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Hydraulische Betätigungsvorrichtung für Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine hydraulische B-etätIgungsvorrichtung für Gaswechselventile
einer Brennkraftmaschine, bei welcher ein am Ventilschaft angebrachter Kolben in
einem einen oberen und einen- unteren Arbeitsraum bildenden Zylinder verschi:eblich
untergebracht ist, wobei über ein Umsteuerventü und über von diesem zum Zylinder
führende Verbindungsleitungen zwecks Auf- und Abverstellung, des Ventils abwechselnd
dem oberen und unteren Arbeitsraum Druckmittel zur Beaufschlagung der beiden gegenüberliegenden
Kolbenstnrnflächen zugeführt wird.
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Bei Zweitakt-Dieselmotoren mit Aufladung war es bisher üblich, durch
die vom Motor kommenden Auspuffgase eine Abgasturbine zu beaufschlagen, welche ihrerseits
ein Gebläse zum Aufladen und Spülen ,der Mö@torenzyhnder antreibt. Bei einem derartigen
Motor kann man eine auf das Zylindervolumen bezogene Leistungszunahme sowie eine
Abnahme des Kraftstoffverbrauches durch höhere Rufladung erreichen. Bei gegebener
Motorleistung bringt deshalb eine höhere Rufladung Volumen- und Gewichtsersparnisse
und ebenso eine Herabsetzung der Betriebskosten, was speziell auf dem Gebiet der
Dieselmotoren für Landfahrzeuge und Schiffe von Wichtigkeit ist.
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Eine erhöhte Rufladung bei solchen Brennkraftmaschinen ist in bezug
auf die Konstruktion und die Wahl des Werkstoffes der verschiedenen Motorenteile
mit vielen Schwierigkeiten verbunden. Insbesondere treten bei der Ventilsteuerung
kaum zu überwindende Schwierigkeiten auf. Da Hochleistungsmotoren im allgemeinen
höhere Drehzahlen aufweisen, nimmt damit auch die Zeitspanne ab, während welcher
die Einlaß- und speziell die Auspuffventile bei einem Arbeitsspiel offengehalten
werden können. Um trotz kurzer Aufladezeit eine gleichbleibende Rufladung zu erreichen,
muß der Rufladedruck am geöffneten Einlaßventil erhöht werden. Das bedeutet aber
eine höhere Belastung des durch eine Abgasturbine angetriebenen Gebläses.
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Um nun eine größere Menge an Druckluft unter höherem Druck durch Verwendung
eines Auspuffgases konstanter Energie in der Abgasturbine zu bekommen, muß das betriebsmäßige
Verhalten sowohl der Abgasturbine als auch des Gebläses verbessert werden. Ferner
ist es wesentlich, die Energie der aus den Motorenzylindern kommenden Auspuffgase
der Abgasturbine mit minimalem Verlust zuzuführen. Abgesehen von konstruktiven Maßnahmen
in bezug auf .die Formgebung des Abgaskanals kann dies dadurch erreicht werden,
daß die Ventilsteuerung insbesondere auf der Auspuffseite- zweckmäßiger betätigt
wird. Die Bedeutung dieser Maßnahme ergibt sich leicht aus dem Umstand, daß das
aus dem Motorenzylinder zu Beginn der Öffnung des Auspuffventils entweichende Auspuffgas.
den größeren Teil der Energie enthält, welche der. Abgasturbine überhaupt zur Verfügung
steht. Um einen derartigen Energieverlust einzuschränken,. muß man deshalb den Durchflußquerschmtt.des
Auspuffventils und/oder die Venti-llöffnungsgeschwindigkeit vergrößern bzw. erhöhen.
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Da bereits mäßig aufgeladene Zweitaktbrenekraftmaschinen Auspuffventile
in einer Anzahl aufweisen, daß dadurch der gesamte verfügbare Räum in Anspruch genommen
wird, kann . der für die Auspuffventile vorgesehene Raum nur -mit Schwierigkeiten
vergrößert werden. Es ist -daher: sehr erwünscht, die Ventilsteuerung so zu verbessern,
daß die Öffnungsgeschwindigkeit des Auspuffventils erhöht wird, insbesondere zu
Beginn des öffnungsvorganges, wodurch der Energieverlust in dem aus dem betreffenden
Motorenzylinder entweichenden Auspuffgas auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird: Mechanisch
läßt sichdies nicht mehr erreichen, da auf Grund der auftretenden Beanspruchungen
der Nockenwelle und der Ventilstößel Grenzen an die Öffnungsgeschwindigkeiten gestellt
sind. Man ist deshalb
schon seit einiger Zeit bestrebt, hydraulische
Steuerungen für Ventile -an Explosionsmotoren zu entwickeln.
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So sind z. B. relativ einfache hydraulische Steueranlagen mit einem-
einzigen Arbeitszylinder vorgeschlagen worden, bei welchen das Öffnen des Ventils
durch Druck in den Arbeitszylinder, das Schließen durch eine konventionelle Rückholfeder
erreicht wird. Dabei sind spezielle Auslaßöffnungen vorgesehen, um eventuell entstandene
Luft- oder Dampfblasen automatisch auszublasen. Solche Öffnungen werden entweder
während des ganzen Hubes (deutsche Patentschrift 763372) oder nur während
eines kurzen Zeitpunktes bei Maximalhub (deutsche Patentschrift 907 841) freigegeben.
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Diese Konstruktionen wurden teilweise verbessert bzw. noch weiter
auf hydraulische Betätigung umgestellt, indem auch -die mechanische Rückholfeder
entfällt und deren Funktionen von der Hydraulik übernommen werden. Solche Konstruktionen
werden im allgemeinen dadurch betätigt, daß das unter einem bestimmten gleichbleibenden
Höchstdruck stehende Mittel auf die kleinere Einflußfläche des hinsichtlich seiner
Bewegungsrichtung zu beeinflussenden Ventilkörpers stetig zur Wirkung gebracht wird,
während die größere Einflußfläche des Ventilkörpers, dem Steuerungsakt entsprechend,
entweder unter den Einfluß des unter demselben einheitlichen Höchstdruck stehenden
Mittels gebracht oder von ihm entlastet wird.
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Dabei übernimmt das gleichbleibend auf die kleinere Einflußfläche
einwirkende Druckmittel die Funktion der Rückholfeder und das pulsartig auf die
größere Einflußfläche wirkende Druckmittel die Arbeite- und Steuerfunktion zur Betätigung
des Ventils.
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Auf Grund eines Vorschlages (deutsche Patentschrift 521498)
wird die größere und kleinere Einflußfläche durch einen Stufenkolben gebildet; bei
neueren Konstruktionen (USA.-Patentschrift 2 962 013, deutsche Patentschrift 700
576) werden dieselben jedoch durch den Ventilschaft selbst-bzw. eine am Ende daran
befestigte kolbenartige Verdickung erzeugt. Die größere. Esnflußfläche wird dabei
von der Kopffläche des Ventilendes, die kleinere Einflußfläche von der Differenz
zwischen Kopffläche und Ventilschaftquerschnitt gebildet. Zur Ausführung der Ventilbetätigung
ist vorgeschlagen worden, daß die Arbeite- und Steuerfunktion der Ventile gemeinsam
über eine einzige Leitung erfolgt (USA.-Patentschrift 2 962 013) oder dieselbe getrennt
mittels zweier verschiedener Medien, einem niedergespannten Steuermittel und einem
hochgespannten Arbeitsmittel unter Zwischenschaltung einer Vorsteuerung erfolgen
soll (deutsche Patentschrift 700 576).
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Alle die oben angegebenen Vorrichtungen weisen den Nachteil auf, daß
unabhängig von der D.imensionierung der Kolbenquerschnitte und der Wahl der zu verwendenden
hydraulischen Drücke die Ventilöffnungs- bzw. Schließzeiten nicht beliebig kurz
gemacht werden können, da bei zu kurzen öffnungszeiten auf Grund der großen Ventilgeschwindigkeit
die Materialbeanspruchungen beim Aufprallen des Ventils auf die notgedrungenermaßen
notwendigen Anschläge in der offenen Position zu groß werden und sich demzufolge
Materialverformungen ergeben u. dgl. Es war .deshalb bisher nicht möglich, wie angestrebt,
eine rechteckige bzw. trapezförmige Ventilhubkurve mit sehr steilen Flanken zu erhalten.
Demzufolge ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung die Schaffung einer verbesserten
Ventilbetätigungsvorrichtung, die in der Lage ist, ein für Brennkraftmaschinen verwendetes
Ventil mit sehr hoher Geschwindigkeit zu öffnen.
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Ein weiteres Ziel :der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten
Ventilbetätigungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit hoher Aufladung, welche
von sehr einfacher Konstruktion. ist sowie ein geringes Gewicht und geringe Abmessungen
hat.
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Ein spezifischeres Ziel der Erfindung isst die Schaffung einer verbesserten
Ventilbetätigungsvorrichtung, die .in, der Lage ist, das Auspuffventil einer Brennkraftmaschine
mit hoher Aufladung mit hoher Geschwindigkeit zu öffnen, insbesondere zu Beginn
der Zeitspanne, während welcher das Ventil geöffnet ist, wobei es bis zum Ende -dieser
Zeitspanne geöffnet gehalten wird.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten
Ventilbetätisgungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit hoher Aufladung, welche
einen ruhigen und gleichmäßigen Lauf des Motors gestattet.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Kolben -aus einem
etwa vom Ventilschaft gebildeten Innen- oder Tauchkolben und einem gleichachsig
angeordneten relativ zu demselben längsverschieblich gleitend geführten Außen- oder
Hohlkolben zusammengesetzt ist, der beim Öffnen des Ventils zunächst auf einen am
Ventilschaft vorgesehenen Anschlag einwirkt, und daß die dem Ventilöffner dienende
Arbeitskammer so ausgebildet ist, daß sie das Druckmittel im Sinn einer Ventilöffnung
sowohl auf den Tauchkolben als auch auf den Hohlkolben :einwirken läßt, wobei der
Zylinder eine Anschlagfläche für den Hohlkolben derart bildet, daß sich dieser nur
auf .einem Teil des gesamten öffnungshübes des Ventils zusammen mit dem Tauchkolben,
die Antriebskraft auf denselben verstärkend, verstellen kann.
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Es ist demnach also eine Ventilbetätigungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen
vorgesehen mit einem Tauchkolben, der mit dem Ventilschaft eines Auspuffventils
oder eines Einlaßventils verbunden ist und eine verhältnismäßig kleine, durch ein
Druckfluidum beaufschlagte Fläche hat, sowie mit einem Kolben, der in gleicher Achse
mit dem Tauchkolben angeordnet ist und dessen von einem Druckfluidum beaufschlagte
Fläche kleiner ist als diejenige dies Tauchkolbens, wobei der Hub des Kolbens kleiner
ist als derjenige des Tauchkolbens, ferner mit mindestens einer Druckkammer zur
Unterbringung des Tauchkolbens und,des Kolbens, einer Quelle für das unter Druck
stehende Betriebsfluidum, einer Ventilvorrichtung zur Steuerung der Einführung des
unter Druck stehenden Betriebsfluidums aus der erwähnten Quelle in die Druckkammer
in übereinstimmung mit dem Betrieb des Motors sowie einer Vorrichtung zur Betät
bgungentweder des Kolbens oder des Kolbens und des Tauchkolbens durch- das unter
Druck stehende Betriebsfluidum währenddes ersten Teils einer Zeitspanne, in welcher
das Ventil geöffnet ist, um dasselbe zu öffnen, während,der Tauchkolben allein nur
während des letzten Teils jener Zeitspanne betätigt wird, bis _das Ventil. voll
geöffnet ist.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß
der mit dem Hohlkolben zusammenarbeitende Anschlag des Ventilschaftes von
einem
weiteren Kolben desselben gebildet ist, der in der dem Ventilschließen dienenden
Arbeitskammer des Zylinders untergebracht ist und der in an sich bekannter Weise
beim Schließhub des Ventiltellers vom Druckmittel beaufschlagt wird, sobald die
dem Ventilschließen dienende Arbeitskammer über dieweitere Verbindungsleitung an
die Druckmittelquelle angeschlossen und die dem Ventiloffnen dienende Arbeitskammer
druckentlastet ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß Tauchkolben
und weiterer Kolben zu einem einzigen Kolben am freien Ende des Schaftes vereinigt
sind, wobei beim Öffnen des Ventils auf die freie Stirnseite dieses Kolbens der
Hohlkolben und/ oder das Druckmedium einwirkt, und d-aß der Tauchkolben bzw. der
Kolben an ihrem oberen Ende - wie an sich bekannt - mit einer Verlängerung in einen
Pufferraum und in eine zeitweilig geöffnete Entlüftungsbohrung eingreifen.
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Die Erfindung wird an Hand der Beschreibung in Verbindung mit den
Zeichnungen an Ausführungsbeispielen erläutert.
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F i g. 1 ist ein Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ventilbetätigungsvorrichtung;
F :i g. 2 ist ein Schnitt nach der Linie II-II in Fig.l; F i g. 3 ist ein Schnitt
nach der Linie III-III in F i g. 1; F i g. 4 zeigt schematisch eine abgeänderte
Anordnung für den Antrieb eines Steuerventils in der Vorrichtung nach Fi g. 1; F
i: g. 5 zeigt schematisch einen Teilschnitt in größerer Darstellung von Teilen am
oberen Ende einer ersten Druckkammer der Vorrichtung nach F i g. 1; F i g. 6 zeigt,
wie ein bei der Vorrichtung nach F i g. 1 verwendetes Ventil geöffnet wird, und
zwar zeigt F i g. 6 A das Ventil im Augenblick der Betätigung des Steuerventils,
' F i, g. 6 B das weiter geöffnete Ventil -und F i g. 6C das Ventil nach
dem vollendeten öffnungsvorgang; F i g. 7 zeigt, wie das in F i g. 6 dargestellte
Ventil geschlossen wird, und zwar zeigt F i g. 7 A das Ventil im Augenblick der
Betätigung des Steuerventils, F i g. 7 B das Ventil im Augenblick des Schließens
und F i g. 7 C das Ventil nach vollendetem Schließvorgang; F i g. 8 zeigt einen
Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventilbetätigungsvorrichtung;
F i g. 9 zeugt die Ventilhubkurve bzw. die der herkömmlichen Ventilsteuervorrichtungen;
F i, g. 10 zeigt die Ventilhubkurve bzw. die Zeit-Durchgangsquerschnitt-Kurve, die
bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zustande kommt.
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In den F i. g. 1 bis 3 und 5 bis 7 der Zeichnungen ist eine erste
Ausführungsform einer Ventilbetätigungsvorrichtung dargestellt, die nach den Lehren
der Erfindung gebaut ist. Insbesondere zeigt die F i g. 1 einen Zylindendeckel1
eines hier nicht weiter dargestellten Zweitakt-Diesehnotors mit einer darin eingesetzten
Führungsbüchse, 3, in welcher der Ventilschaft 2 eänes Auspuffventils 4 gleitet,
das einen innerhalb des Zylinderdeckels 1 befindlichen Abgaskanal 5 mit dem Inneren
des' zugehörigen Arbeitszylinders des Dieselmotors in Verbindung setzt bzw. von
demselben absperrt. Ein Hydraulikzylinder 6, wie z. B. ein öl!druckzylinder, der
auf dem Zylinderdeckel 1 aufgebaut ist, umgibt den Ventilschaft 2 und enthält eine
erste sowie ,eine zweite Arbeits- bzw. Druckkammer 7, 8, die übereinander angeordnet
und durch eine Zwischenwand 9 voneinander getrennt sind. Die :erste Druckkammer
7 und die zweite Druckkammer 8 sind mit je einer Öffnung 10, 11 versehen,
durch welche hindurch das unter Druck stehende Betriebsfluidum in die Druckkammern
einströmt bzw. aus denselben ausströmt. In der ersten oder oberen Druckkammer 7
bewegt sich ein Tauchkolben 12; als Fortsetzung des Ventilschaftes 2, mit einer
oberen Stirnfläche zur Beaufschlagung mit dem Betriebsfluidum. Diese obere Druckkammer
7 ist oben mit einem zylindrischen hydraulischen Pufferraum 13 von sehr geringem
Durchmesser versehen, der mit der Außenluft durch eine senkrechte Entlüftungsbohrung
14 in Verbindung steht.
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Der Tauchkolben 12 ist an seinem oberen Ende mit einem Ansatz 15 geringen
Durchmessers versehen, der in den hydraulischen. Pufferraum 13 hineinpaßt und oben
eine nadelförmige Verlängerung 16 trägt.
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Innerhalb der ersten Druckkammer 7 bewegt sich ein erster Hohlkolben
17, der auch den Tauchkolben 12 gleitend aufnimmt. Dieser erste Kolben 17 hat an
seinem oberen Ende eine große Stirnfläche zur Beaufschlagung durch das Druckfluidum
sowie mehrere Bohrungen 18 (F i g. 2) für den Durchgang des Fluidums, die
sich axial durch den Kolben hindurch erstrecken. Unterhalb des ersten Kolbens 17
und .innerhalb der zweiten Druckkammer 8 befindet sich ein mit dem Ventilschaft
2 uriverschiebbar verbundener zweiter Hohlkolben 19 mit großer Stirnfläche für die
Beaufschlagung durch das Fluidum. Dieser zweite Kolben 19 ist durch Anlegen an den
Kolben 17 an einer relativen Axialverschiebung verhindert und mit mehmeren putenförmigen
Kanälen 20 (F i g. 3) am Außenumfang seines unteren Teils versehen. Zu der zweiten
Druckkammer 8 gehört ferner an deren unterem Ende ein Puffer 21 aus irgendeinem
geeigneten Werkstoff.
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Wir, aus der F i g. 1 ferner ersichtlich ist, gehört zu einem als
Ganzes mit 22 bezeichneten Steuerventil ein Paar von Kanälen 23 und 24 für das Druckfluidum
zum Anschluß an die Öffnungen 10 bzw. 11, wie -es durch .die strichpunktierten Linien
schematisch angedeutet ist, ferner ein Einlaßkanal25, der normalerweise an eine
Quelle für das unter Druck stehende Betriebsfluidum, wie z. B. einen hier nicht
dargestellten Druckölbehälter, angeschlossen ist, um das Betriebsfluidum bzw. Drucköl
dem Steuerventil 22-zuzuleiten, während ein Paar von Auslaßkanälen 26 und 27 für
das Fluidum normalerweise mit einem hier nicht dargestellten Sammelbehälter
-in Verbindung steht, in welchen .das aus dem Steuerventil abströmende Betriebsfluidum
gelangt, schließlich ein Kolbenventil 28, das wahlweise den Ein laßkanal25
mit einem der beiden Kanäle 23 und 24 verbindet, während gleichzeitig der andere
dieser beiden Kanäle mit dem Auslaßkanal27 bzw. 26 verbunden wird. -Am unteren Ende
des Kolbenventils 28 ist eine Rolle 29 drehbar angebracht, welche von einem Nocken
30 auf einer Nockenwelle 31 erfaßt wird, wobei die letztere von einer hier nicht
dargestellten Kurbelwelle aus angetrieben wird.
Die soweit beschriebene
Ventilbetätigungsvorrichtung arbeitet in der folgenden Weise: Im Betrieb treibt
eine hier nicht dargestellte Kurbelwelle die Nockenwelle 31 an, mit welcher sich
der Nocken 30 :dreht. Diese Drehbewegung des Nockens 30 verursacht eine auf- und
abgehende Bewegung des Kolbenventils 28 über die Rolle 29. Es soll angenommen werden.,
daß sich die Bestandteile in der in F ! g. 1 dargestellten Lage befinden, nämlich
das Kolbenventil 28 in seiner unteren Endlage, in welcher der Einlaßkanal25 mit
dem Kanal 24 in Verbindung steht, so daß .das Drucköl :durch die Öffnung 11 hindurch
in die zweite Druckkammer 8 gelangt. Der auf die untere Stirnfläche des zweiten
Kolbens 19 wirkende Öldruck drückt den Teller des Auspuffventils 4
auf :seinen
Sitz, wodurch das Ventil ganz geschlossen wird. Andererseits steht der Auslaßkanal
26 des Steuerventils 22 mit dem Kanal 23 in Verbindung, und dieser letztere steht
seinerseits über die Öffnung 10 mit der ersten. Druckkammer 7 in Verbindung;
mit anderen Worten, :die erste Druckkammer 7 steht mit dem hier nicht -dargestellten
Sammelbehälter für das Druckfluidum in Verbindung, wobei der erste Kolben 17 nicht
unter Öldruck steht.
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Nimmt man nun an, daß sich die Nockenwelle 31 aus der in F i g. 1
dargestellten Lage in der Richtung des Pfeils weiterdreht, dann schiebt dabei der
Nocken 30 das Kolbenventil 28 aufwärts, wodurch zunächst die beiden Kanäle 23 und
24 abgesperrt und anschließend mit dem Einlaßkanal 25 bzw. mit dem Auslaßkanal 27
verbunden werden. Damit nimmt das Steuerventil 22 die in F.ig. 6A dargestellte Lage
ein. Das Drucköl fließt nun durch die Öffnung 10 in die erste Druckkammer
7, während das Öl in der zweiten Druckkammer 8 durch die Öffnung 11 hindurch
in den Ölsammelbehälter zurückströmt. Infolge des Öldrucks, der nun sowohl auf den
ersten Kolben 17 mit großer Beaufschlagungsfläche als auch auf den Tauchkolben12
mit kleiner Beaufschlagungsflächceinwirkt, beginnt das Ventil 4 bzw. der Ventilschaft
2 mit. der raschen Abwärtsbewegung bei hoher Beschleunigung.
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Nachdem sich das Ventil 4 nach unten um eine Strecke bewegt hat, die
einem bestimmten Bruchteil seines .gesamten Hubes entspricht, in diesem Fall etwa
27°/o desselben, stößt der erste Kolben 17 an die untere Wandung der ersten Druckkammer
7 an, wodurch seine Bewegung -aufhört; das Ventil 4 befindet sich dann in der in
F i g. 6 B dargestellten Lage. Nach dem Anhalten des ersten Kolbens? wirkt der Öldruck
in der ersten Druckkammer 7 nur noch auf den Tauchkolben 12 ein, :wodurch derselbe
-weiter abwärts bewegt wird, mit dem Ergebnis, daß -das Ventil seinen vollen Hub
ausführt und ganz geöffnet wird.
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1 Es- ist zu beachten, daß während der öffnungsbewegung des Auspuffventils
4,- wie sie soeben beschrieben wurde; der Ventilschaft 2 bereits im ersten Teil
der Öffnungsperiode eine hohe Geschwindigkeit hat, weil -der Öldruck sowohl auf
den Kolben 17 als auch auf den Tauchkolben 12 einwirkt, also auf die gesamte zu
beaufschlagende Fläche. Obwohl also der erste Kolben 17 mit der Bewegung
aufhörte, nachdem er sich um :eine Strecke bewegt hatte, die dem Teilhub des Ventils
entspricht, und daher der Öldruck nur noch auf den Tauchkolben 12 mit der kleinen
Beauf= schlagungsfläche einwirkt, ist doch damit gewährleistet, daß sich der Ventilschaft
2 weiterhin um eine Streck:, bewegt, die dem verbleibenden Ventilhub entspricht,
und zwar mit der gleich hohen Geschwindigkeit. Infolgedessen stößt die untere Stirnfläche
des zweiten Kolbens 19 an den Puffer 21 an der unteren Wandung der zweiten Druckkammer
8 an. Zu dieser Zeit befindet sich die Ventilbetätngungsvorrichtung in der in F
i g. 6 C dargestellten Lage, in welcher das Ventil ganz geöffnet Ist.
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Gerade-bevor das Ventil seine ganz geöffnete Lage erreicht, löst sich
der Ansatz 15 am oberen Ende des Tauchkolbens 12 aus dem Pufferraum 13 am oberen
Ende der ersten Druckkammer 7, wodurch zwischen dem freien Ende des Ansatzes 15
und dem Eintritt in den Pufferraum 13 ein winziger ringförmiger Spielraum ä (F i
g. 5) gebildet wird, welcher gestattet, daß die in dem Betriebsdrucköl enthaltenen
Gase, soweit sich das Öl in der ersten Druckkammer 7 befindet, in den Pufferraum
13 eintreten und aus diesem durch die Entlüftungsbohrung 14 hindurch in die Atmosphäre
entweichen. Dabei kann zugleich mit dem Gas Drucköl teilweise aus der ersten Druckkamer
7 in den Pufferraum 13 entweichen, wogegen im lEnbhck auf den Betrieb der Vorrichtung
nichts einzuwenden ist, weil das Ventil nun in eine Lage kurz vor der vollen öffnung
kommt; dabei ist allerdings Voraussetzung, daß der Spielraum d genügend klein ist.
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Bei: der weiteren Drehung des Nockens 30 in der Richtung des Pfeils
nach F i g. 1 beginnt das Kolbenventil 28 der Steuervorrichtung 22 neuerdings mit
der Abwärtsbewegung, wobei der Einlaßkana125 mit dem Kanal 24 und der Auslaßkanal
26 mit dem Kanal 23 in Verbindung gesetzt wird. Demzufolge beginnt das Drucköl in
die zweite Druckkammer 8 zu strömen, während das in der ersten Druckkammer 7 befindliche
Drucköl in den ölsammelbehälter abzufließen beginnt, wie aus der vorhergehenden
Beschreibung ohne weiteres verständlich sein wird. Diese Lage ist in der Fig. 7Adargestellt.
Unter diesen Umständen beginnt das Ventil 4 mit dem Schließvorgang unter der Einwirkung
des Öldrucks auf den zweiten Kolben 19. Dabei bewegt sich :das Ventil 4 über die
in F i g. 7 B damgestellte tage in die Lage nach F i g. 7 C, in welcher sich der
Ventilteller auf seinen Sitzt setzt, womit das Ventil ganz geschlossen .ist.
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Während der oben beschriebenen Schließbewegung des Ventils 4 tritt
der Ansatz 15 an dem Tauchkolben 12 .finden Pufferraum 13 :ein, um das Öl durch
die Entlüftungsbohrung 14 herauszudrücken, bis der nadelförmige Ansatz 16 völlig
in die Bohrung 14 hineinpaßt. Das in dem Pufferraum 13 befindliche Öl kann dann
nicht mehr durch den Spielraum zwischen nadelförmigem Ansatz 16 und Ventüentlüftungsbohrung
14 sowie zwischen dem Ansatz 15 und dem Pufferraum 13 :nach außen bzw. in :die erste
Druckkamm.er entweichen. Alle Stöße, die beim Aufsetzen des Ventiltellers 4 auf
seinem Ventilsitz auftreten könnten,-werden:also durch die richtige Wahl der Abmessungen
dieser Spielräume in sehr wirkungsvoller Weise abgedämpft.
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In der F i g. 8, in welcher die gleichen Bezugszahlen gleiche Teile
bezeichnen, ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventilbetätigungsvorrichtung
dargestellt. Der Hauptunterschied zwischen der Anordnung nach F i g. 8 und der vorher
beschriebenen Konstruktion nach den F.ig. 1 bis 3 und 5 bis 7 besteht darin, daß
an Stelle eines besonderen Tauchkolbens und eines zweiten Kolbens der Ventilschaft
2 eines Auspuffventils 4 mit einer Verlängerung 50 versehen ist, die einen Tauchkolben
sowie .einen ein Ganzes mit demselben bildenden zweiten
Kolben
abgibt. Ferner ist der erste Kolben 5.1 mit mehreren Kanälen 52 für :das Fluidum
versehen, die durch den Kolben hindurchgehen und in eine erste Druckkammer 7 ausmünden.
Ein Kanal bzw. Kanäle 53 für das Fluidum erstrecken sich abwärts durch den Kolben
hindurch, um die obere Stirnfläche des Tauchkolbens 50 mit dem unter Druck stehenden
Betriebsfluidum bzw. mit Drucköl zu beaufschlagen. Wie i111 dem vorhergehenden Fall
ist auch hier der erste Kolben 51 oben mit einem Ansatz 54 einschließlich eines
nadelförmigen Stiftes an dessen oberem Ende versehen. In anderer Hinsicht -sind
beide Ausführungsformen im wesentlichen gleich und bedürfen daher keiner weiteren
Beschreibung.
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Die Anordnung nach F i g. 8 arbeitet im wesentlichen in der gleichen
Weise wie die vorher beschriebene Konstruktion nach den F i g. 1 bis 3 und 5 bis
7. Kurzum, da ein Steuerventil, wie es vorher beschrieben wurde, Drucköl in die
Öffnung 10 einführt, gelangt :ein Teil des eingeführten Öls durch die Kanäle 52
in die erste Druckkammer 7, um en ersten Kolben 51 abwärts zu bewegen. Gleichzeitig
gelangt der verbleibende Teil des Öls durch den Kanal 53 hindurch auf die obere
Stirnfläche des Tauchkolbens 50, um denselben abwärts zu bewegen. Infolge .des resultierenden
Schubes auf den ersten Kolben 51 und den Tauchkolben 50 beginnt das Ventil
4 sich rasch zu öffnen. Dann hört der erste Kolben 51 mit seiner Bewegung
auf, und das Drucköl wirkt nur noch auf den Tauchkolben 50 ein., um das Ventil weiterhin
mit dessen hoher Geschwindigkeit zu bewegen, bis das Ventil ganz geöffnet ist: Da
ferner das Steuerventil so betätigt wird, daß eine Öffnung 11 mit einer hier nicht
dargestellten Quelle für Drucköl verbunden wird, tritt das letztere in eine zweite
Druckkammer 8 ein, um auf den Tauchkolben 50 einen aufwärts gerichteten Schub auszuüben,
wodurch .das Ventil geschlossen wird.
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Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform ist es auch hier ohne weiteres
verständlich, daß der Ansatz 54 und der nadelförmige Stift 55 in wirksamer Weise
während der Öffnungsbewegung des Ventils für die Entgasung des Betriebsöls. innerhalb
der ersten Druckkammer 7 sowie während der Schließbewegung des Ventils für das sanfte
Aufsetzen des Ventiltellers 4 auf seinen Ventilsitz sorgen.
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Es ist klar, daß die Konstruktion nach F i g. 8 in verschiedener Weise
abgeändert werden kann, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen oder sich aus dem
Erfindungsbereich zu entfernen. Beispielsweise kann an die Stelle des Kanals 53
in dem ersten Kolben 51 in einer Seitenwandung eines Hydraulikzylinders eine Bohrung
56 vorgesehen werden, die in F i g. 8 in, gestrichelten Linien angedeutet ist, und
zwar in einer solchen Höhe, daß das Drucköl auf die obere Stirnfläche des Tauchkolbens
50 gerade nach Vollendung des Hubes des ersten Kolbens gelangt. In. diesem Fall
wird, da das Drucköl durch die öffnung 10 hindurch in die erste Druckkammer 7 gelangt,
bei Öffnen des Ventils nur der erste Kolben 51 mit der großen Beaufschlagungsfläche
betätigt, um den Tauchkolben 50 abwärts zu bewegen und dadurch das Ventil 4 mit
hoher Geschwindigkeit zu öffnen, worauf der Kolben 51 angehalten wird. Nach dem
Abstoppen des ersten Kolbens 51 wird durch die Bohrung 56 hindurch die kleine Stirnfläche
des Tauchkolbens 50 mit Drucköl beaufschlagt bis das Ventil 4 ganz
geöffnet ist; hierbei wird die anfänglich erteilte hohe Öffnungsgeschwindigkeit
aufrechterhalten.
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Aus dem Vorstehenden geht also hervor, daß die erfindungsgemäße Ventilbetätigungsvorrichtung
in der Weise arbeitet, daß sie das zugehörige Ventil so öffnet, daß im ersten Teil
der Ventilöffnungsperiode ein unter hohem Druck stehendes Betriebsfluidum entweder
auf einen Kolben wirkt, dessen Beaufschlagungsfläche groß ist, der Hub aber sehr
. viel kleiner als der Hub des Ventils, oder sowohl auf den Kolben als auch auf
einen Tauchkolben von kleinerer Beaufschlagungsfläche als der Kolben zwecks Bewegung
derselben mit hoher Geschwindigkeit, worauf der Kolben mit der großen Beaufschlägungsfläche
seine Bewegung einstellt und das unter hohem Druck stehende Fluidum nur noch auf
den Tauchkolben mit der kleineren Beaufschlagungsfläche .einwirkt, bis das Ventil
bei der gleichen hohen öffnungsgeschwindigkeit ganz geöffnet worden ist. Infolgedessen
bekommt die Ventilhubkurve eine rechteckige Form; mit anderen Worten, das Ventil
hat dann eine Zeit-Durchgangsquerschnitt-Kennlinie, wie sie die Fi g. 10 zeigt,
im Vergleich zur Kennlinie einer herkömmlichen Steuervorrichtung (F i g. 9). Es
ist leicht zu verstehen, daß bei einer solchen Kennlinie von rechteckiger Form die
Abgase aus dem betreffenden Zylinder z. B. der Abgasturbine in der erforderlichen
Menge mit einem Mindestmaß an Energieverlust 'zugeführt werden. Auch dadurch, daß
man den Hub des Kolbens mit der großen Beaufschlagungsfläche so klein wie möglich
macht, kann die Menge des unter hohem Druck stehenden Betriebsfluidums zur Betätigung
des Ventils stark herabgesetzt werden im Vergleich zu den üblichen Ventilsteuerungen
einer solchen Bauart, unter der Annahme, daß das Ventil mit der gleichen Geschwindigkeit
betätigt wird. Beispielsweise ergaben die Berechnungen bei Zweitakt-Schiffsdieselmotoren,
daß die üblichen hydraulischen Ventilsteuerungen einer Bauart mit Geber- und Nehmerkolben
10 bis 20% der Motorenleistung erforderten, um die Menge an unter hohem Druck stehendem
Betriebsfluidum bereitzustellen, welche notwendig ist, um dem zugehörigen Ventil
die gewünschte hohe Öffnungsgeschwindigkeit 'zu verleihen, wohingegen die erfindungsgemäße
Vorrichtung dazu nur etwa 3 °/o der Motorenleistung verbraucht.
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Dem Vorstehenden ist weiterhin leicht zu entnehmen, daß man mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Ventilsteuerung von sehr einfacher Konstruktion,
gedrungener Bauart, kleiner Größe und geringen Gewichts bekommt im Vergleich mit
den üblichen mechanischen Ventilsteuerungen von im wesentlichen dem gleichen Betriebsverhalten.
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Es entfällt beim Gegenstand der Erfindung die Notwendigkeit einer
Ventilfeder, wodurch Geräusche infolge der Resonanz solcher Federn und Brüche derselben
vermieden werden. Infolge des Fehlens von Ventilfedern kommen verschiedene Teile
der Ventilsteuerung überhaupt nicht zu einer stoßweisen Berührung miteinander, wie
es bei den mechanischen Ventilsteuerungen der Fall ist. Die Erfindung ist also auch
insofern vorteilhaft, als damit ausgestattete Brennkraftmaschinen ruhig und gleichmäßig
arbeiten. Dieser Vorzug wird durch den Einbau der vorher beschriebenen hydraulischen
Puffer noch erhöht.
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Die Erfindung ist ebenfalls anwendbar auf Brennkraftmaschinen mit
Umsteuerung, wobei auf der von der Kurbelwelle aus angetriebenen Nockenwelle zwei
| zueinander versetzte Nocken angebracht sind, die: je |
| nach der gewünschten Drehrichtung durch axiales |
| Verschieben der Nockenwelle in Tätigkeit treten, |
| :;pie $escliZeibung.ciex-.vorlxegenden Erfindung er- |
| streckte sich- vorwiegend -auLdie Steuerung der, Aus- |
| Puffventile von-$rennkxaftmaschinenx jedoch-ist die |
| Erfinduilg...ebensogut- auf -deren= -Einlaßventile und |
| sonstige Ventile aawendbar:!.. |
| ..Durch die.Beschxeibung gewisser Ausführungsfgr- |
| men r-selb enin der ErErfindung keiner Weise sollte .eingeschränkt
de r.Erfindtlrigsbexei werden; chde viel- |
| mehr sind zahlreiche Änderungen it.den-Ein2elheiten |
| der _KonstruktxQn,. Amr dnung" und -Kömbinationen |
| von Teilen denkbar,- ohne- vom Geist' der- Erfindung |
| abzuweichen oder, sict. aus: .dem.: firfindungsbereich |
| zu entfernen: $eispielsweis.e kann; wie` es -die-Fig.4 |
| zeigt,, das Stengrvntil;22 anstatt durch einen Nocken |
| auch durch ein Solenoid bzw: eine .Magnetspule 32 |