EP0963509A1

EP0963509A1 - Gaswechselventil und verfahren zum messen des druckes in einem brennraum einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: EP0963509A1
Application number: EP98910663A
Authority: EP
Inventors: Heinz Leiber
Original assignee: LSP Innovative Automotive Systems GmbH
Current assignee: LSP Innovative Automotive Systems GmbH
Priority date: 1997-02-14
Filing date: 1998-02-13
Publication date: 1999-12-15
Anticipated expiration: 2018-02-13
Also published as: DE19705621A1; JP2002511120A; EP0963509B1; DE59800762D1; WO1998036159A1

Abstract

Der Ventilteller (81) eines Gaswechselventils weist an seiner vorderen Stirnseite ein Tellerteil (84) auf. Das Tellerteil (84), das vorzugweise mindestens teilweise als Membran (90) ausgebildet ist, wird durch den im Brennraum (83) herrschenden Druck verformt. Die Verformung kann über den Ventilschaft (82) zu einem Wegsensor übertragen werden. Auf diese Weise ist eine Messung des Druckes im Brennraum (13) möglich.

Description

Gaswechselventil und Verfahren zum Messen des Druckes in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Gaswechselventil mit einem Ventilteller dessen Stirnseite im eingebauten Zustand des Gaswechselventils einem Brennraum einer Brenn- kraftmaschme zugewandt ist

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Messen des Druckes in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine

Bekanntlich sind die Zylinder von Brennkraftmaschinen mit Gaswechselventilen versehen Ein Zylinder eines Viertaktmotors verfugt über mindestens ein Einlaßventil und mindestens ein Auslaßventil

Gaswechselventite bestehen im wesentlichen aus einem vorderen, kegeligen Ventilteller, sowie einem an dessen Ruckseite angesetzten länglichen Ventilschaft Am freien Ende des Ventilschaftes sind üblicherweise Ventilfedem angeordnet, sowie eine Betatigungseinnchtung, die den Ventilschaft im Takte der Gaswechsel axial verschiebt, wahrend die Ruckstellbewegung des Ventils mittels der Ventilfedem bewirkt wird

Der Ventilteller liegt in der Schließstellung des Ventils mit seinem äußeren Rand, dem sogenannten Ventilsitz, auf einer Gegenflache des Zylinderkopfes, die den Ausgang bzw Eingang für den jeweiligen Zylinder bildet Die Sitzflachen liegen dabei typischerweise unter ca 45° Kegelwinkel aufeinander und sinα zum Zwecke einer guten Dichtwirkung geschliffen

Gaswechselventite sind starken mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt

Die mechanischen Belastungen rühren daher, daß Geswechselventile bis zu 3 OOO mal pro Minute betätigt, das heißt angehoben und danach wieder auf die Ventilsitze geschlagen werden

Die thermische Belastung von Gaswechselventilen ist unterschiedlich Wahrend Einlaßventile geringer thermisch belastet sind, weil sie standig von relativ kalten einstromenαen Frischgasen gekühlt werden, werden die Auslaßventile standig von den heißen verbrannten Brenngasen umströmt Bei Einlaßventilen rechnet man daher mit einer Arbeitstemperatur bis etwa 500° C, wahrend Auslaßventile am Ventilteller mit bis zu 800° C belastet werden können

Bei den Auslaßventilen muß der Ventilteller daher aus einem hochtemperaturfe- sten und sowohl korrosions- wie auch zunderbestandigem Stahl, beispielsweise einem Chrom-Mangan-Stahl, hergestellt werden Derartige Stahle besitzen jedoch schlechte Gleiteigenschaften, so daß im Bereich des Ventilschaftes spezielle Buchsen oder spezielle Abschnitte des Ventilschaftes vorgesehen werden müssen, die zum Beispiel aus einem Chrom-Silizium-Stahl bestehen und so gute Gleiteigenschaften, wie auch eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit haben

Es sind darüber hinaus zahlreiche Maßnahmen bekannt geworden, um die War- meabfuhr an Geswechselventilen zu verbessern So ist es beispielsweise bekannt, den Ventilschaft hohl auszubilden und teilweise, beispielsweise zu etwa 60%, mit Natrium auszufüllen Das Natrium befindet sich bei der Betriebstemperatur der Gaswechselventile im flussigen Aggregatzustand und wird wahrend des Arbeitsspiels der Gaswechselventile im Hohlraum des Ventilschaftes umhergeschleudert, so daß eine verbesserte Warmeabfuhr gewährleistet werden kann Untersuchungen hinsichtlich der Warmebilanz von Gaswechselventilen haben gezeigt, daß bei Auslaßventilen etwa 70% der vom Brennraum kommenden Warme von der dem Brennraum zugewandten Stirnseite des Ventiltellers aufgenommen wird, wahrend etwa 30% der Warme von den abströmenden Brenngasen auf die Ruckseite des Ventiltellers und des Ventilschaftes übertragen werden Von den Auslaßventilen wird diese Warme wiederum zu 76% über die Ventilsitze auf den Zylinderkopf und zu 24% über den Ventilschaft auf dessen Fuhrungsbuchsen, und damit ebenfalls den Zylinderkopf, abgegeben

Aus der EP-A-0 048 333 ist ein Gaswechselventil bekannt bei dem die konische Ruckseite des Ventiltellers mit einem Ableittrichter versehen ist der als Hitzeschild dienen soll Das bekannte Gaswechselventil ist bei einem Ausfuhrungsbeispiel ferner mit einem weiteren Hitzeschild versehen, das vorne auf der dem Brennraum zugewandten Stirnseite des Ventiltellers angeordnet ist Zwischen diesem stimsei- tigen Hitzeschild und der Stirnseite des Ventiltellers soll sich ein Hohlraum befinden

Sowohl der Ableittrichter, wie auch das stirnseitige Hitzeschild sind dabei aus Blech von etwa 0,5 mm Dicke gebildet, wie auch der Kern des Ventiltellers und der Ventilschaft aus Metall bestehen

Ein ähnliches Gaswechselventil mit stirnseitigem Hitzeschild ist aus der DE-A-32 47 487 bekannt Auch hier ist zwischen dem vor der Stirnseite des Ventiltellers befindlichen plattenformigen Hitzeschild und dem Ventilteller ein Hohlraum vorgesehen, der bei Bedarf mit einem hochtermperaturbestandigen Material, beispielsweise Asbest, ausgefüllt werden soll Auch bei diesem bekannten Gaswechselventil besteht der Hitzeschild aus Metall

Neben metallischen Gaswechselventilen sind auch rein keramische Gaswechselventile bekannt, die jedoch aufgrund der sehr spröden Eigenschaften von Keramik erhebliche mechanische Nachteile haben Aus der DE-A-33 02 650 ist ein Verbundventil bekannt, bei dem der Ventilschaft aus Metall und der Ventilteller aus einer Keramik besteht Damit ist zwar der thermisch hoher belastete Ventilteller gegenüber diesen thermischen Belastungen hoher bestandig, nachteilig wirkt sich jedoch aus, daß der Ventilteller gleichzeitig das mechanisch am meisten belastete Bauteil des Gaswechselventils ist, andererseits aber Keramik den, bei Gaswechselventilen im Bereich des Ventiltellers auftretenden Stoß- und Schlagbelastungen, nur wenig gewachsen ist

Ein ähnliches Keramik-Metall-Verbundventil ist auch aus der DE-A-39 26 431 bekannt Dort ist ein Stahl-Zuganker als Innenelement durch den Ventilschaft und bis nach vorne in den Ventilteller sowie an dessen Stirnseite gefuhrt, wahrend der Außenbereich des Ventiltellers sowie des Ventilschaftes durch einen keramischen Werkstoff gebildet wird Damit treten auch bei diesem bekannten Verbundventil die bereits zuvor geschilderten Nachteile auf

Schließlich ist in der DE-A-32 36 354 ein weiteres Verbundventil beschrieben, das zwar weit überwiegend aus Metall besteht, jedoch an der Stirnseite des Ventiltellers mit einer Oxidkeramikplatte als Hitzeschild versehen ist Bei diesem bekannten Verbundventil ist es bekannt, den keramischen Hitzeschild so einzubauen, daß thermisch verursachte Ausdehnungen des Hitzeschildes durch eine entsprechende Einbauart kompensiert werden und keine Beschädigungen des Hitzeschildes auftreten können

Bei den bekannten Gaswechselventilen ist ferner von Nachteil, daß sie eine verhältnismäßig große Masse haben Da diese Massen jedoch bei jedem Gaswechselvorgang bewegt werden müssen, ist allein für den Antrieb der Ventile ein nicht zu vernachlässigender Anteil der Motorleistung erforderlich, der zur Nockenwelle abgezweigt werden muß, um die Ventile zu betätigen Die hierfür benotigte Leistung umfaßt nicht nur das Zusammendrucken der Ventilfedem, sondern darüber hinaus auch das Beschleunigen und Abbremsen der Gaswechselventile selbst Wenn daher Gaswechselventile eine hohe Masse haben, so kann durchaus sein, daß alleme für deren Antrieb eine Antriebsleistung von einigen kW benotigt wird, was sich wiederum in einem erhöhten KraftstoffverDraucn des Motors niederschlagt

Zwar ist im Motorenbau bereits im mehrfacher Hinsicht dem Gesichtspunkt einer Gewichtsreduzierung zur gleichzeitigen Reduzierung bewegter Massen Rechnung getragen worden, soweit ersichtlich sind davon jedoch die Gaswechselventile bislang im wesentlichen unbeeinflußt geblieben

Zur Steuerung von Brennkraftmaschinen ist es ferner bekannt, den Druckverlauf im Zylinder wahrend eines vollständigen Gaswechselvorganges zu erfassen und daraus Steuersignale zum Beispiel für eine Benzineinspritzung, abzuleiten Die bekannten Verfahren zum Messen des Druckes in einem Brennraum sind jedoch nicht über das Stadium von Laborverfahren hinausgewachsen, weil es bislang zum Erfassen des Druckes im Brennraum erforderlich war, spezielle Drucksensoren in den Motorblock oder den Zylinderkopf einzubauen Derartige zusätzliche Elemente waren jedoch bislang für eine Serienfertigung von Motoren zu aufwendig Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, Gaswechselventile sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß die genannten Nachteile vermieden werden

Insbesondere soll es durch die Erfindung möglich werden ein hochtemperaturbe- standiges und leichtes Gaswechselventil zu Verfugung zu stellen, das langlebig ist und das durch sein, gegenüber herkömmlichen Gaswechselventilen, geringeres Gewicht auch Einsparungen beim Benzinverbrauch ermöglicht Ferner soll durch eine Verbesserung des Verfahrens zum Messen des Druckes im Brennraum einer Brennkraftmaschine eine noch bessere Regelung des Verbrennungsvorganges möglich werden Darüber hinaus ist bekanntlich eine bessere Diagnose des Verbrennungsvorgangs möglich

Bei einem Gaswechselventil der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfin- dungsgemaß dadurch gelost daß das Gaswechselventil Mittel zum Erfassen des Drucks im Schließzustand des Gaswechselventils aufweist Das Mittel kann der Ventilteller oder ein Teil des Ventiltellers sein Z B kann an oder in diesem ein Sensor untergeoracnt sein Hierdurcn entfallen zusätzliche Offungen in der Brennkammer und zusatzliche Bauteile

Bei einem Verfahren αer eingangs genannten Art wird die Aufgabe ferner erfin- dungsgemaß dadurch gelost, daß eine elastische Verformung eines an den Brennraum angeschlossenen Gaswechseiventils in dessen Schließzustand gemessen wird

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelost

Wenn die Stirnseite des Gaswechseiventils als elastisch verformbares Teil ausgebildet ist kann das Gaswechselventil dazu verwendet werden, um den Druck im Brennraum der Brennkraftmaschine zu erfassen so daß damit der Verbrennungsvorgang gesteuert werden kann Im Gegensatz zu herkömmlichen Vorrichtungen braucht daher keine Modifikation am Motorblock oder am Zylinderkopf vorgenommen zu werden weil die geringfügig modifizierten Gaswechselventile selbst die Möglichkeit bereitstellen eine Druckmessung vorzunehmen Die eigentliche Funktion der Gaswechselventile selbst ändert sich dadurch nicht, anders als zum Beispiel bei Zündkerzen, bei denen ebenfalls bereits versucht worden ist, Drucksensoren in diese zu integrieren Man kann dabei αen Druck wahrend der Kompressionsphase und der Verbrennungsphase messen wenn man den Kurbelwellenwinkel bei der Messung mit heranzieht

Die erfindungsgemaßen Gaswechselventile mit elastisch verformbarem Teller oder Tellerteil an der Stirnseite werden bevorzugt dadurch weitergebildet, daß das Tel- lerteil mindestens teilweise als Membran ausgebildet ist

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß sich ein relativ großer Meßeffekt ergibt So kann man mit mechanisch stabilen Membranen durchaus Wege in der Größenordnung vom 0 01 bis 0,1 mm bei maximalem Betriebsdruck im Brennraum erreichen Besonders bevorzugt ist ferner, wenn das Tellerteii mit einem Ventilschaft verbunden ist und der Ventilschaft seinerseits mit einem Wegsensor in Verbindung steht

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß der Meßweg über den Ventilschaft also ein ohnehin vorhandenes Bauelement an einen Ort im Abstand vom Brennraum übertragen wird, an dem thermisch nicht so sensible Meßanorαungen vorgesehen werden können

So kann zum Beispiel ein vom Tellerteii abgewandtes Ende des Ventilschafts mit dem Wegsensor verbunden werden In anderen Anwendungsfallen mag es zweckmäßiger sein, daß ein vom Teilerteil abgewaπdtes Ende des Ventilschafts an einem Federteller abgestutzt ist wobei der Federteller mit dem Wegsensor verbunden ist Auch eine Druckmessung an den Ventilbetatigungsmitteln, also noch weiter ab von der Meßstelle ist möglich

Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß je nach Einbauverhaltnissen ein optimaler Anschluß an den Wegsensor erreicht werden kann

Bei Ausfuhrungsformen der Erfindung ist das Tellerteii, auf seiner im eingebauten Zustand dem Brennraum zugewandten Seite, mit einem Hitzeschild versehen, wie dies an sich bekannt ist Der Hitzeschild besteht dabei vorzugsweise aus einem hochtemperaturfesten insbesondere keramischen Material Er ist vorzugsweise als Platte ausgebildet

Bei Varianten dieses Ausfuhrungsbeispiels ist die Platte am Rand des Tellerteils formschlussig, vorzugsweise durch Umbordeln, gefestigt Vorzugsweise erfolgt das Umbordeln bei hohen Temperaturen (ca 500° C)

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Anordnung in einfacher Weise in Großserie herstellbar ist Das Umbordeln bei zum Beispiel 500° C hat den Vorteil, daß eine Lose infolge der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten und damit Ausdehnung bei der Betriebstemperatur vermieden wird Bei einer anderen Variante kann die Platte aber auch in ihrem Zentrum an dem Tellerteii befestigt sein

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Platte sich einfacher verformen kann, insbesondere unter dem Einfluß sich ändernder Temperaturen

Die Platte kann dabei bevorzugt mittels eines Bolzens an dem Tellerteii befestigt sein Der Boizen ist insbesondere mit dem Tellerteii verschweißt

Um den Bolzen seinerseits gegen die vom Brennraum ausgehende Warme zu schützen, kann in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß der Bolzen seinerseits stimseitig mittels eines weiteren Hitzeschildes überdeckt ist, der vorzugsweise wiederum als keramische Platte ausgebildet ist und mittels eines mit dem Bolzen verschweißten Bordelteiles vor dem Bolzen gehalten werden kann

Bei weiteren Ausfuhrungsbeispielen der Erfindung ist der Hitzeschild mit Abstand vor dem Tellerteii gehalten Er kann dabei fest oder mit axialem Spiel gehalten sein In letzterem Fall ist es zweckmäßig, wenn der erste Hitzeschild gegenüber dem Tellerteii federnd abgestutzt ist

Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß der Hitzeschild, insbesondere in seiner Ausfuhrungsform als keramische Platte, sich bei Temperaturanderung ausdehnen bzw zusammenziehen kann, ohne daß dadurch hohe mechanische Spannungen entstehen

Man kann auf der Ruckseite des Ventiltellers einen Ableittrichter, z B aus Metall vorsehen, welcher nicht mit dem Schaft verbunden ist Man kann diesen auf der Ruckseite des Ventiltellers angeordneten Ableittrichter auch als Keramikbauteil ausbilden und erreicht auf diese Weise eine deutlich höhere thermische Belastbarkeit Dies gilt insbesondere bei einem Auslaßventil, bei dem die heißen verbrannten Brenngase an der Ruckseite des Ventils entlangstromen und dort eine erhebliche thermische Belastung darstellen Verglichen mit den im Stand der Technik bekannten metallischen Abieittrichtern ergibt sich der erhebliche Vorteil, daß bei geringerer Dicke und daher bei geringeren Massen eine mindestens ebenso gute, wenn nicht bessere thermische Isolierung erreicht werden Kann so daß die Masse des Ventils verringert wird

Man kann den keramische Ableittrichter derart ausbilden, daß zwischen dem Ableittrichter dem Ventilschaft und dem Tellerteii ein Hohlraum verbleibt Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß an dieser Stelle erhebliche Gewichtseinsparungen (bewegte Masse) möglich sind

Bei einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung umschließt der keramische Ableittrichter einen weiteren inneren Ableittrichter, der vorzugsweise vom keramischen Ableittrichter mit Abstand umschlossen wird Der innere Ableittrichter besteht vorzugsweise aus Metali, insbesondere Aluminium

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Hitzeschild - Funktion durch gute Wärmeableitung in den Ventilschaft weiter verbessert wird, indem die Ruckseite des Ventiltellers und der Ventilschaft durch eine doppelte Anordnung von Abieittrichtern geschützt wird Wenn der innere Ableittrichter aus Aluminium besteht, so stellt dies keine merkliche Gewichtserhöhung dar Da das Aluminium aber bereits durch den äußeren keramischen Ableittrichter primär thermisch geschützt ist, wirkt es ebenfalls langzeitbestandig Der Innenraum des Abieittrichters und auch der Ventilschaft können mit einem gut wärmeleitenden Pulver, z B Magnesiumoxid gefüllt

Bei dem eingangs erwähnten Druckmeßverfahren wird man bei neuen Ventilen den Druck messen und den Wegsensor eichen Vorzugsweise werden hierbei die Drucke andere Neuventile mit einbezogen, z B eine Mittelwertneubildung vorgenommen

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefugten Zeichnung Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Allemstellung verwendbar sind ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen

Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung naher erläutert Es zeigen

Fig 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt eines ersten Ausfuhrungs- beispiels eines erfindungsgemaßen Gaswecnselventils, im eingebauten Zustand,

Fig 2 in vergrößertem Maßstab eine Darstellung, ähnlich Fig 1 , jedoch eine

Variante im Bereich des Ventiltellers darstellen,

Fig 3 in noch weiter vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt aus Fig 2,

Fig 4 eine Variante zu Fig 3, und

Fig 5 in teilweiser Darstellung, ähnlich Fig 1 und 2, ein weiteres

Ausfuhrungsbeispiel eines erfindungsgemaßen Gaswechseiventils

In Fig 1 bezeichnet 10 insgesamt ein Gaswechselventil, wie es zum Beispiel in einem Vierzylinder-Ottomotor verwendet wird Das Gaswechselventil 10 befindet sich im wesentlichen in einem Zylinderkopf 11 , in dem ein seitlich gebogener Gaskanal 12 angeordnet ist Im Gaskanal 12 strömen die verbrannten Brenngase im Falle eines Auslaßventils ab wie mit einem Pfeil 13 angedeutet Bei einem Einlaßventil ist die Stromungsrichtung der Frischgase umgekehrt Das Gaswechselventil 10 ist in Richtung seiner Langsachse 14 auf einen Brennraum 15 der Brennkraft- mascnme ausgerichtet An seinem vorderen Ende umfaßt das Gaswechselventil 10 einen Ventiiteller 16 und an seinem hinteren Ende einen Ventilschaft 17. Der Ventilschaft 17 ist über eine Führungsbuchse 18 im Zylinderkopf 11 geführt.

An einem oberen Ende 20 des Ventilschaftes 17 ist ein Federteller 21 befestigt. Der Federteiler 21 stützt eine Schraubenfeder 22 ab, die sich an ihrem anderen Ende an einer Oberfläche 23 des Zylinderkopfes 11 abstützt. Auf diese Weise wird das Gaswechselventil 10 in der Darstellung von Fig.1 nach oben vorgespannt.

Eine mit 24 angedeutete Betätigungseinrichtung, die den Ventilantrieb mit Nockenwelle, Tassenstößeln und dergleichen symbolisieren soll, wirkt auf das obere Ende 20 den Ventilschaftes 17 ein, wie mit einem Pfeil 25 angedeutet. Für einen Gas- wechselzyklus wird das Gaswechselventil 10 mitteis der Betätigungseinrichtung 24 gegen die Kraft der Feder 22 entlang der Achse 14 nach unten verschoben, wie unten in Fig. 1 gestrichelt dargestellt. Der Ventilhub (nicht maßstäblich) ist dabei mit h bezeichnet. Von dieser Offenstellung des Gaswechseiventils 10 kehrt dieses unter der Rückstellkraft der Feder 22 in seine obere, in Fig.1 eingezeichnete Schließstellung zurück. In dieser Schließsteliung setzt eine konische Sitzfläche 28 auf dem rückwärtigen Umfang des Ventiltellers 16 auf einer entsprechend geformten Gegenfläche 29 des Zylinderkopfes 11 auf. Der Gaskanal 12 ist damit wiederum gegenüber dem Brennraum 15 verschlossen.

Der Ventilschaft 17 besteht im wesentlichen aus einem Rohr 35, dessen innen- raum 36 zum Beispiel teilweise mit metallischem Natrium gefüllt sein kann, das bei der Betriebstemperatur des Gaswechseiventils 10 flüssig ist.

Um den Ventilschaft 17 gegenüber den heißen Brenngasen während der Auslaßphase des Gaswechseiventils 10 zu schützen, ist ein Ableittrichter 40 vorgesehen. Der Ableittrichter 40 besteht aus einem Aluminiumblech. Sein oberes Ende 42 umschließt das Rohr 35 des Ventilschaftes 17.

Das vordere, aufgeweitete Ende 43 des Ableittrichters 40 ist mit einem Rand 46 eines Tellerteils 47 des Ventiltellers 16 verbunden. Dies ist bei 44 als Umbördelung angedeutet. Das Tellertteil 47 ist mindestens im inneren Bereich als Membran 48 ausgebildet. Auf das Zentrum der Membran 48 ist rückseitig bei 49 das Rohr 35 auf eine entsprechende Aufnahme der Membran 48 stumpf aufgesetzt und aufgeschweißt.

Vor der Membran 48 befindet sich ein Hitzeschild 50. der als dünne keramische Platte ausgebildet ist. Der Hitzeschild 50 überdeckt die Membran 48 somit gegenüber dem Brennraum 15. Der Hitzeschild 50 ist an seinem Umfang 51 mit dem Rand 46 des Tellerteils 47 verbördelt, wie bei 52 angedeutet. Der Ventilteller und auch der Ableittrichter können mit Sicken versehen sein.

Wenn, wie mit einem Pfeil 53 angedeutet, ein Druck im Brennraum 15 auf den Hitzeschild 50 und damit die Membran 48 ausgeübt wird, wird das Rohr 35 im Fig.1 nach oben verschoben. Das freie Ende 20 des Rohres 35 bzw. des Ventilschaftes 17 ist mit einem Taster 54 eines Wegsensors 55 verbunden, dessen Anschluß mit 56 bezeichnet ist.

Wenn zum Beispiel der maximale Druck im Brennraum eine Auslenkung von Hitzeschild 50 und Membran 48 in der Größenordnung von 0,01 mm bewirkt, so wird diese Auslenkung unmittelbar auf den Wegsensor 55 übertragen und kann als elektrisches Signal am Anschluß 56 abgenommen werden. Die eigentliche Funktion des Gaswechseiventils 10 wird durch diese Maßnahmen nicht betroffen.

Während der Einlaßphase strömen bei einem Einlaßventil, wie erwähnt, die kühlen Frischgase entgegen der Richtung des Pfeils 13 durch den Gaskanal 12. Sie umströmen dabei den Ableittrichter 40. Da der Ableittrichter aus einem relativ gut wärmeleitenden Material (Aluminium) besteht, werden das Rohr 35 und der Ventilteller 46 geschützt. Außerdem werden die Gase durch die Formgebung des Ableittrichters 40 aerodynamisch geleitet, so daß möglichst wenig Verluste durch Wirbelbildung und dergleichen entstehen.

Da der Ableittrichter 40, wie erwähnt, als dünnes Blechteil ausgebildet ist, verbleibt zwischen ihm und dem Rohr 35 des Ventilschaftes 17 ein erheblicher Hohlraum 41. Hierdurch wird augenfällig, daß es sich bei dem in Fig.1 dargestellten Gaswechselventil 10 um ein Leichtbauteil handelt, dessen geringere Masse bei jedem Gaswechsel nur eine entsprechend geringer Antriebsleistung erfordert. Das Innere des Trichters 40 und/oder des Rohres 35 kann mit Magnesiumpulver angefüllt sein.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Variante, bei der gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen und ähnliche Bauteile durch Hinzufügung eines „a" an das Bezugszeichen bezeichnet sind, ist der Hitzeschild 50a auf einer Unterseite 58 des Telierteils 47a angeordnet. Wie bei 51a' angedeutet, kann der Hitzeschild 50a durchaus auch seitlich über das Tellerteil 47a vorstehen.

Der Hitzeschild 50a ist am Tellerteil 47a mittels eines zentralen Befestigungsbolzens 60 angebracht, dessen Einzelheiten anhand zweier Varianten in den Fig.3 und 4 dargestellt sind.

Wie man aus dem Ausschnitt der Vergrößerung der Fig. 3 erkennt, hat der Befestigungsbolzen 60 von innen nach außen drei Abschnitte 61 ,62,63 mit jeweils kleinerem Durchmesser. Mit dem ersten Abschnitt 61 ist der Befestigungsbolzen 60 im Zentrum der Membran 48 angeordnet. Der zweite Abschnitt 62 des Befestigungsbolzens 60 führt den Hitzeschild 50a, beispielsweise also eine Keramikplatte, ohne diese axial zu fixieren. Dadurch kann zwischen dem Hitzeschild 50a und dem ersten Abschnitt 61 des Befestigungsboizens 60 ein axiales Spiel 70 entstehen, wobei zweckmäßigerweise eine Feder 71 für eine elastische Verspannung des Hitzeschildes 50a gegenüber dem Teilerteil 48 sorgt.

Der dritte Abschnitt 63 des Befestigungsbolzens 60 hält den Hitzeschild 50a in axialer Richtung von außen. Hierzu ist an den Umfang des dritten Abschnittes 63 eine Befestigungsscheibe 69 angeschweißt, wie mit 68 angedeutet.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Fig 4 ist die Kermikscheibe oder der Ventilteller leicht konisch ausgebildet, so daß sich ohne Vorspannung die beiden Teile nur außen berühren. Da hier die Befestigungsteile 62 und 63 die Ausübung einer Vorspannung zulassen, werden unter Ausübung dieser Vorspannung die bei- den Teile aneinander gedruckt, so daß sie insgesamt aneinander liegen Dann wird die Verschweißung 68 durchgeführt Eine Bordelung entsprechend Fig 1 kann entfallen Der Zylinderdruck wird über die Keramikscheibe auf den Ventilteller übertragen

Bei dem in Fig 5 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel ist wiederum ein Zylinderkopf 77 dargestellt in dessen Gaskanal 78, der als Auslaßkanal wirkt, Brenngase abströmen wie mit einem Pfeil 79 angedeutet

Das insgesamt mit 80 bezeichnete Gaswechselventil weist einen Ventilteller 81 sowie einen Ventilschaft 82 auf Der Ventilteller 81 ist gegen einen Brennraum 83 gerichtet Er weist ein Tellerteii 84 auf dessen Rand mit 85 bezeichnet ist Auf dem Rand 85 liegt ein Hitzeschild 86, wiederum vorzugsweise eine keramische Platte, auf Der Hitzeschild 86 ist mittels eines zentralen Befestigungsbolzens 87 am Tellerteii 84 befestigt, vorzugsweise mit einer der in den Fig 3 und 4 beschriebenen Techniken Es kann aber auch die Umbördelung gemäß Fig 1 verwendet werden

Zum Ausgleich eines axialen Spiels des Hitzeschildes 86 kann zum Beispiel eine Tellerfeder zwischen Hitzeschild 86 und Tellerteii 84 angeordnet sein

Der Ventilschaft 82 besteht aus einem Rohr 92, wobei das Rohr 92 ein inneres Rohr 93 und dieses wiederum einen Innenraum 94 umschließen kann Das Rohr 93 kann zum Beispiel ein Aluminiumrohr sein Der Innenraum 94 kann in der bereits beschriebenen Weise mit metallischen Natrium oder Magnesium gefüllt werden

Das Rohr 92 ist an seinem unteren Ende vorzugsweise konisch verjungt und bei 91 in eine gegen-konische Aufnahme der Membran 90 geschweißt

Ein erster Ableittrichter 95, der vorzugsweise aus Aluminiumblech besteht, schließt mit seinem oberen verjungten Ende das Rohr 92 ein An seinem unteren erwei- teilen Ende ist der erste Ableittrichter 95 am Tellerteii 84 befestigt. Er dient zur besseren Kühlung und Wärmeableitung des Ventiltellers 81.

Es ist hier zusätzlich ein zweiter, äußerer Ableittrichter 96, der aus einem keramischen Werkstoff besteht. Der zweite Ableittrichter 96 umschließt mit seinem oberen, verjüngten Ende den Ventilschaft 82, das heißt beim dargestellten Ausführungsbeispiel das Rohr 92. Das untere, erweiterte Ende des zweiten Ableittrichters 96 ist mit dem Rand 85 des Tellerteils 84 verbunden, beispielsweise durch Umbordeln, wie bei 97 angedeutet.

Da der zweite Ableittrichter 96 nur eine gewisse Wandstärke aufweist, verbleibt zwischen ihm und dem Rohr 92 bzw. dem Tellerteil 84 und speziell dessen innerer Membran 90, ein Innenraum 98.

Auch hierdurch wird augenfällig, daß es sich bei dem in Fig.5 dargestellten Gaswechselventil um ein Leichtbauteil handelt, das darüber hinaus im rückwärtigen Bereich des Ventiltellers 81 eine exzellente thermische Beständigkeit aufweist.

Auch bei dem in Fig.5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der äußere Ableittrichter 96 so geformt, daß die Strömung der abfließenden Brenngase möglichst wenig beeinflußt wird. Alternativ kann jeder der beiden Ableittrichter 95 und 96 entfallen.

Claims

Patentansprüche

1 Gaswechselventil für eine Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß das Gaswechselventil (10) Mittel (47, 84) zum Erfassen des Drucks im Brennraum (13, 83) im Schließzustand aufweist

2 Gaswechselventil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel der Teller (16, 84) des Ventils oder eines Teils davon ist

3 Gaswechselventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Teller oder das Tellerteii (47, 84) elastisch verformbar ausgebildet ist, und daß Mittel vorgesehen sind, um die elastische Verformung des Tellers, bzw Telierteils zu erfassen

4 Gaswechselventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Teller, bzw das Tellerteil (47, 84) wenigstens teilweise als Membran (48, 90) ausgebildet ist

5 Gaswechselventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Teller oder das Tellerteii (47, 84) mit einem Ventilschaft (17, 82) verbunden ist und daß der Ventilschaft (17, 82) seinerseits mit einem Wegsensor (55) in Verbindung steht

6 Gaswechselventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Teller oder Tellerteii (47, 84) abgewandtes Ende des Ventilschafts (17, 82) mit dem Wegsensor (55) verbunden ist

7 Gaswechselventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Teller oder Tellerteil (47, 84) abgewandtes Ende des Ventilschafts (17, 82) an einem Federteller (21) abgestutzt ist, und daß der Federteller (21 ) mit dem Wegsensor (55) verbunden ist

Gaswechselventil nach Anspruch 5, dadurch geκennzeιchnet, daß der Wegsensor an den Ventilbetatigungsmitteln, (z B elektromagnetische Stelleinrichtung) angebracht ist

Gaswechselventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Teller oder das Tellerteii (47, 84) auf seiner im eingebauten Zustand dem Brennraum (15, 83) zugewandten Seite mit einem Hitzeschild (50, 86) versehen ist

Gaswechselventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeschild (50, 86) aus einem hochtemperaturfesten, vorzugsweise keramischen Mateπal besteht

Gaswechselventil nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeschild (50, 86) als Platte ausgebildet ist

Gaswechselventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte am Rand (46) des Tellers oder Telierteils (47) formschlussig, vorzugsweise durch Umbordeln (52), befestigt ist, wobei das Bordein vorzugsweise bei der Betnebstemperatur des Gaswechseiventils erfolgt

Gaswechselventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte in ihrem Zentrum an dem Teller oder Teilerteil (47a, 84) befestigt ist

Gaswechselventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte mittels eines Bolzens (60, 87) an dem Teller oder Tellerteii (47a, 84) befestigt

Gaswechselventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen (60) mit dem Teller oder Tellerteii (47a) verschweißt (66) ist

16. Gaswechselventil nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen (60') seinerseits stimseitig mittels eines weiteren Hitzeschildes (75) überdeckt ist.

17. Gaswechselventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeschild (50a; 86) mit Abstand (70) vor dem Teller oder Tellerteil (47; 84) gehalten ist.

18. Gaswechselventil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeschild (50a; 86) gegenüber dem Teller oder Tellerteil (47a; 84) federnd (71; 89) abgestützt ist.

19. Gaswechseiventit nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite des Ventiltellers (16,81) mit einem Ableittrichter (40; 96) versehen ist, der vom Umfang eines, die Stirnseite des Ventiltellers (16;

81) bildenden Tellerteils (47; 84), unter Verjüngung zu dem Ventilschaft (17;

82) führt und diesen umschließt, wodurch die Brenngase im Gaskanai (12; 78) aerodynamisch geleitet und zugleich die stirnseitigen Bauteile des Gaswechseiventils (10; 80) thermisch geschützt werden.

20. Gaswechselventil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Ableittrichter aus Metall ist.

21. Gaswechselventil nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (41) zwischen Trichter (40) Ventilschaft (17) und Ventilteller (47) und/oder der innenraum (14) des Ventilschafts (17) mit einem Metallpulver (z.B. Magnesium) angefüllt ist.

22. Gaswechselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, daß der Ableittrichter (40;86) und /oder der Ventilteller (16;81) mit Sicken versehen ist.

23. Gaswechselventil nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Ableittrichter (96) als Keramikbauteii ausgebildet ist.

24. Gaswechselventil nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Ableittrichter (96) mit dem Ventilschaft (82) sowie mit einer Rückseite des Tellerteils (47; 84) einen Innenraum (87) bilden.

25. Gaswechselventil nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Ableittrichter (96) einen weiteren, inneren Ableittrichter (95) umschließt.

26. Gaswechselventil nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Ableittrichter (96) den inneren Ableittrichter (95) mit Abstand umschließt.

27. Verfahren zum Messen des Druckes im einem Brennraum (15; 83) einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß eine elastische Verformung eines an den Brennraum (15; 83) angeschlossenen Gaswechseiventils ( 10;80) in dessen Schließzustand gemessen wird.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Verformung eines Tellerteils (47; 84) gemessen wird, das eine Stirnseite eines Ventiltellers (16,81) des Gaswechseiventils (10; 80) bildet.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Verformung einer Membran (48; 90) des Tellerteils (47; 84) gemessen wird.

30. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stirnseite des Tellerteils (47; 84) mittels eines Hitzeschildes (50; 75; 86) gegen Hitze im Brennraum (15; 83) abgedeckt wird.

31. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Verformung über einen Ventilschaft (17; 82) zu einem Wegsensor (55) übertragen wird.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, daß gesteuert durch den Kurbelweilenwinkel der Druck im Verlauf der Kompressions- und derVerbreπnuπgsphase gemessen wird.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Neuzustand des Ventils gemessen wird und der Wegsensor dabei geeicht wird.

34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmessungen weiterer Zylinder in den Eichvorgang einbezogen werden.