DE19855932A1 - Vorrichtung zur Steuerung von Gaswechselventilen an einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Vorrichtung zur Steuerung von Gaswechselventilen an einer BrennkraftmaschineInfo
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Abstract
Vorrichtung zur Steuerung von Gaswechselventilen an einer Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei Einlaßventilen (9) und zwei Auslaßventilen (11) je Brennraum (3) der zu versorgenden Brennkraftmaschine, die jeweils ein axial verschiebbares Ventilglied aufweisen, das an seinem brennraumzugewandten Ende einen Ventilteller (15) aufweist und das auf seinem brennraumfernen Ende mit einer Verstelleinrichtung zur Betätigung des Gaswechselventils verbunden ist. Dabei weisen die Ventilteller (23, 25) der Einlaßventile (9) zueinander und die Ventilteller (27, 29) der Auslaßventile (11) zueinander jeweils verschiedene Durchmesser auf.
Description
Die Erfindung geht von einer Vorrichtung zur Steuerung von.
Gaswechselventilen an einer Brennkraftmaschine gemäß der
Gattung des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aus. Eine
derartige, aus der Schrift DE 32 43 013 C2 bekannte
Steuerungsvorrichtung von Gaswechselventilen weist zwei
Gruppen von Ventilen je Brennraum der zu versorgenden
Brennkraftmaschine auf, deren Ventilglieder im Zylinderkopf
der zu versorgenden Brennkraftmaschine angeordnet sind.
Dabei sind bei der bekannten Vorrichtung jeweils zwei
Auslaßventile und zwei Einlaßventile je Zylinderbrennraum
der Brennkraftmaschine vorgesehen. Die Ventile weisen dabei
jeweils ein axial verschiebbares, pilzförmiges Ventilglied
auf, das an seinem brennraumzugewandten Ende einen
Ventilteller aufweist, der in den Brennraum der
Brennkraftmaschine ragt und an dessen zylinderkopfseitiger
Fläche eine Ventildichtfläche vorgesehen ist. Mit dieser
Ventildichtfläche wirken die Ventilglieder zur Steuerung
eines Einlaß- oder Auslaßquerschnittes am Brennraum mit
einem gehäusefesten Ventilsitz zusammen, an den sich
entsprechende Zuström- oder Abströmkanäle anschließen. Auf
die brennraumfernen Enden der Ventilglieder der Einlaß-
bzw. Auslaßventile wirkt eine Verstelleinrichtung, die die
Gaswechselventile betätigt. Diese
Betätigungsstelleinrichtung kann dabei in herkömmlicher
Weise als Nockenantrieb ausgebildet sein, es ist jedoch z. B. durch die Schrift DE 195 11 320 C2 auch bekannt, diese
Verstelleinrichtung als elektro-hydraulische
Stelleinrichtung auszubilden, mit der jedes einzelne
Gaswechselventilglied unabhängig von der Drehzahl der
Brennkraftmaschine separat steuerbar ist. Diese separate
Ventilansteuerung hat dabei den Vorteil, daß auf die
übliche Drosselklappen-Regelung verzichtet werden kann,
wobei der Hub und die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der
Gaswechselventile frei wählbar sind, so daß sich eine
vollvariable Ventilsteuerung der Gaswechselventile am
Verbrennungsmotor mit Hilfe dieser elektro-hydraulischen
Stelleinrichtungen realisieren läßt.
Es ist dabei aus der Schrift DE 32 43 013 C2 bekannt, die
Ventilteller der Einlaßventile zueinander sowie der
Auslaßventile zueinander gleich groß auszubilden, wobei die
einzelnen Gaswechselventile dabei durch ein Stellverfahren
gemäß der Schrift DE 195 11 320 C2 unabhängig voneinander
separat angesteuert werden können. Die dazu notwendige
Hydraulik-Steuerströmung an den Stellvorrichtungen wird
dabei durch Magnetventile gesteuert.
Dabei tritt an diesen variablen
Gaswechselventilsteuerungsvorrichtungen jedoch das Problem
auf, daß die Darstellung niedriger Lasten (z. B. im
Leerlauf) bei einem drosselklappenfreien Betrieb der
Brennkraftmaschine sehr geringe Ventilhübe der
Einlaßventilglieder erfordert. Derartig geringe
Ventilhubbewegungen an den Gaswechselventilgliedern sind
jedoch nur mit sehr schnellen Magnetventilen zu
realisieren, die dabei sehr steile Schaltflanken aufweisen.
Dabei ist es jedoch nachteilig, daß diese steilen
Schaltflanken sehr hohe elektrische Leistungen erfordern,
die den Energiebedarf der gesamten Ventilsteuerung erhöhen
und sich somit negativ auf den Wirkungsgrad der
Ventilsteuerung auswirken. Zudem werden durch die steilen
Schaltflanken der Magnetventile Druckschwingungen im
Hydraulikkreislauf mit sehr hohen Druckspitzen erzeugt, die
eine aufwendige starke Dimensionierung der Bauteile
erfordern. Desweiteren werden durch die Druckspitzen der
Druckschwingungen starke Körperschallemissionen angeregt,
die aufwendige Maßnahmen zur Schalldämmung erfordern.
An den Auslaß-Gaswechselventilen der bekannten Bauart tritt
zudem das Problem auf, daß das Öffnen der
Auslaßventilglieder gegen den Restdruck im
Zylinderbrennraum der Brennkraftmaschine erfolgen muß, der
dabei insbesondere mit der Last der Brennkraftmaschine
ansteigt und bei aktivierter Motorbremsfunktion sehr hohe
Werte annehmen kann. In Folge dessen muß der hydraulische
Verstellsystemdruck an den Auslaß-Gaswechselventilgliedern
so hoch sein, daß die resultierende Öffnungskraft im
Steller deutlich größer ist, als die zum Zeitpunkt des
Beginns des Öffnens der Auslaßventile entgegenwirkende
Innendruckkraft im Brennraum auf die Ventilteller der
Auslaßventilglieder. Für ein sicheres Öffnen des
Auslaßventilgliedes bei großer Last und niedrigen
Drehzahlen oder bei aktivierter Motorbremse wird deshalb
ein deutlich höherer Hydraulikdruck benötigt, als bei
niedrigen Lasten an der Brennkraftmaschine, bei denen
lediglich der zur drehzahlsynchronen Steuerung des
Gaswechselventiles erforderliche, wesentlich geringere
Hydraulikdruck bereitgestellt werden muß. Auch diese
beschriebene Tatsache erhöht noch einmal die notwendige
Antriebsleistung an den Gaswechselventilgliedern der
Auslaßventile, die den Wirkungsgrad der Steuervorrichtung
von Gaswechselventilen noch einmal negativ beeinflußt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung von
Gaswechselventilen an einer Brennkraftmaschine hat
demgegenüber den Vorteil, daß durch die Verwendung
unterschiedlich großer Ventilteller sowohl auf der Einlaß-
als auch auf der Auslaßseite der Energiebedarf zur
Betätigung der Ventilglieder gesenkt werden kann. Zudem
kann das im Betrieb entstehende Geräusch durch das Abbauen
von Druckschwingungen abgesenkt werden und die
Bauteilkosten reduzieren sich durch eine günstigere
Dimensionierung der einzelnen Bauteile. Dabei ist es
besonders vorteilhaft, das Durchmesserverhältnis zwischen
einem großen Einlaßventilgliedteller und einem kleinen
Einlaßventilgliedteller größer ca. 1,5 : 1 auszubilden, so
daß es möglich wird, bei niedrigen Lasten an der
Brennkraftmaschine das Einlaßventil mit dem großen
Ventilteller abzuschalten und die Steuerung der
Frischgaszufuhr lediglich mit dem Einlaßventil mit dem
kleineren Ventiltellerdurchmesser vorzunehmen, an dem dann
ein deutlich größerer Ventilgliedhub erfolgen kann. Diese
größere Ventilgliedhubbewegung ermöglicht dabei in
vorteilhafter Weise die Verwendung von langsamer
schaltenden Magnetventilen mit flacheren Schaltflanken, die
den Vorteil aufweisen, daß sie einen geringeren
Energiebedarf und Bauraum benötigen und zudem
Schallemissionen vermeiden.
Dabei ist es zusätzlich oder alternativ auch möglich, durch
eine brennraumseitige Maskierung des im Durchmesser
kleineren Ventiltellers des Einlaßventils für kleine
Ventilhübe eine weitere Vergrößerung des Ventilhubs für
kleine Lasten zu ermöglichen.
Durch das gleichzeitige Vorsehen unterschiedlicher
Ventiltellerdurchmesser der beiden Auslaßventilglieder
(vorzugsweise im Durchmesserverhältnis von wenigstens 2 : 1)
kann zudem der funktionell notwendige hydraulische
Mindeststelldruck zum Öffnen der Auslaßventile abgesenkt
werden. Dabei wird zuerst das Auslaßventil mit dem
kleineren Ventilteller, an dem somit eine kleinere
Gegenkraft angreift, aufgesteuert und danach bei
abgesunkenem Restdruck im Inneren des Zylinderbrennraumes
das zweite, den größeren Ventilteller aufweisende
Auslaßventil geöffnet. Auch daraus ergibt sich wiederum
eine Absenkung der notwendigen hydraulischen
Antriebsleistung, was sich positiv auf den
Gesamtenergiebedarf der Ventilsteuervorrichtung und somit
dessen Wirkungsgrad auswirkt.
Es ist zudem bei kleinen Drehzahlen und/oder niedrigen
Lasten, d. h. Betriebspunkten mit relativ kleinem
Abgasgegendruck zum Zeitpunkt des Öffnens des Auslaßventils
auch die ausschließliche Betätigung nur eines Auslaßventils
möglich, was zu einer weiteren Reduktion der
Leistungsaufnahme der Steuerungsvorrichtung führt.
Durch das Vermeiden hoher Druckspitzen infolge von
Druckschwingungen im Hydraulikkreislauf kann zudem das
Geräuschemissionsniveau an der Steuerungsvorrichtung
deutlich abgesenkt werden.
Durch das Verwenden in der Fläche kleinerer Einlaßventile
kann im Teil- und Vollastbereich der Brennkraftmaschine in
vorteilhafter Weise eine Erhöhung der
Einströmgeschwindigkeit erreicht werden, die die
Gemischaufbereitung unterstützt, eine verbesserte
Ladungsbewegung im Brennraum sowie eine Erhöhung des
Liefergrades zur Folge hat.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen
Steuerungsvorrichtung von Gaswechselventilen wird durch die
wechselweise Anordnung der Einlaß- und Auslaßventile im
Zylinderkopf erreicht, so daß die dort zur Verfügung
stehende Fläche für die Dimensionierung der Ventilteller
optimal ausgenutzt werden kann. Dabei ist es zudem
besonders vorteilhaft, zwei Zündkerzen pro Brennraum
vorsehen zu können, die dabei vorzugsweise in dem
Wandstegbereich zwischen zwei großen und einem kleinen
Ventilteller angeordnet sind.
Um die Möglichkeiten der Absenkung des Energiebedarfes mit
Hilfe unterschiedlich großer Ventilteller an den
Ventilgruppen optimal ausnutzen zu können, ist es zudem
notwendig, die entsprechende Steuerstrategie der einzelnen
Ventilbetätigungsvorrichtungen an den geringeren
Hydraulikdruck und die langsameren Magnetventile
anzupassen.
Die in der Beschreibung dargestellte Ausführungsvariante
der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung von
Gaswechselventilen zeigt dabei je zwei Einlaßventile und
zwei Auslaßventile mit zwei Zündkerzen je Brennraum, es ist
alternativ jedoch auch möglich darüber hinaus weitere
Ventile vorzusehen (z. B. ein zusätzliches kleines
Auslaßventil für die Motorbremsfunktion u. ä.), wobei der
Gesamtöffnungsquerschnitt der Einlaßventile größer
ausgebildet sein sollte als der Gesamtöffnungsquerschnitt
der Auslaßventile. Desweiteren ist es möglich, anstelle der
zweiten Zündkerze ein direkt in den Brennraum der
Brennkraftmaschine mündendes Einspritzventil vorzusehen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des
Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der
Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Steuerung von Gaswechselventilen an einer
Brennkraftmaschine ist in der Zeichnung dargestellt und
wird im folgenden näher erläutert.
Es zeigen die Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil
des Zylinderkopfgehäuses der Brennkraftmaschine im Bereich
eines Zylinderbrennraumes mit zwei in diesen
hineinragenden, schematisch dargestellten
Gaswechselventilen und die Fig. 2 eine Ansicht von unten
auf die Ventilteller der einzelnen Gaswechselventilglieder
in einer vereinfachten Ansicht.
In der Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Steuerung von
Gaswechselventilen an einer Brennkraftmaschine schematisch
dargestellt. Dabei ist dort ein Zylinderkopfgehäuse 1 der
Brennkraftmaschine im Bereich eines Zylinderbrennraumes 3
geschnitten dargestellt, an den ein Einlaßkanal 5 und ein
Auslaßkanal 7 münden. In diesen Brennraum 3 ragen zwei
Gruppen von Gaswechselventilen, wobei in der Fig. 1
jeweils ein Einlaßventil 9 und ein Auslaßventil 11
dargestellt sind. Darüber hinaus sind beim
Ausführungsbeispiel jedoch zwei Einlaßventile 9 und zwei
Auslaßventile 11 je Brennraum 3 der zu versorgenden
Brennkraftmaschine vorgesehen, wobei auf deren Ausbildung
und Anordnung in der Fig. 2 eingegangen wird. Die
Gaswechselventile 9, 11 weisen jeweils ein axial
verschiebbares Ventilglied 13 auf, das an seinem
brennraumzugewandten Ende einen Ventilteller 15 aufweist.
An den brennraumabgewandten Stirnflächen der Ventilteller
15 ist dabei jeweils eine Ventildichtfläche 17 vorgesehen,
mit der das Ventilglied 13 zur Steuerung eines Einlaß- oder
Auslaßquerschnittes an der Einmündung des Einlaßkanals 5
bzw. des Auslaßkanals 7 in den Brennraum 3 mit einem
gehäusefesten Ventilsitz 19 zusammen wirkt. Mit ihren
brennraumfernen Enden ragen die Einlaßventile 9 und
Auslaßventile 11 mit ihrem Ventilglied 13 in eine elektro
hydraulische Stelleinrichtung 21, die in der Zeichnung
nicht näher dargestellt ist und mittels der die einzelnen
Ventilglieder unabhängig voneinander separat angesteuert
und betätigt werden. Dabei weist diese elektro-hydraulische
Stelleinrichtung vorzugsweise einen von hydraulischen
Arbeitsräumen begrenzten Stellkolben auf, der mit dem
Gaswechselventilglied 13 verbunden ist und der durch das
Befüllen und Entlasten der hydraulischen Arbeitsräume axial
verschiebbar ist. Die Steuerung der hydraulischen
Arbeitsräume erfolgt dabei über elektrische Stellventile,
vorzugsweise Magnetventile, die von einem Betriebsparameter
der zu versorgenden Brennkraftmaschine verarbeitenden
elektrischen Steuergerät einzeln angesteuert werden. Zur
Ausbildung einer derartigen elektro-hydraulischen
Stelleinrichtung wird auf die Schrift DE 195 11 320 C2
verwiesen, in der eine derartige bekannte Stelleinrichtung
bereits beispielhaft beschrieben ist.
Um den Energiebedarf der Stelleinrichtung 21 abzusenken und
diese Stelleinrichtung mit normalschnell schaltenden
Magnetventilen über einen relativ großen Hub der
Ventilglieder 13 betätigen zu können, weist die
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung von
Gaswechselventilen an einer Brennkraftmaschine, wie in der
Fig. 2 dargestellt, unterschiedlich große Ventilteller 15
an den einzelnen Gruppen von Einlaßventilen 9 und
Auslaßventilen 11 auf, dabei sind im Ausführungsbeispiel
jeweils zwei Einlaßventile 9 und zwei Auslaßventile 11 je
Brennraum 3 der zu versorgenden Brennkraftmaschine
vorgesehen. Die Einlaßventile 9 weisen dabei an ihren
Ventiltellern 15 unterschiedliche Durchmesser auf, wobei
ein erster Einlaßventilteller 23 eine deutlich größere
Ventiltellerfläche aufweist als ein zweiter, kleinerer
Einlaßventilteller 25. Auch ein erster größerer
Auslaßventilteller 27 weist eine deutlich größere
Ventiltellerfläche auf als ein zweiter, kleinerer
Auslaßventilteller 29. Dabei sollte das
Durchmesserverhältnis der größeren Ventilteller 23, 27 zu
den kleineren Ventiltellern 25, 29 vorzugsweise wenigstens
1,5 : 1 betragen.
Die einzelnen Ventilteller 23, 25, 27 und 29 wirken dabei
mit jeweils entsprechend dimensionierten Ventilsitzflächen
19 zusammen, an die sich jeweils entsprechend angepaßte
Kanalquerschnitte der Einlaßkanäle 5 und Auslaßkanäle 7
anschließen. Um die im Zylinderkopf 1 im Bereich des
Brennraums 3 zur Verfügung stehende Fläche für die
Dimensionierung der Ventilteller 15 optimal ausnutzen zu
können sind die Einlaßventile 9 und Auslaßventile 11 dabei
derart wechselweise angeordnet, daß sich in Umfangsrichtung
zum zylindrischen Brennraum 3 jeweils ein im Durchmesser
großer Ventilteller 15 einer ersten Ventilart an einen im
Durchmesser kleinen Ventilteller 15 der zweiten Ventilart
anschließt. Dabei ist der Gesamtquerschnitt der
Einlaßventile 9 in der Summer größer ausgebildet als der
Gesamtquerschnitt der Auslaßventile 11. Für eine optimale
Kraftstoffzündung sind beim beschriebenen
Ausführungsbeispiel zudem zwei Zündkerzen 31 in den
Brennraum 3 der Brennkraftmaschine eingesetzt, wobei
jeweils eine Zündkerze 31 oberhalb einer Motorlängsachse 33
und eine weitere Zündkerze 31 unterhalb dieser Längsachse
angeordnet ist.
Durch das Vorsehen von Einlaß- und Auslaßventilen 9, 11 mit
unterschiedlich dimensionierten Ventiltellern 15 ist es
nunmehr möglich, die hydraulischen Stelleinrichtungen 21 an
den einzelnen Ventilgliedern 13 so anzusteuern, daß bei
niedrigen Lastzuständen an der Brennkraftmaschine lediglich
das Einlaßventilglied mit dem im Durchmesser kleineren
Einlaßventilglied-Ventilteller 25 betätigt wird, wobei
diese Steuerung dann einen relativ großen Öffnungshub des
Ventilgliedes 13 dieses Einlaßventils 9 ermöglicht. Bei
höheren Lasten werden dann in gewohnter Weise beide
Einlaßventile 9 betätigt. Desweiteren ist es nunmehr
möglich bei sehr hohen Innendrücken im Brennraum der
Brennkraftmaschine im Anschluß an die Verbrennung zunächst
nur das Auslaßventil 11 mit dem im Durchmesser kleineren
Auslaßventil-Ventilteller 29 zu öffnen, während die Öffnung
des zweiten, im Durchmesser größeren Auslaßventil-
Ventilteller 27 erst nach einem bestimmten Absinken des
Innendruckes im Brennraum der Brennkraftmaschine erfolgt.
Auf diese Weise lassen sich auch an den Auslaßventilen 11
die Stellkräfte bei sehr hohen Gegendrücken im Brennraum 3
gegenüber herkömmlichen Ventilen auf einfache Weise
absenken.
Claims (7)
1. Vorrichtung zur Steuerung von Gaswechselventilen an
einer Brennkraftmaschine mit wenigstens zwei Einlaßventilen
(9) und zwei Auslaßventilen (11) je Brennraum (3) der zu
versorgenden Brennkraftmaschine, die jeweils ein axial
verschiebbares Ventilglied (13) aufweisen, das an seinem
brennraumzugewandten Ende einen Ventilteller (15) aufweist,
an dem eine Ventildichtfläche (17) vorgesehen ist, mit der
es zur Steuerung eines Einlaß- oder Auslaßquerschnittes am
Brennraum (3) mit einem gehäusefesten Ventilsitz (19)
zusammenwirkt und das an seinem brennraumfernen Ende mit
einer Verstelleinrichtung (21) vorzugsweise einer elektro
hydraulischen Stelleinrichtung, zur Betätigung des
Gaswechselventils verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ventilteller (15) der Einlaßventile (9) zueinander
und die Ventilteller (15) der Auslaßventile (11) zueinander
jeweils verschiedene Durchmesser aufweisen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Durchmesserverhältnis zwischen einem größeren
Einlaßventilteller (23) und einem kleineren
Einlaßventilteller (25) sowie zwischen einem großen
Auslaßventilteller (27) und einem kleinen
Auslaßventilteller (29) wenigstens 1, 5 : 1 beträgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Gesamtöffnungsquerschnitt der Einlaßventile (9) größer
ist als der Gesamtöffnungsquerschnitt der Auslaßventile
(11).
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Einlaßventile (9) und Auslaßventile (11) in Bezug auf
die Größe wechselweise nebeneinander in einem Zylinderkopf
(1) der Brennkraftmaschine angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
zwei Zündkerzen (31) je Brennraum (3) vorgesehen sind, die
vorzugsweise jeweils in einem zwischen den beiden großen
Ventiltellern (23, 27) und einem kleinen Ventilteller (25
oder 29) gebildeten Wandstegbereich angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
im Betriebsbereich niedriger Last an der Brennkraftmaschine
lediglich das Einlaßventil (9) mit dem im Durchmesser
kleineren Einlaßventilteller (25) betätigt wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
bei hohen Innendrücken im Brennraum (3) der zu versorgenden
Brennkraftmaschine zunächst nur das Auslaßventil (11) mit
dem im Durchmesser kleineren Auslaßventilteller (29)
aufgesteuert wird, während die Öffnung des im Durchmesser
größeren Auslaßventiltellers (27) erst nach einem
bestimmten Absinken des Innendruckes im Brennraum (3) der
Brennkraftmaschine erfolgt.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |