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Einrichtung zum intermittierenden Drehen von in den Zylinderraum einer
Brennkraftmaschine führenden Ventilen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum
intermittierenden Drehen von in den Zylinderraum einer Brennkraftmaschine führenden
Ventilen, mit einem Antrieb, der dem von seinem Sitz gelösten Ventilkörper einen
Drehimpuls aufzwingt, der durch Aufsetzen des Ventilkörpers auf dem Sitz wieder
abgebremst wird.
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Insbesondere bei Auslassventilen von Zylindern in Brennkraftmaschinen
besteht eine starke Verschautzungs-gefahr, die auf chemische Einflüsse von Inhaltsstoffen
der Brennstoffe und der Verbrennungsluft - z.B. auf Vanadium und Natrium - zurückzuführen
ist; diese Inhaltsstoffe bilder. bei bestimmten Konzentrationen und Temperaturen
niedrigschmelzende Verbindungen, die als Schmelze vor allen auf den Ventilkörper
gelangen und dort erstarren Diese lokalen Ablagerungen wirken wärmeisolierend und
verursachen neben eventuellen Undichtheiten örtliche Ueberhitzungen des Ventilkörpers,
die zu Beschädigungen führen Es sitze daher Einrichtungen bekannt, mit deren Hilfe
der Ventilkörper bei jedem Hub um einen bestimmten Winkel gedreht wird, so dass
zum einen sich immer andere Unfangsteile von Ventflkörper und Ventilsitz gegenüberstehen,
eine wärmeisolierende Ablagerung also relativ zum Partner wandert; zun anderen wird
dadurch angestrebt, dass der
rotierende Ventilkörper beim Aufsetzen
und Abbremsen auf dem Ventilsitz eine gewisse Schleifwirkung erfährt, durch die
eine Reinigung bewirkt wird.
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Als Antrieb für derartige Einrichtungen sind z.B. mechanische Mittel,
die von der Kurbelwelle angetrieben werden, bekannt (DE-PS 340 482 und 1 272 624);
bei einer anderen Konstruktion ist der Ventilschaft innerhalb des Austrittskanals
für die Verbrennungsgase mit aerodynamischen Führungsflächen versehen, mit deren
Hilfe der Ventilteller durch die ausströmenden Gase in Rotation versetzt wird.
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Die geschilderten Konstruktionen haben den Nachteil, dass bei ihnen
der für die Drehung des Ventiltellers zur Verfügung stehende Drehwinkel und/oder
das Drehmoment stark begrenzt sind. Weiterhin ist ihre Wirksamkeit von der Leistung
der Brennkraftmaschine abhängig, so dass ihre Wirkung bei Teillast - bei der die
Abgasmenge verringert ist bzw. eine kleinere Drehzahl gefahren wird - erheblich
vermindert ist. Gerade bei Teillast kommt es aber bevorzugt zu den geschilderten
Verschmutzungen, da bei Teillast sehr häufig hohe Auspufftemperaturen vorherrschen.
bei denen eine aus Vanadium und Natrium entstehende intermetallische Verbindung
sich zunächst verflussist, anschliessend vorwiegend am Ventilteller wieder erkaltet
und sich auf diesem niederschlägt Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung
der genannten Art zu schaffen, deren Antrieb unabhängig vom momentanen Betriebszustand
der Brennkraftmas chine ist.
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Dabei soll weiterhin die für die Drehung zur Verfügung stehende Intensität
des Drehimpulses praktisch unbegrenzt sein. Schliesslich soll der Abbremswmmkel
und damit der Drehwinkel oro Hub nicht - wie bei mechanischen Antrieben -
einen
festen konstanten Wert haben, um nicht bei jedem Hub genaJ-- definierte Wiederholungen
in der Schliefbewegung zu erzeugen.
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Diese Aufgabe wird mit der Erfindung dadurch gelöst, ass der Antrieb
für den Drehimpuls vom Betriebsdrehmoment und/oder der Betriebsdrehzahl der Brennkraftmaschine
unabhängig ist, was z.B. vorteilhafterweise durch ein geschlossenes hydraulisches
System verwirklicht wird, in dessen Kreislauf der Antrieb für den Drehimpuls angeordnet
ist, wobei der Antrieb über eine absperrbare Bypassleitung kurschliessbar ist.
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Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, als unabhängige Antriebe
pneumatische oder elektrische Motoren vorzusehen. Das geschilderte hydraulische
System bietet jedoch deshalb besondere Vorteile, weil jede Brennkraftmaschine mit
einem vom Lastzustand unabhängigen Druckölsystem zu Schmierzwecken ausgestattet
ist. Der Antrieb wird konstruktiv besonders einfach, wenn der Antrieb dauernd,d.h.
auch bei geschlossenem Ventil, wirksam ist.
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Es können sowohl antreibende" als auch "abbremsende" hydraulische
Systeme verwendet werden. Bei den ersten erfolgt die Drehung des Ventilkörpers oder
-tellers angetrieben vom Druckoel, während bei den zweiten eine vom Hub des Ventils
angeregte Drehung in einem geschlossenen, hydraulischen Strömungskreislauf abgebremst
wird.
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Zweckmässigerweise kann die Intensität des Drehimpulses - beispielsweise
durch einstellbares Drosselorgan im Kreislauf des hydraulischen Systems - auf eine
bestimmte Maximalgrösse begrenzt werden. Es ist jedoch auch möglich, die Intensität
sieuer- oder regelbar zu machen. Dabei kann man diese Intensität z.B. in einem zufälligen
Rhythmus nach
einem Programm steuern, um die geschilderten Wiederholungen
gleicher Dreh- oder Abbremswinkel zu vermeiden. Eine Regelung kann dabei in Abhängigkeit
von Temperaturmessungen im Ventilsitz oder im Ventilteller vorgenommen werden; die
messtechnisch etwas schwierigere Messung im Ventilteller zeigt Verschmutzungen durch
eine direkte Temperaturerhöhung im Ventilteller an, während durch Temperaturänderungen
im Ventilsitz Verunreinigungen indirekt bei der Drehung des Ventiltellers erfasst
werden.
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Aus der Temperatur im Auspuffkanal lässt sich ebenfalls auf Verschmutzungen
des VentiltEllers indirekt durch einen Vergleich mit den Temperaturen in anderen
Auspuffkanälen schliessen; einen ähnlichen Vergleich mit anderen Zylindern benötigt
man, wenn man die geschilderten Verschmutzungen aufgrund einer Messung des Schwingungsspektrums
eines Ventiltellers oder -körpers diagnostizieren will. Eine weitere Möglichkeit
für die Ueberwachung der Ventilteller besteht in einer Geräuschanalyse im Auspuffkanal,
bei der das Auftreten höherer Frequenzen auf Verschmutzungen schliessen lässt.
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Schleif- und Reinigungswirkung lassen sich verbessern, wenn die Drehrichtung
des Drehimpulses umkehrbar ist; diese Umkehrung kann alternierend oder - beispielsweise
elektronisch gesteuert - jeweils erst nach einer gewissen Anzahl von Drehimpuls-Schritten
erfolgen Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang
mit der Zeichnung näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt schematisch einen Längs schnitt durch einen Zylinderkopf
entlang der Ventilachse eines Auslassventils, das mit einem ebenfalls
nur
schematisch dargestellten hydraulischen Antriebs system versehen ist; Fig, 2 gibt
schematisch zur im "Bremsbetrieb" arbeitendes hydraulisches System wieder; Fig.
3 ist ein Längsschnitt TIT-TaT von Fig. 4 und zeigt eine Ausfuhrungsform fur eine
Vorrichtung, mit der sich die Drehrichtung des Drehimpulses umkehren lässt, während
Fig. 4 der Schnitt IV-IV von Fig. 3 ist Ein Zylindereinsatz 1 (Fig. 1) einer Brenmkraftmaschine,
in dem ein Kolben 2 vorgesehen ist, ist nach oben durch einen Zylinderdeckel 3 geschlossen.
In einer Bohrung dieses Zylinderdeckels 3 stützt sich auf einem Absatz 4 ein Ventilsitz
5 ab, der von einem aussen auf dem Zylinderdeckel 3 aufliegenden Ventilkorb 6 gehalten
ist. Durch einen Strömung kanal 7 können die Verbrennungsgase aus dem Zylinderraun
9 ausströmen.
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Freigegeben bzw. verschlossen wird der Strömungskanal 7 durch einen
Ventilkörper oder -teller 8, der in eine Ventilstange 10 übergeht; diese ist bei
ihrer hu./Ab-Bewegung in einer Führungsbüchse 11 geführt, die ihrerseits im Ventilkorb
6 befestigt ist.
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Die Ventilstange 10 ringförmig umschliessend ist auf dem Ventilkorb
6 ein Hohlkörper 17 angeordnet, der in seinem unteren Teil ein Druckgaspolster 12
enthält. Dieses ist aus einer nicht gezeigten Druckgas-, vorzugsweise Druckluft-Quelle
gespeist und dient der Rückstellung des Ventils in die geschlossene Stellung. Das
Druckgas ist dabei in einem Hohizylinder 14 eingeschlossen, den nach oben eine
zylindrische
Glocke 15 abschliesst. Zwischen dem Hohlzylinder 14 und der Glocke 15 sind KolbeuringdIchtungen
59 angeordnet.
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Die Glocke 15, die fest auf dem oberen Ende der Ventilstange 10 sitzt,
bildet den beweglichen Deckel des Druckgaspolsters oder -volumens 12. Dieses wird
beim Oeffnen des Ventiltellers 8 durch die damit verbundene, abwärts bewegte Glocke
15 verkleinert, wodurch sein Luftinhalt komprimiert wird. Die komprimierte Luft
bildet so eine gespannte Rückstellfeder" für das Schliessen des Ventils.
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Das Oeffnen des Ventils erfolgt durch einen hydraulischen Ventilkolben
13, der über einen Zwischenkörper 21 auf der Glocke 15 sitzt und so auf die Ventilstange
10 einwirkt.
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Der Kolben 13 selbst, der in einem hydraulischen Zylinder 23 verschiebbar
ist, ist über eine Leitung 22 von einem Druckmittel, beispielsweise einem Steueroel,
beaufschlagt.
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Die Glocke 15 trägt auf ihrem Aussenmantel eine Verzahnung 16, in
die durch den Hohlkörper 17 hindurch ein Zahnrad 18 eingreift. Dieses ist über eine
Welle 19 mit einem Zahnradmotor 20 eines hydraulischen Antriebssystems verbunden,
die das Antriebsaggregat für die Drehung des Ventilkörpers oder -tellers 8 bildet.
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Das hvdraulische System weist einen qeschlossenen Kreislauf 24 auf,
der über eine Zufuhrleitung 25 and eine Abflussleitung 26 an ein nicht weiter dargestelltes
Druckoelsystem angeschlossen ist. Die beiden Leitungen 25 und 26 sind dabei mit
dem den Motor 20 enthaltenden Kreislauf 24 über einen Drehrichtungswechsler 27 verbunden,
der im folgenden noch näher beschrieben wird. Dieser Drehrichtungswechsler 27 dient
der Umkehrung der Strömungsrichtung im Kreislauf 24
und damit im
Motor 20, wodurch dessen Drehrichtung und somit auch diejenige des Ventiltellers
8 umgekehrt werden kann.
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Ueber eine Bypassleitung 28, in der ein einstellbares Ueberdruckventil
29 vorgesehen ist, können die Leitungen 25 und 26 unter Umgehung des Kreislaufs
2 direkt miteinander verbunden werden. Daraus ergibt sich die Wirkungsweise des
iydraulischen Antriebssystems wie folgt: Der Widerstand des auf seinen Sitz aufliegenden
Ventiltellers 8 ist grösser als die eingestellte Rückstellkraft des Ueberdruckvantils
29, so dass das Druckoel über die Bypassleitunq 2S am Kreislauf 24 vorbei zirkuliert.
Hebt der Ventilteller 8 von seinem Sitz ab, so sinkt der nydraulische Druck im Kreislauf
24 stark ab. Das Ueberdurckventil 29 schließt, das Hydraulikoel fliesst durch den
Kreislauf 24 und versetzt den Ventilteller 8 mit Hilfe des Zahnradmotors 20 in Rotation.
Uebersteigt beim Schliessen des Ventils der Widerstand im Kreislauf 24 wiederulw
die Kraft des Ueberdruckventils 29, so öffnet dieses wiederum und der Antrieb für
den rotierenden Ventilteller 8. wird unterbrochen. Dieser wird nun durch Reibung
auf dem Ventilsitz 5 abqebremst, wobei die Rotation ohne Begrenzung frei ausläuft;
damit wird erreicht, dass zum einen ein Abschleifen von besonders am Ventilteller
8 haftenden Verschmutzungen erfolgt und zum zweiten die Drehung keine definierte
Endlage hat. Durch ungleichmässig weite Drehwinkel bei den einzelnen Hüben wird
auf diese Weise sichergestellt: dass keine eingefahrenen Schleifkanten entstehen,
wie sie bei stets gleichem Drehwinkel vorkommen könnten.
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Eine Steuerung oder Regelung der Intensität des erzeugten
Drehimpulses
lässt sich dadurch verwirklichen, dass z.B. der Druck in der Zufuhrleitung 25 gesteuert
oder geregelt wird; es ist jedoch auch denkbar, das fest eingestellte Ueberdruckventil
29 in der Bypassleitung 28 durch ein gesteuertes oder geregeltes Organ zu ersetzen.
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Die mit dem Drehrichtungswechsler 27 erreichbare Umkehrung des Drehsinnes
sei in Verbindung mit Fig.3 und 4 beschrieben. Der Drehrichtungswechsler 27 weist
in seinem Aussengehäuse 30 diametral gegenüberliegend je drei relativ nahe benachbarte
radiale Bohrungen 31 - 33 auf. Von diesen Bohrungen sind die beiden mittleren 32
für den Anschluss des Kreislaufs 24 vorgesehen. Die äusseren 31u und 31g sind an
zwei parallelen Strängen 25u und 25g (Fig. 13 der Zufuhrleitung 25 angeschlossen,
während von den Bohrungen 33u und 33g zwei parallele Leitungen 26u und 26q weqführen,
die sich zur Abflussleitung 26 des hydraulischen Systems vereinigen. Die Bezeichnung
"g" symbolisiert dabei eine Strömung im Kreislauf 24 gegen den Uhrzeigersinn, während
die Bezeichnung "u" für eine Sfromung im Uhrzeigersinn verwendet ist.
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Im Innern des Drehrichtungswechslers 27 ist ein schrittweise rotierender,
auf seinem äusseren Umfang mit gleichmässig verteilten Nuten 34 versehener Schaxörper
35 vorqesehen, der in einer Drehrichtung, z.B. gegen den Uhrzeigersinn schrittweise
fortschreitend, ieweils gleichzeitig für die eine Drehrichtung des V~=tiltellers
8 die Zufuhrleitung 25 bzw. 25u über die Bohrung 31u und die Ablwafleitung 26u bzw.
26 mit dem Kreislauf 24 verbindet.
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Der schrittweise Antrieb des Schaltkörpers 35 erfolgt über einen Freilauf,
der selbst von einer Keilwelle 36 ig. 3)
angetrieben ist. Die Keilwelle
36 sitzt am Ende eines Kolbens 37; dieser ist über eine Bohrung 38 z.B. an die Druckleitunq
22 oder aber an ein fremdes Druckmittelsystem anceschlossen, durch das der Kolben
37 axial beweqt werden kann. Zwischen dem Kolben 37 und der Keilwelle 36 ist ein
mit einem Steilgewinde 39 versehener Antriebszylinder 40 vorgesehen. Das Steilgewinde
39 greift dabei in eine entsprechende Mutter 5B ein, die fest im Aussengehäuse 30
angeordnet ist. Auf diese Weise wird bei einer Axialbewequnq des aus Keilwelle 36,
Antr ebszviinder 40 und Kolben 37 bestehenden Zentralkörpers eine Rotation erzeugt.
Diese Rotation wird von der Keilwelle 36 auf den Innenring 42 des Freilaufs übertragen.
Bei einer Drehunq genen den Uhrzeigersinn nimmt der Innenring 42 dann durch Einklemmen
der Klemmrollen 43 in Zähnen 44 des Freilauf-Aussenrings 45 diesen mit und veranlasst
so einen Schritt des Schaltkörpers 35.
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Die beiden Ringe 42 und 4 des Freilaufs sind im Innern des SchalUkörpers
35 axial gehalten durch eine Halteplatte 51, die ihrerseits auf einem Sprengring
52 sitzt,. der in den Schaltkörper 35 eingelassen ist.
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Die Keilwelle 36 endet oben in einer Spitze, auf der eine Lagerplatte
53 für eine Rückstellfeder 54 ruht, mit der - nach einem erfolgten Schritt und Entlastung
des Kolbens 37 vom Druckmittel - eine Rückstellung des Zentralkörpers bei gleichzeitiger
Drehung im Uhrzeigersinn bewirkt wird. Bei dieser Rückstellbewegung nimmt die Keilwelle
36 zwar den Innenring 42 mit, nicht aber den Aussenring 45, da die Klemmrollen 43
dann lose in der Innenverzahnuna 44 des Aussen rings 45 beweet werden.
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Der Hub des Zentralkörpers 37, 40, 36 ist durch einen Anschlag 55
im Deckel 50 des Drehrichtungsalechslers 27 begrenzt.
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Als Sicherung gegen unbeabsichtigtes Verstellen des Schaltkörpers
35 sind in seiner oberen Stirnfläche eine der Anzahl der Nuten 34 entsprechende
Zahl von Radialkerben 46 eingefräst. In diese kann eine Kugel 47 eingreifen, die
von einem federbelasteten Kolben 48 in einer Entlüftungsleitung 49 des Deckels 50
gegen die Stirnseite des Schaltkörpers 35 gedrückt wird.
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Da ein Schritt des Schaltkörpers 35 jeweils durch einen Druckimpuls
auf die Unterseite des Kolbens 37 ausgelöst wird, ist es möglich, durch Steuerung
der Folge dieser Druckimpulse eine Drehrichtunqsänderuna des Ventiltellers 8 streng
alternierend - d.h. bei bzw. nach jedem Ventilhub -vorzunehmen oder aber jeweils
erst nach einer beliebigen Anzahl von Drehungen in einer Richtunq auszulösen.
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Beim Antrieb nach Fig. 2 dient der hydraulische Kreislauf 64 nicht
als aktiver Antrieb, sondern als Bremskreislauf für die Rotation des Ventilkörpers,
von dem nur die Glocke 60 mit ihrem Zahnkranz 61 dargestellt ist. Die Drehung des
Ventilkörpers wird durch den Ventilhub selbst bewirkt, bei dessen Axialbewegung
der Zahnkranz 61 in einem Steilgewinde 62 einer drehbar gelagerten Spindel 63 geführt
wird, wobei sowohl der Zahnkranz 61 - und damit der Ventilkörper - als auch die
Spindel 63 gegenläufig zueinander in Rotation versetzt werden.. Diese Rotation W^r-G
sowohl beim Oeffnen als auch beim Schliessen des Ventils erzeugt wobei die Drehung
des öffnenden Ventils überflüssia ist und, ohne im Sinne der Erfindung eine Wirkung
zu erzielen, wieder abgebremst wird.
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Die Spindel 63 ist mit einer Zahnradpumpe 65 des hydraulisclhen Kreislaufs
64 verbunden, in dem neben der Pumpe 65 mindestens ein Oelreservoir 66 und ein Drosselorgan
67 vorgesehen sind. Angetrieben von der Spindel 63, fördert die Pumpe 65 Oel durch
den Kreislauf 64 und bewirkt so eine Abbremsunq der Spindel 63 und damit über den
Zahnkranz 61 des Ventilkörpers eine Ventildrehung. Die Stärke der Ab; bremsung und
damit die Intensität der Drehung des Ventils können durch Verstellen des Drosselorgans
67 eingestellt werden. Es ist jedoch auch möglich, das Drosselorgan 67 regel- oder
steuerbar auszubilden und so eine Regelung oder Steuerung der Drehimpuls-Intensität
des Ventiltellers zu erreichen.