Vorpumpe 20 betreibt, durch die die Steuerflüssigkeit auch in der unteren Totlage des Kolbens des Pumpenelementes unter Überdruck gehalten wird. In dieser Stellung des Pumpenkolbens in der der Überströmkanal 15 überschliffen bleibt, ist die Mündung des Spülkanales 16 freigegeben und die erwärmte Steuerflüssigkeit wird zum Hochbehälter 22 abgeführt.
Die Vorpumpe ist durch die Leitung 23 mit dem als Hochbehälter angeordneten Ausgleichsbehälter 22 für die Steuerflüssigkeit und durch die Leitung 24 über den Filter 25, die Leitung 26 und über das Rückschlagventil 5 mit der Umgehungsleitung 9 in Verbindung. Der Spul- un Überströmkanal jedes Pumpenelementes mündet in die gemeinsame Rückströmleitung 27, die über ein weiteres Druckventil 30, welches dafür sorgt, dass das Steuerleitungssystem dauernd unter einem bestimmten Druck steht, an den Hochbehälter 22 angeschlossen ist. Ebenso mündet in die Rückströmleitung 27 die Leitung 29, die vom Über - druckventil 28 kommt, das den Steuerkreislauf gegen Überdruck abschert.
Die Verstellung des Hubes des Ventiles 1 erfolgt durch Verdrehen des Pumpenkolbens 13, wozu dieser, wie ebenfalls bei Einspritzpumpen gebräuchlich, mit einem Verstellzahnrad 17 verbunden ist, indas das nach Art einer Zahnstange ausgebildete Stellglied 18 eingreift.
Entsprechend der Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtungen ergeben sich bei diesen die folgenden Flüssigkeitskreisläufe. In der in Fig. l gezeichneten Stellung des Pumpenkolbens durchströmt die von der Vorpumpe geförderte Flüssigkeit zunächst den Filter 25 und nach Passieren der Leitung 26 das Rückschlagventil 5, worauf es durch die Umgehungsleitung 9 und die Leitung 4 inden Zylinderraum des Pumpenelementes gelangt und von dort über den Spülkanal 16, die Leitung 27 und das Druckventil 30 in den
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Bei Förderung der Steuerflüssiizkeit durch das Pumpenelement unter gleichzeitiger Sperrung des Über - stroom-fund des Spülkanales 15, 16'beaufschlagt die Flüssigkeit über die Leitung 4 den Ventilkolben 3,
wobei das Rückschlagventil 5 geschlossen und das Rückschlagventil 6 geöffnet ist. Hört die Förderung des Pumpenelementes durch Überstreichen des unteren Randes 12 der Umfangsfläche 14 des Pumpenkolbens und durch die damit über die Nut 21 erfolgende Verbindung des ober dem Pumpenkolben liegenden Raumes mit dem Überströmkanal auf, so wird die Steuerflüssigkeit durch den Kolben 3 zunächst im wesentlichen über die Umgehungsleitung 9 zurück in das Pumpenelement gedrückt, wobei nunmehr die beiden Rückschlagventile 5 und 6 geschlossen sind. Die Druckwelle baut sich über das Druckventil 30 inder Rückströmleitung 27 in den Hochbehälter 22 ab.
Nach dem Überstreichen der seitlichen Mündung der Leitung 9 im Zylinder des Kolbens 3 durch den Kolben 3 steht für das Abströmen der Flüssigkeit nur mehr der Weg über die Drosselstelle 7 offen, wodurch sich in diesem Teil der Kolbenbewegung eine starke Dämp- fung ergibt. Nach Abbau des Druckes in der Leitung 4 auf den Vorpumpendruck öffnet das Rückschlagventil 5 und der Kolben im Pumpenelement saugt über den Filter 25 und die Leitungen 26 und 4 Steuerflüssigkeit an.
Der grundsätzliche Verlauf der Ventilbewegung ist in Fig. 3 schematisch dargestellt, wobei auf der Abszisse die Stellung der Kurbelwelle (Grade Kurbelwellenwinkel) und auf der Ordinate die Grösse der jeweiligen Ventilöffnung - oder bei Anwendung eines entsprechend geänderten Massstabes - etwa der Druck der Steuerflüssigkeit in der Leitung 4 aufgetragen ist. Der mit 31 bezeichnete Teil der Kurve gibt dasAnheben des Ventiles wieder, das durch die Form der Nocken auf der Welle 19 für das Pumpenelementbestimmt wird.
Der Kurvenverlauf im Bereich des Schliessens umfasst zwei markante Abschnitte :
Den Abschnitt 32, der einerseits durch die Federkraft am Ventil und den Durchflusswiderstand in der Verbindung zwischen dem Pumpenelement und dem Ventilkolben bestimmt wird, anuerseits durch den Querschnitt des Überstromkanales ; bei Anwendung üblicher Einspritzpumpenelemente erfolgt dieser Teil der Schliessbewegung praktisch ungedrosselt. Der Abschnitt 33 stellt das durch die Drossel 7 bestimmte gedämpfte Aufsetzen nach dem Abschluss der Umgehungsleitung 9 durch den Kolben 3 dar.
Wird bei einem Steuerungssystem, betrieben mit normalen Einspritzpumpenelementen eine bestimmte Drehzahl oder
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ein bestimmter Druck in der Steuerflüssigkeit überschritten. so kommt es bei der Schliessbewegung zu Schwingungen, die in der Praxis etwa aussehen, wie der sLrlchlierte Kurvenverlauf 32a/ö8a in Fig. 3.
Durch die erfindungsgemässe Ausbildung der Ventilbetätigungseinrichtung mit dem in Fig. 2 dargestellten Pumpenelement erhält man bei jeder Drehzahl eine schwingungsfreie Schliessbewegung sowie einen schwingungsfreien Übergang in den gedämpften Aufsetzbereich und es ergibt sich der in Fig. 4 dargestellte Verlauf der Ventilbewegung über der Stellung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ; die Kurven 34 geben dabei die Verhältnisse bei verschieden grossen Ventilhüben wieder. Hieraus ist insbesondere die Wirkung des gegen die Achsrichtung des Zylinders des Pumpenelementes geneigten unteren Randes 12 der Schaftfläche des Pumpenkolbens zu erkennen, durch die eine dem jeweiligen Ventilhub zugeordnete verschieden grosse Drosselwirkung erhalten wird und damit der vom Ventilhub abhängigen unterschiedlichen Schliesskraft Rechnung getragen ist.
Bei grossen Ventilhüben mit hohen Schliesskräften wird der Überströmkanal 15 nur wenig freigegeben, bei kleinen Hüben mit niedrigen Schliesskräften mehr. Dadurch wird, von der Verdrehlage des Pumpenkolbens für Nullförderung aus beginnend, ein stetig zunehmend gedrosseltes Absteuern erreicht und im ersten Abschnitt der Schliessbewegung unabhängig vom Ventilhub die gleiche Schliessgeschwindigkeit erzielt, was den parallelen Verlauf der abfallenden Kurvenäste 34 in Fig. 4 zur Folge hat und für die Abstimmung des Überganges in das gedämpfte Aufsetzen wichtig ist und gleichzeitig eine Verschleppung des Ventilschlusses bei kleinen Hüben verhindert.
In der Verdrehlage des Pumpenkolbens für Nullförderung, in der die Nut 21 mit der Mündung des Überströmkanales 15 fluchtet, wird der volle Überströmquerschnittfrei- gegeben, so dass auch bei sehr hohen Drehzahlen ein Anheben der Ventile unterbleibt.
Der Beginn des Förderhubes und die Fördermenge wird durch die obenliegende Steuerkante 11 des Pumpenkolbens bestimmt, das Förderende durch die leicht schräg angeordnete Steuerkante 12. Mit dieser Anordnung verbinden sich die zusätzlichen Vorteile, dass das Absteuern durch die Steuerkante 12 bei jeder Hubgrösse in den Steuernockenbereich mit abnehmender Fördergeschwindigkeit fällt, wodurch ein weicher Übergang der Öffnungsbewegung in die Schliessbewegung des Ventiles erfolgt und dass sich, wie ebenfalls Fig. 4 zeigt, der Förderbeginn mit abnehmendem Ventilhub nach "später" verschiebt. so dass bei
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ringert oder vermieden wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Ventilbetätigungseinrichtung für Brennkraftmaschinen, insbesondere Zweitaktgasmaschinen, bei der die Steuerung der Gaseinblaseventile hydraulisch durch Pumpenelemente erfolgt, die je einen in einem Pumpenzylinder in Längs- und in Umfangsrichtung beweglichen Kolben aufweisen, der mit seiner Umfangsfläche das Öffnen und Schliessen von zwei in Achsrichtung des Zylinders versetzten Kanälen be- wirkt, von welchen der höher gelegene Kanal als Spülkanal dem Durchtrittder Steuerflüssigkeitdurch den Pumpenzylinder beigeschlossenem Ventil und der andere Kanal als Überströmkanal dem Abfliessen der Steuerflüssigkeit am Ende des Ventilhubes dient, die Freigabe dieser Kanäle durch das Überstreichen des oberen bzw.
des unteren Randes der Kolben-Umfangsfläche erfolgt, dieaufdenbeidenStirnseitender Um- fangsfläche gelegenen Räume des Pumpenzylinders durch eine axiale Nut in der Umfangsfläche des Pumpenkolbens miteinander in Verbindung stehen, und der Pumpenzylinder über die zum Ventil führende Leitung für die Steuerflüssigkeit mit dieser gefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsquerschnitt des Überströmkanales (15) und des Spülkanales (16) als Drosselquerschnitte ausgebildet sind, wobei das Verhältnis der Mündungsquerschnittsflächen zur Querschnittsfläche des Pumpenzylinders je vorzugsweise nur etwa 0,5 bis 1, 5% beträgt.