DE19500501A1 - Method of controlling load changes of IC engine by valves - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des La dungswechsels von Verbrennungsmotoren durch Ventile, wobei in mindestens einem Ladungswechselkanal mindestens einmal pro Arbeitsspiel ein Ventil durch Bewegung eines Ventilkörpers relativ zu einem Ventilgehäuse derart geöffnet und geschlos sen wird, daß ein Teil der Ventilbewegung in einem Schließ bereich des Ventilgehäuses stattfindet, in dem der Abstand zwischen Ventilkörper und Ventilgehäuse gleichbleibend auf die für die Relativbewegung zwischen Ventilgehäuse und Schließkörper minimal erforderliche Abstandstoleranz be schränkt ist, während der andere Teil der Bewegung des Ven tilkörpers in einem Öffnungsbereich stattfindet und sich der Stromungsquerschnitt dieses Ventils sprunghaft ändert, wenn der Ventilkörper mit hoher Geschwindigkeit eine Steuerkante am Ventilkörper passiert, die den Schließbereich vom Öff nungsbereich trennt, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for controlling the La change of combustion engines by valves, wherein in at least one charge exchange channel at least once per Working a valve by moving a valve body so opened and closed relative to a valve housing sen that part of the valve movement in a closing area of the valve housing takes place in which the distance between the valve body and valve housing the for the relative movement between the valve housing and Closing body be the minimum required clearance tolerance is restricted, while the other part of the movement of the Ven til body takes place in an opening area and the Flow cross section of this valve changes suddenly when the valve body is a control edge at high speed happens on the valve body, which the closing area of the opening separation area, and a device for performing of the procedure.
Im Zusammenhang mit den zunehmenden Zwängen zur Reduzierung von Abgasemissionen und Brennstoffverbrauch bei Kraftfahrzeu gen wird es immer wichtiger, die Ventilsteuerungen an Ein- und Auslässen der Brennkammern schnell und präzise dem jewei ligen Betriebszustand optimal anzupassen und neuartige La dungswechselverfahren zu realisieren.In connection with the increasing pressure to reduce of exhaust emissions and fuel consumption in motor vehicles It is becoming increasingly important to use valve controls on inputs and Outlets of the combustion chambers quickly and precisely current operating condition optimally and new La implementation change process.
Konventionelle, nockengesteuerte Ventile sind hierzu zu trä ge, in ihren Öffnungs- und Schließzeitpunkten zu wenig vari ierbar und die Veränderung des Strömungsquerschnitts im Be reich der Steuerkante ist zu langsam, weshalb ein genau defi nierter Öffnungsbeginn bzw. ein genau definiertes Schließende fehlt. Deswegen wurden in den letzten Jahren neuartige Ven tilsteuerungen entwickelt, z. B. solche mit elektromagneti schem Antrieb, wobei Schließ- und Öffnungsbewegungen von ein bis zwei Millisekunden Dauer bei Prototypen realisiert wurden und der Beginn dieser Ventilbewegungen frei steuerbar ist. Conventional, cam-controlled valves are too slow for this ge, too little variation in their opening and closing times and the change in the flow cross section in the loading rich the control edge is too slow, which is why an exactly defi nated opening start or a precisely defined closing end is missing. For this reason, novel Ven til controls developed, e.g. B. those with electromagnetic cal drive, with closing and opening movements of one up to two milliseconds in prototypes and the start of these valve movements is freely controllable.
Somit dauert die Öffnungsphase etwa vom Beginn der Öffnungs bewegung bis zum Ende der Schließbewegung.Thus the opening phase lasts approximately from the beginning of the opening movement until the end of the closing movement.
Diese neuen Ventilsteuerungen zeigen jedoch eine Reihe von Problemen, die mit der Realisierung der schnellen Bewegungen verbunden sind. Zunächst stört ein hoher Energieverbrauch, der aus den hohen Beschleunigungen und Abbremsungen herrührt und der die Antriebsleistung konventioneller Steuerungen übersteigt. Sodann gibt es Schwierigkeiten, die Ventile schnell genug zu schließen, ohne daß der Ventilkörper mit zu hoher Geschwindigkeit auf den Ventilsitz auftrifft und diesen zerstört. Der langsame Ablauf von Öffnungsbeginn und Schlie ßende führt zu gasdynamischen Effekten, die energetische und thermische Effizienz neuartiger Ladungswechselverfahren be einträchtigen. Letztendlich sind die Kosten für den appara tiven Aufwand und für die Weiterentwicklung zur Serienreife sehr hoch.However, these new valve controls show a number of Problems with the realization of fast movements are connected. First of all, high energy consumption that comes from the high accelerations and decelerations and the drive power of conventional controls exceeds. Then there are difficulties with the valves to close quickly enough without the valve body closing hits the valve seat at high speed and this destroyed. The slow process of opening and closing leads to gas dynamic effects, the energetic and thermal efficiency of new charge exchange processes be compromise. Ultimately, the cost of the appara tive effort and for further development to series production very high.
Diese Problematik wird noch verstärkt, wenn neuartige Verfah ren der dynamischen Aufladung realisiert werden sollen, die zwei komplette Öffnungs- und Schließvorgänge eines Einlaßven tils je Saughub erfordern.This problem is exacerbated when new procedures dynamic charging should be realized two complete opening and closing processes of an inlet valve tils per suction stroke.
Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, kostengünstige Ven tilsteuerungen für den Ladungswechsel von Verbrennungsmotoren zu schaffen, bei denen aus verfahrenstechnischen Gründen die Änderung des Ventilquerschnitts zu Beginn der Ventilöffnung und zum Ende der Ventilschließung sehr schnell erfolgt, so daß exakte Steuerzeitpunkte für den Öffnungsbeginn und das Öffnungsende festlegbar sind und daß diese Steuerzeitpunkte in Bezug auf die Phasenlage des Motors frei wählbar sind. Außerdem sollen sie auch bei üblichen Motordrehzahlen bis zu 6.000 U/min in der Lage sein, möglichst zwei komplette Öff nungs- und Schließvorgänge eines Einlaßventils je Saughub durchzuführen, bei gleichzeitiger Reduzierung der erforderli chen Antriebsleistung und Vermeidung schädigender Auftreffge schwindigkeiten zwischen Ventilkörper und Ventilsitz bzw. zwischen den bewegten und unbewegten Teilen des Ventils.It is therefore an object of the invention to provide inexpensive Ven valve controls for the gas exchange of internal combustion engines to create, where for procedural reasons the Change in valve cross-section at the beginning of valve opening and very quickly at the end of the valve closure, so that exact tax times for the opening and the Opening end can be determined and that these tax times freely selectable in relation to the phase position of the motor. In addition, they should also up to at normal engine speeds 6,000 rpm to be able to complete two complete openings if possible Opening and closing processes of an intake valve per suction stroke perform, while reducing the required drive power and avoiding damaging impacts speeds between valve body and valve seat or between the moving and still parts of the valve.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einem Verfahren der eingangs genannten Art darin, daß während der Öffnungsbewe gung und während der Schließbewegung dieses Ventils der Ven tilkörper derart beschleunigt und anschließend verzögert wird, daß das Passieren der Steuerkante mit hoher Geschwin digkeit zu einstellbaren Steuerzeitpunkten erfolgt.This problem is solved with a method of type mentioned in that during the opening movement supply and during the closing movement of this valve the Ven tilkörper accelerated and then decelerated is that passing the control edge at high speed at taxable times.
Da auf diese Weise der Ventilkörper zu Beginn der Ventilöff nung nicht aus dem Stillstand beschleunigt und bei Beendigung des Schließvorgangs nicht bis zum Stillstand verzögert werden muß, hat der Ventilkörper beim Beginn der Ventilöffnung und bei Beendigung des Schließvorgangs eine hohe Geschwindigkeit, so daß der Zeitpunkt, zu dem der Ventilkörper die Steuerkante öffnend oder schließend erreicht, als exakter Öffnungs- oder Schließzeitpunkt betrachtet werden kann, weil der Ventilquer schnitt sich entsprechend der hohen Geschwindigkeit sehr schnell ändert, ohne daß schlagartig Massenkräfte freigesetzt werden und zu hohen mechanischen Beanspruchungen führen.Because in this way the valve body at the beginning of the valve opening not accelerated from standstill and at the end of the closing process are not delayed until standstill must, the valve body at the beginning of the valve opening and high speed at the end of the closing process, so that the time at which the valve body touches the control edge opening or closing achieved as an exact opening or Closing time can be considered because of the valve cross cut a lot according to the high speed changes quickly without suddenly releasing mass forces become and lead to high mechanical loads.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß der Ven tilkörper nach seiner Verzögerung zum Stillstand kommt, so daß über eine Wartepause bis zum Beginn der nächsten Ventil bewegung und die Bewegungsdauer bis zum Passieren der Steuer kante die Steuerzeitpunkte exakt vorherbestimmbar und frei wählbar sind.An advantageous embodiment is that the Ven tilkörper comes to a standstill after its delay, so that about a pause until the beginning of the next valve movement and the time it takes to pass the tax edged the tax times precisely and freely are selectable.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich nach einer weiteren Ausführungsform der Ventilkörper um eine quer zur Durchström richtung dieses Ventils verlaufende Achse dreht.It is particularly advantageous if after another Embodiment of the valve body by a cross to the flow direction of this valve rotating axis.
Nach einer ersten Variante kann sich der Ventilkörper beim Öffnen und Schließen in der gleichen Richtung bewegen; beson ders vorteilhaft ist eine zweite Variante, nach der die Öff nungsbewegung der Schließbewegung entgegengesetzt gerichtet ist. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, daß nach einer be vorzugten Ausführungsform die Bewegungsenergie des Ventilkör pers in einfacher Weise bei seiner Verzögerung von einem Ener giespeicher aufgenommen und zur Beschleunigung des Ventilkör pers wieder genutzt wird.According to a first variant, the valve body can Move opening and closing in the same direction; particular ders advantageous is a second variant, according to which the public transport tion movement opposite to the closing movement is. This opens up the possibility that after a be preferred embodiment, the kinetic energy of the valve body pers in a simple manner when delayed by an ener Giespeicher added and to accelerate the valve body pers is used again.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird es zur Steuerung eines Ventils angewandt, das zusätzlich zu ei nem den Brennraum abschließenden Ventil in dessen Ladungs wechselkanal angeordnet ist, wobei eine besonders zweckmäßige Weiterbildung darin besteht, daß das nach dem Verfahren ge steuerte Ventil als Zusatzventil bei hohen Motordrehzahlen in geöffneter Stellung verbleibt.According to an advantageous embodiment of the method, it will used to control a valve that in addition to egg nem valve closing the combustion chamber in its charge Exchange channel is arranged, being a particularly useful Training is that the ge according to the procedure controlled valve as additional valve at high engine speeds open position remains.
Eine Vorrichtung mit einem Ventilgehäuse und einem relativ zum Ventilgehäuse durch einen Antrieb beweglichen Ventilkör per, bei der das Ventilgehäuse einen Öffnungs- und einen Schließbereich aufweist, die durch eine Steuerkante vonein ander getrennt sind, an der sich der Strömungsquerschnitt im Ventilgehäuse sprunghaft ändert und im Schließbereich der Abstand zwischen Ventilkörper und Ventilgehäuse gleichblei bend auf die für die Relativbewegung zwischen Ventilgehäuse und Schließkörper minimal erforderliche Abstandstoleranz beschränkt ist, ist zur Durchführung des Verfahrens erfin dungsgemäß so ausgebildet, daß der Antrieb geeignet ist, den Ventilkörper einem eine Beschleunigungs- und eine Verzöge rungsphase aufweisenden Bewegungsgesetz frei wählbar derart zu unterwerfen, daß der Ventilkörper die Steuerkante mit ho her Geschwindigkeit zu einem frei wählbaren Zeitpunkt pas siert.A device with a valve housing and a relative to the valve housing by a drive movable valve body per, in which the valve housing one opening and one Has closing area by a control edge of one are separated on which the flow cross section in Valve housing changes suddenly and in the closing area of the Distance between valve body and valve housing remains the same bend to the for the relative movement between the valve housing and closing body the minimum required clearance tolerance is limited, is invented to carry out the method appropriately designed so that the drive is suitable for Valve body an acceleration and deceleration movement phase, freely selectable in such a way to submit that the valve body the control edge with ho speed at a freely selectable time siert.
Dabei kann der Ventilkörper ein linear bewegbarer Schieber oder ein axial verschiebbares Tellerventil sein oder er kann um eine quer zur Durchströmrichtung des Ventilgehäuses ver laufende Achse drehbar in diesem gelagert sein, wobei dann der Ventilkörper vorzugsweise eine drehbare Klappe ist. The valve body can be a linearly movable slide or be an axially displaceable poppet valve or it can to a ver transverse to the flow direction of the valve housing running axis be rotatably mounted in this, then the valve body is preferably a rotatable flap.
Bei der Verwendung solcher Vorrichtungen in größeren Tempera turschwankungen ausgesetzten Bereichen, z. B. bei Verbren nungsmotoren, müssen die Ränder der Drehklappen von der Ge häusewandung einen Abstand aufweisen, der so ausreichend di mensioniert ist, daß die freie Beweglichkeit der Klappe bei der maximal zu erwartenden Temperatur gewährleistet bleibt. Das hat zur Folge, daß über den unvermeidbaren Spalt in Schließstellung der Klappe eine Restströmung erfolgt, die insbesondere dann störende Ausmaße annehmen kann, wenn die Vorrichtung mit höheren Drücken beaufschlagt wird. Es stellt deshalb bei Vorrichtungen, bei welchen die Öffnungsbewegung und die Schließbewegung in einander entgegengesetzter Rich tung verlaufen, eine vorteilhafte Ausgestaltung dar, daß die Ventilklappe in Schließstellung sich in einer die Drehachse enthaltenden, quer zur Durchflußachse verlaufenden Schließ ebene befindet und mit ihrem Rand in allen Stellungen all seits in der Ebene der Klappe einen solchen Abstand vom Ge häuse einhält, daß dieser von den während des Betriebs zu erwartenden Wärmedehnungen nicht überwunden werden kann, daß dem Umfangsbereich jeder Teilfläche am Gehäuse jeweils eine bis an die Drehachse herangeführte Anschlagkante zugeordnet ist und daß diese Anschlagkanten auf unterschiedlichen Seiten der Ventilklappe angeordnet und dieser als stirnseitige Ab dichtung zugeordnet sind.When using such devices in larger tempera areas exposed to fluctuations, e.g. B. when burning motors, the edges of the rotary flaps must be removed from the Ge have a wall that is sufficiently di dimensioned is that the free movement of the flap at the maximum expected temperature remains guaranteed. As a result, the inevitable gap in A residual flow takes place in the closed position of the flap can assume particularly disturbing dimensions if the Device is subjected to higher pressures. It puts therefore in devices in which the opening movement and the closing movement in opposite directions tion run, an advantageous embodiment that the Valve flap in the closed position in an axis of rotation containing, running transversely to the flow axis level and with its edge in all positions such a distance from the Ge in the plane of the flap housing complies with this during operation expected thermal expansion can not be overcome that the circumferential area of each partial surface on the housing one assigned to the stop edge brought up to the axis of rotation is and that these stop edges on different sides the valve flap is arranged and this as the end face seal are assigned.
Diese Konstruktion erfordert keine aufwendige Bearbeitung der Ventilklappe oder des Ventilgehäuses, vielmehr kann eine ge stanzte, unbearbeitete Klappe und einfaches Rohrmaterial zur Bildung des Gehäuses verwendet werden. Durch den ringsum eingehaltenen Abstand zwischen Klappenrand und Innenwandung des Gehäuses können Wärmedehnungen ohne Klemmgefahr ausgegli chen werden. Weil die Klappe ringsum an den Anschlagkanten stirnseitig und damit spaltfrei anliegt, ist eine gute Ab dichtung gewährleistet.This construction does not require extensive processing of the Valve flap or the valve housing, rather a ge punched, unprocessed flap and simple pipe material Formation of the housing can be used. Through the all around maintained distance between the edge of the flap and the inner wall the housing can compensate for thermal expansion without the risk of jamming will be. Because the flap all around the stop edges is a good ab seal guaranteed.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß das Gehäuse aus einer von der Drehachse durchquerten Rohrmuffe und zwei von dieser Rohrmuffe umschlossenen Rohr abschnitten besteht, deren der Ventilklappe zugewandte Ränder auf unterschiedlichen Seiten der Drehachse als Anschlagkante für die Ventilklappe in einer parallel zur Ebene der in Schließstellung befindlichen Ventilklappe verlaufenden Ebene höchstens bis auf einen der halben Wandstärke der Ventilklap pe entsprechenden Abstand vom Drehzentrum an die Drehachse herangeführt sind und anschließend außerhalb des Schwenkbe reichs der Ventilklappe verlaufen, wobei eine zweckmäßige und einfache Ausgestaltung darin besteht, daß die der Ventilklap pe zugewandten Ränder der Rohrabschnitte durch eine parallel zur Drehachse verlaufende Stufe in zwei in Durchströmrichtung des Ventils versetzte Abschnitte unterteilt sind, die jeweils parallel zur Ebene der in Schließstellung befindlichen Ven tilklappe verlaufen.A particularly advantageous embodiment consists in that the housing crossed from one of the axis of rotation Pipe sleeve and two pipes enclosed by this pipe sleeve sections exists, the edges of which face the valve flap on different sides of the axis of rotation as a stop edge for the valve flap in a parallel to the plane of in Closed valve flap level at most up to half the wall thickness of the valve flap pe corresponding distance from the center of rotation to the axis of rotation are introduced and then outside of the swivel range of the valve flap, being an appropriate and simple design is that the valve flap pe facing edges of the pipe sections by a parallel stage in two directions in the direction of flow to the axis of rotation of the valve offset sections are divided, each parallel to the level of the Ven in the closed position valve flap.
Falls das Verfahren mit einem Energiespeicher zur Aufnahme der Bewegungsenergie betrieben wird, ist nach einer bevorzug ten Ausführungsform der Vorrichtung dem Ventilkörper als Energiespeicher ein Schwingungssystem zugeordnet, wobei vor zugsweise das Schwingungssystem mechanische Federn umfaßt.If the procedure with an energy storage for recording The kinetic energy is operated according to one th embodiment of the device as the valve body Energy storage assigned a vibration system, being in front preferably the vibration system comprises mechanical springs.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung be steht darin, daß sie eine Einrichtung umfaßt, die geeignet ist, die Energieverluste bei der Bewegung dieses Ventils aus zugleichen, wobei die Einrichtung geeignet ist, die Energie verluste vorzugsweise bei jeder Ventilbewegung auszugleichen.Another advantageous embodiment of the device be is that it includes a facility that is suitable is the energy loss from the movement of this valve to equalize, whereby the device is suitable, the energy preferably compensate for losses with each valve movement.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß der Ventilkörper mit Federn zu einem Feder-Masse-System ver bunden ist, das etwa um die Mittellage zwischen den beiden Endlagen des Ventilkörpers schwingungsfähig ist mit einer Frequenz, deren halbe Schwingungsdauer der gewünschten Bewe gungsdauer zwischen den beiden Endlagen entspricht, daß Vor richtungen zur Zufuhr von Energie vorhanden sind, die den Energieverlust durch die Dämpfung der Bewegung des Schließ körpers von Endlage zu Endlage ausgleichen, und daß in der jeweiligen Endlage dem Ventilkörper eine Arretierung zugeord net ist.A particularly advantageous embodiment is that the valve body with springs ver to a spring-mass system tied around the middle position between the two End positions of the valve body is vibratable with a Frequency, the half oscillation period of the desired movement duration between the two end positions corresponds to that before There are directions for supplying energy that the Loss of energy by damping the movement of the lock Compensate body from end position to end position, and that in the each end position assigned a locking device to the valve body is not.
Nach einer ersten Variante kann dabei die Vorrichtung eine Einrichtung zur elektromagnetischen Energiezufuhr umfassen. Es kann aber auch eine Einrichtung zur pneumatischen oder zur hydraulischen Energiezufuhr vorgesehen werden.According to a first variant, the device can be a Include device for electromagnetic energy supply. But it can also be a device for pneumatic or hydraulic energy supply are provided.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung besteht noch darin, daß sie in einem mit der Brennkammer verbundenen La dungswechselkanal eines Verbrennungsmotors angeordnet ist und die Eigenfrequenz der Gasschwingung in der Leitung zwischen der Öffnung dieses Abschnitts und dem den Brennraum abschlie ßenden Ventil des Motors zur Nutzung gasdynamischer Wechsel wirkungen in Bezug auf den Ladungswechsel auf eine bestimmte Frequenz des Ladungswechsels der jeweiligen Brennkammer abge stimmt ist.A preferred embodiment of the device still exists in that they are in a La is arranged change channel of an internal combustion engine and the natural frequency of the gas oscillation in the line between the opening of this section and that closes the combustion chamber valve of the engine to use gas dynamic change effects in relation to the charge change on a certain one Abge frequency of the charge change of the respective combustion chamber is true.
Das frei steuerbare Ventil ist dabei nach einer ersten Va riante einer bevorzugten Ausführungsform dem Einlaßventil vorgeschaltet, während nach einer zweiten Variante das frei steuerbare Ventil das Einlaßventil ist. Es kann aber auch als Auslaßventil angeordnet werden oder dem Auslaßventil nachgeschaltet sein.The freely controllable valve is after a first Va a preferred embodiment of the inlet valve upstream, while according to a second variant the free controllable valve is the inlet valve. But it can also be arranged as an exhaust valve or the exhaust valve downstream.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß zur Abdichtung des Schließbereichs zumindest in ausgewählten Stellungen des Ventilkörpers am Ventilgehäuse oder Ventilkör per labyrinthartige Vertiefungen vorgesehen sind, wobei bei Drehklappen auch deren Stirnseiten labyrinthartige Vertiefun gen aufweisen können.Another advantageous embodiment is that to seal the closing area at least in selected Positions of the valve body on the valve housing or valve body are provided by labyrinthine depressions, with Rotary flaps also have labyrinth-like recesses on their end faces can have gene.
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispie le von Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt:Based on the exemplary embodiment shown in the drawing le of devices for performing the method is the Invention explained in more detail. It shows:
Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Ventil mit Dreh klappe in Öffnungsstellung, Fig. 1 shows a schematic representation of a valve with a rotary valve in the open position,
Fig. 2 das Ventil nach Fig. 1 in Schließstellung, Fig. 2 shows the valve according to Fig. 1 in the closed position,
Fig. 3 eine andere Ausführungsform eines Ventils mit Dreh klappe in Schließstellung, Fig. 3 shows another embodiment of a valve with rotary door in the closed position,
Fig. 4 eine Variante des in Fig. 3 gezeigten Ventils in Schließstellung, Fig. 4 shows a variant of the valve shown in Fig. 3 in the closed position,
Fig. 5 einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausfüh rungsform eines Drehklappenventils senkrecht zur Drehachse, Fig. 5 shows a cross section through a preferred exporting approximate shape of a rotary flap valve perpendicular to the axis of rotation,
Fig. 6 einen Querschnitt durch das in Fig. 5 gezeigte Ven til in Richtung der Drehachse, Fig. 6 shows a cross-section through the in Fig. Ven 5 til shown in the direction of the axis of rotation
Fig. 7 ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah rens geeignetes Tellerventil am Ende der Schließbe wegung, Fig. 7 is a Rens suitable for carrying out the procedural invention poppet valve motion at the end of Schließbe,
Fig. 8 das in Fig. 7 gezeigte Tellerventil in der Be schleunigungsphase in noch geschlossenem Zustand, Fig. 8, the. Poppet valve shown in 7 of Be schleunigungsphase in Fig still in the closed state,
Fig. 9 das in den Fig. 7 und 8 gezeigte Tellerventil am Ende der Öffnungsbewegung, 9, the poppet valve shown. In the Figs. 7 and 8 at the end of the opening movement,
Fig. 10 eine schematische Seitenansicht eines Ventil der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Bauform mit in der obe ren Hälfte geschnittenem Ventilgehäuse und in der Bewegungsmitte befindlichem Ventilkörper, Fig. 10 is a schematic side view of a valve of the construction shown in Figs. 1 and 2 and present in the obe ren half cut valve housing and in the middle of the valve body movement,
Fig. 11 eine der Fig. 10 ähnliche Ansicht mit dem Ventil körper in der Endposition am Ende der Schließphase, Fig. 11 Fig. 10 similar view with the valve body in the end position at the end of the closing phase,
Fig. 12 eine den Fig. 10 und 11 ähnliche Ansicht mit dem Ventilkörper in der Endposition am Ende der Öff nungsphase,Opening phase Fig. 12 a in FIGS. 10 and 11 similar view with the valve body in the end position at the end of Publ,
Fig. 13 eine Seitenansicht auf eine Variante des in den Fig. 13 is a side view of a variant of the in the
Fig. 10 bis 12 gezeigten Ventils, Fig valve shown through 12. 10,,
Fig. 14 eine Draufsicht hierzu und Fig. 14 is a plan view thereof and
Fig. 15 eine schematische Darstellung der Ladungswechselka näle einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors, ausgestattet mit Ventilen zur Anwendung des erfin dungsgemäßen Verfahrens. Fig. 15 is a schematic representation of the Ladungswechselka channels of a combustion chamber of an internal combustion engine, equipped with valves for applying the inventive method.
Gleiche oder einander entsprechende Teile werden bei allen Ausführungsbeispielen mit gleichen Bezugszeichen gekennzeich net. The same or corresponding parts are common to all Embodiments marked with the same reference numerals net.
Die Fig. 1 und 2 zeigen in den Ladungswechselkanals eines Verbrennungsmotors einbezogen ein insgesamt mit 10 bezeichne tes Ventil mit einem Ventilgehäuse 12, das einen Durchström kanal 14 mit rechteckigem Querschnitt enthält. In der Längs mittelebene des Ventilgehäuses 12 ist eine Achse 16 angeord net, um die ein Ventilkörper 18 in Form einer Drehklappe be wegbar ist. Konzentrisch zur Achse 16 verlaufende, gekrümmte Wandungsabschnitte 20 und 22 erweitern den Durchflußquer schnitt des Ventilgehäuses 12 im Bereich der Achse 16, so daß durch den Übergang von den zur Durchflußrichtung D parallelen Seitenwänden 24 bzw. 26 zu den gekrümmten Wandungsabschnitten 20 und 22 Steuerkanten 28a und 28b bzw. 30a und 30b gebildet werden. Figs. 1 and 2 show in the charge changing channel of an internal combustion engine included a total of 10 denote tes valve having a valve housing 12 which includes a flow passage duct 14 with a rectangular cross-section. In the longitudinal median plane of the valve housing 12 , an axis 16 is net angeord, around which a valve body 18 in the form of a rotary flap can be moved. Concentric to the axis 16 , curved wall sections 20 and 22 extend the flow cross section of the valve housing 12 in the region of the axis 16 , so that through the transition from the parallel to the flow direction D side walls 24 and 26 to the curved wall sections 20 and 22 control edges 28 a and 28 b or 30 a and 30 b are formed.
Die Bewegung des Ventilkörpers 18 erfolgt durch einen ledig lich beispielsweise in den Fig. 10 bis 14 dargestellten An trieb, dessen praktische Ausführung frei ist, sofern er nur geeignet ist, die Bewegung des Ventilkörpers 18 derart mit einer Beschleunigungs- und einer Verzögerungsphase auszufüh ren, daß der Ventilkörper 18 zu einem hinsichtlich des Ver fahrensablaufs in der Brennkammer des Motors frei wählbaren Zeitpunkt die einander paarweise zugeordneten Steuerkanten 28a und 30a bzw. 28b und 30b auf dem Weg vom geöffneten zum geschlossenen Ventilzustand und in der Gegenrichtung jeweils mit hoher Geschwindigkeit passiert.The movement of the valve body 18 is effected by a single drive, for example shown in FIGS. 10 to 14, the practical design of which is free, provided that it is only suitable to execute the movement of the valve body 18 in such a manner with an acceleration and deceleration phase, that the valve body 18 at a freely selectable point in time with respect to the process sequence in the combustion chamber of the engine, the mutually assigned control edges 28 a and 30 a or 28 b and 30 b on the way from the open to the closed valve state and in the opposite direction each with a high Speed happens.
Der in den Fig. 10 bis 14 gezeigte Antrieb besteht aus einem zwischen zwei Endstellungen hin- und herbeweglichen Schieber 32, der mit einer Platte 34 fest verbunden ist, der im Bewe gungsbereich des Schiebers 32 zwei Elektromagneten 36 und 38 zugeordnet sind. Der Ventilkörper 18 ist außerhalb des Ven tilgehäuses 12 mit einer Kurbel 40 verbunden, deren freies Ende über einen Lenker 42 mit einem Ende des Schiebers 32 verbunden ist, wobei der Abstand der Elektromagnete 36 und 38 die Bewegungslänge des Schiebers 32 bestimmt und so bemessen ist, daß der Ventilkörper 18 sich bei Anlage der Platte 34 am Elektromagneten 36 in der in den Fig. 1 und 12 gezeigten Öff nungsstellung und bei Anlage der Platte 34 am Elektromagneten 38 in der in den Fig. 2 und 11 gezeigten Schließstellung be findet.The drive shown in Figs. 10 to 14 consists of a reciprocating between two end positions slider 32 which is fixed to a plate 34 , the movement range of the slider 32 two electromagnets 36 and 38 are assigned. The valve body 18 is connected outside the Ven tilgehäuses 12 with a crank 40 , the free end of which is connected via a link 42 to one end of the slide 32 , the distance between the electromagnets 36 and 38 determining the length of movement of the slide 32 and being so dimensioned that that the valve body 18 is in the plate 34 on the electromagnet 36 in the opening position shown in FIGS . 1 and 12 and when the plate 34 is on the electromagnet 38 in the closed position shown in FIGS . 2 and 11 be found.
Die Platte 34 ist mit einem Ansatz 44 zwischen zwei in Bewe gungsrichtung des Schiebers 32 beiderseits der Platte 34 an geordneten Zug- und Druckfedern 46 bzw. 48 eingespannt, die mit ihren von der Platte 34 abgewandten Enden an der die Ma gnete 36 und 38 tragenden Konstruktion befestigt sind. Die Federn 46 und 48 sind bestrebt, die Platte 34 in der aus Fig. 8 ersichtlichen Mittelstellung zu halten, so daß beide Federn die Annäherung der Platte 34 an den einen oder anderen Elek tromagneten durch kombinierte Zug- und Druckkräfte abbremsen, wodurch die Bewegungsenergie gespeichert und bei Freigabe der Platte 34 durch den einen Elektromagneten zur Beschleunigung der bewegten Teile und damit zur Unterstützung der An ziehungskraft des anderen Elektromagneten nutzbar gemacht werden kann.The plate 34 is clamped with a shoulder 44 between two in the direction of movement of the slide 32 on both sides of the plate 34 on ordered tension and compression springs 46 and 48 , the ends facing away from the plate 34 on which the solenoids 36 and 38 bear Construction are attached. The springs 46 and 48 endeavor to keep the plate 34 in the central position shown in FIG. 8, so that both springs brake the approach of the plate 34 to one or the other electromagnet by combined tensile and compressive forces, thereby storing the kinetic energy and when the plate 34 is released by one electromagnet to accelerate the moving parts and thus to support the attraction force of the other electromagnet can be used.
Der Übergang von der Öffnungs- in die Schließstellung und umgekehrt kann unter Berücksichtigung der physikalischen Kon stanten des Systems durch zeitliche Steuerung der Erregung der Elektromagnete 36 und 38 sehr genau bestimmt und den Er fordernissen des jeweiligen Betriebszustandes des Verbren nungsmotors exakt angepaßt werden.The transition from the open to the closed position and vice versa, taking into account the physical constants of the system by timing the excitation of the electromagnets 36 and 38, can be determined very precisely and the requirements of the respective operating state of the combustion engine can be adapted precisely.
Der beschriebene Antrieb erzeugt eine hin- und hergehende Bewegung des Ventilkörpers 18. Dadurch kommen nur die Steu erkanten 28a und 30a zum Einsatz. Es ist aber auch ein An trieb geeignet, der den Ventilkörper 18 stets in der gleichen Richtung dreht, so daß nach dem Passieren der Steuerkanten 28a und 30a und der Verzögerung des Ventilkörpers 18 in dem durch die gekrümmten Wandungsabschnitte 20 und 22 gebildeten Schließbereich nach erneuter Beschleunigung die Steuerkanten 28b und 30b passiert werden und dadurch der nächste Öffnungs zeitpunkt bestimmt wird. The drive described generates a reciprocating movement of the valve body 18 . As a result, only the control edges 28 a and 30 a are used. But it is also a drive suitable that always rotates the valve body 18 in the same direction, so that after passing the control edges 28 a and 30 a and the delay of the valve body 18 in the closing area formed by the curved wall sections 20 and 22 after Acceleration again the control edges 28 b and 30 b are passed and thereby the next opening time is determined.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Variante eines Drehschieberven tils, bei dem die Achse 12 am Rande des Durchströmquer schnitts des Ventils in einer Tasche 50 einer zur Achse 12 parallelen Seitenwand 21 angeordnet ist, dem ein zur Achse 12 konzentrischer, gekrümmter Wandungsabschnitt 22 gegenüber liegt. Die Tasche 50 dient zur Aufnahme des Ventilkörpers 18 in der geöffneten Stellung. FIGS. 3 and 4 show a variant of a Drehschieberven TIL's, in which the axis 12 is arranged at the edge of Durchströmquer section of the valve in a pocket 50 parallel to the axis 12 side wall 21, to which a to the axis 12 concentric curved wall section 22 opposite lies. The pocket 50 serves to receive the valve body 18 in the open position.
Zwischen der von der Achse abgewandten Kante 19 des Ventil körpers 18 und dem ihr zugewandten, den Schließbereich bil denden Wandungsabschnitt 22 ist bei diesem Ausführungsbei spiel eine Dichtung in Form eines Durchblicklabyrinths 52 bzw. 54 vorgesehen, das an der Kante 19 oder am Wandungsab schnitt 22 ausgebildet sein kann.Between the edge 19 of the valve body 18 facing away from the axis and the wall portion 22 facing it, the closing region bil end, a seal in the form of a look-through labyrinth 52 or 54 is provided in this embodiment, which cuts on the edge 19 or on the wall portion 22 can be trained.
Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Variante des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ventils. Dabei ist eine allgemein mit 70 bezeich nete rohrförmige Strömungsleitung mit beispielsweise kreis rundem Querschnitt im Bereich eines Gehäuses 72 getrennt, das zwei koaxiale Bohrungen 71 und 73 zur Aufnahme der voneinan der getrennten Rohrenden 74 bzw. 76 aufweist. Im Gehäuse 72 ist eine im Querschnitt rechteckige Kammer 75 ausgebildet, die zur Aufnahme einer rechteckigen Ventilklappe 78 geeignet ist. Diese Ventilklappe 78 kann als einfaches Stanzteil aus gebildet sein und ist mit einer Drehachse 80 verbunden, die in Lagern 82 und 84 an der Muffe 72 gelagert und auf einer Seite zur Verbindung mit einem Stell- oder Steuerungsmecha nismus aus dem Gehäuse 72 herausgeführt ist, das gegebenen falls auch in einer die Achse der Ventilklappe enthaltenden Ebene geteilt sein kann. FIGS. 5 and 6 show a variant of the valve shown in Figs. 1 and 2. A generally designated 70 tubular flow line with, for example, a circular cross-section is separated in the region of a housing 72 , which has two coaxial bores 71 and 73 for receiving the separate tube ends 74 and 76 , respectively. A chamber 75 with a rectangular cross section is formed in the housing 72 and is suitable for receiving a rectangular valve flap 78 . This valve flap 78 can be formed as a simple stamped part and is connected to an axis of rotation 80 which is mounted in bearings 82 and 84 on the sleeve 72 and on one side for connection to an actuating or control mechanism from the housing 72 which is led out if necessary, can also be divided in a plane containing the axis of the valve flap.
Der aus dem Gehäuse 72 herausgeführte Abschnitt der Drehachse 80 ist mit einem Bund 81 versehen, der als Widerlager für eine die Drehachse umgebende Druckfeder 83 bildet, die einen innerhalb des als lösbare Kappe ausgebildeten Lagers 84 an geordneten und an der Achse 80 ausgebildeten Dichtungsflansch 85 dichtend gegen die Innenseite des Lagers 84 drückt. The section of the axis of rotation 80 led out of the housing 72 is provided with a collar 81 , which forms an abutment for a compression spring 83 surrounding the axis of rotation, which seals a sealing flange 85 within the bearing 84 , which is designed as a releasable cap, on ordered and formed on the axis 80 presses against the inside of the bearing 84 .
Die Ventilklappe 78 hält ringsum einen so ausreichenden Ab stand von der Innenwandung des Gehäuses 72, daß dieser die freie Beweglichkeit sichernde Abstand auch nicht durch die im Betrieb unter Wärmeeinfluß zu erwartenden Maßänderungen über wunden werden kann.The valve flap 78 holds all around such a sufficient distance from the inner wall of the housing 72 that this freedom of movement ensuring distance can also not be overcome by the dimensional changes to be expected during operation under the influence of heat.
Beim gezeigten Beispiel verläuft die Ventilklappe 78 in ihrer Schließstellung senkrecht zur Durchflußrichtung bzw. Achse des Gehäuses 72 und in dieser Schließstellung liegt die Ven tilklappe 78 in Schließrichtung an ihr beiderseits der Dreh achse 80 zugeordneten, jeweils etwa U-förmigen Anschlagrahmen 90 und 92 an, deren Schenkel bis an die Drehachse 80 herange führt sind und dabei - um in der Öffnungsstellung eine zur Durchflußrichtung parallele Lage der Ventilklappe 78 zu er möglichen - mindestens einen der halben Dicke der Ventilklap pe 78 entsprechenden Abstand vom Drehzentrum einhalten.In the example shown, the valve flap 78 extends perpendicular to the flow direction or axis of the housing 72 in its closed position and in this closed position the Ven valve flap 78 lies in the closing direction on its axis 80 associated with it on both sides, each approximately U-shaped stop frame 90 and 92 , the legs of which are brought up to the axis of rotation 80 and - in order to enable a position of the valve flap 78 parallel to the direction of flow in the open position - maintain at least one half of the thickness of the valve flap pe 78 corresponding distance from the center of rotation.
Mit dieser Konstruktion läßt sich mit einfachen, kostengün stigen Mitteln ein Ventil schaffen, bei dem in der geschlos senen Endstellung der Ventilklappe 78 eine stirnseitige Ab dichtung erfolgt, die auch hohen Drücken standhalten kann.With this construction, a valve can be created with simple, cost-effective means, in which in the closed end position of the valve flap 78 there is an end face seal which can withstand high pressures.
Die Fig. 7 bis 9 zeigen, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch auf Tellerventile angewandt werden kann. Der den Ven tilkörper 18 bildende Ventilteller weist einen einem koni schen Ventilsitz 23 in einem das Ventilgehäuse 12 darstellen den Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors zugeordneten koni schen Abschnitt 25 auf, an den sich auf der vom Ventilschaft 27 abgewandten Seite ein zylindrischer Abschnitt 29 an schließt, dem als Schließabschnitt ein zylindrischer Wan dungsabschnitt 22 im Anschluß an den konischen Ventilsitz 23 zugeordnet ist. FIGS. 7 to 9 show that the inventive method can also be applied to poppet valves. The valve body forming the Ven valve body 18 has a conical valve seat 23 in a valve housing 12 representing the cylinder head of an internal combustion engine associated conical section 25 , to which on the side facing away from the valve stem 27 a cylindrical section 29 joins, which as Closing section is a cylindrical Wan extension section 22 associated with the conical valve seat 23 .
Wenn sich der Ventilkörper 18 aus der in Fig. 7 gezeigten, am Ende der Schließphase erreichten Endstellung bewegt, bleibt das Ventil so lange geschlossen, so lange sich der zylindri sche Abschnitt 29 - wie in Fig. 8 gezeigt - im Bereich des zylindrischen Wandungsabschnitts 22 bewegt. Erst wenn der Abschnitt 29 die den Wandungsabschnitt 22 an seinem vom Ven tilsitz 23 abgewandten Ende begrenzende Steuerkante 28c pas siert, um die in Fig. 9 gezeigte andere Ventilendstellung zu erreichen, wird das Ventil geöffnet. Während der Schließbe wegung wird das Ventil geschlossen, sobald der zylindrische Abschnitt 29 die Steuerkante 28c passiert und in den durch den Wandungsabschnitt 22 gebildeten Schließabschnitt ein dringt, wo die Bewegung verzögert wird, bis der Ventilkörper 18 am Ventilsitz 23 anliegt.When the valve body 18 moves from the end position shown in FIG. 7, reached at the end of the closing phase, the valve remains closed as long as the cylindrical portion 29 - as shown in FIG. 8 - in the region of the cylindrical wall portion 22 emotional. Only when the section 29 passes the wall section 22 at its end facing away from the valve seat 23 end of the control edge 28 c pas siert to achieve the other valve end position shown in Fig. 9, the valve is opened. During the closing movement, the valve is closed as soon as the cylindrical section 29 passes the control edge 28 c and penetrates into the closing section formed by the wall section 22 , where the movement is delayed until the valve body 18 bears against the valve seat 23 .
Die Fig. 13 und 14 zeigen eine Variante der in den Fig. 10 bis 12 gezeigten Ausführungsform, durch welche die mechani sche Beanspruchung durch die angreifenden Kräfte reduziert wird. Zu diesem Zweck ist die Kurbel 40 über die Achse 16 hinaus durch einen Kurbelarm 41 verlängert, an dem eine Zug- und Druckfeder 46 angreift, deren anderes Ende an einem rela tiv zum Ventilgehäuse 12 ortsfesten Punkt angreift. Auf der von der von der Kurbel 40 abgewandten Seite des Ventilgehäu ses 12 ist ein weiterer Kurbelarm 43 mit der Achse 16 verbun den, an dem eine jeweils gegensinnig zur Feder 46 bean spruchte Feder 48 angreift, deren anderes Ende ebenfalls mit einem relativ zum Ventilgehäuse ortsfesten Punkt befestigt ist. Figs. 13 and 14 show a variant of the embodiment shown in FIGS. 10 to 12, by which the mechanical stress is reduced by the specific acting forces. For this purpose, the crank 40 is extended beyond the axis 16 by a crank arm 41 , on which a tension and compression spring 46 engages, the other end of which engages at a fixed point relative to the valve housing 12 . On the side facing away from the crank 40 of the Ventilgehäu ses 12 is a further crank arm 43 with the axis 16 verbun, on which a spring 48 attacked in opposite directions to the spring 46 bean 48 , the other end of which also has a fixed position relative to the valve housing Point is attached.
Die Fig. 15 zeigt eine Brennkammer 50 eines Verbrennungsmo tors, mit zwei Ladungswechselkanälen 52 und 54, deren Einmün dung in die Brennkammer 50 jeweils mit einem Tellerventil 56 bzw. 58 versehen ist. Der Ladungswechselkanal 52 erstreckt sich zwischen einem Luftverteiler 60 und dem als Einlaßventil dienenden Tellerventil 56; er besitzt eine Länge l₁. Der Ladungswechselkanal 54 verläuft zwischen dem als Auslaßventil dienenden Tellerventil 58 und einem Abgassammler 62; er be sitzt die Länge 12. Im Ladungswechselkanal 52 befindet sich dem Einlaßventil vorgeschaltet ein frei steuerbares Ventil 10, das dem in Fig. 1 gezeigten Ventil entspricht und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann. Fig. 15 shows a combustion chamber 50 of a combustion engine, with two gas exchange channels 52 and 54 , the mouth of which is provided in the combustion chamber 50 with a poppet valve 56 and 58 , respectively. The charge exchange channel 52 extends between an air distributor 60 and the poppet valve 56 serving as an inlet valve; it has a length l 1. The charge exchange channel 54 runs between the poppet valve 58 serving as an outlet valve and an exhaust manifold 62 ; he sits the length 12 . A freely controllable valve 10 , which corresponds to the valve shown in FIG. 1 and can be operated by the method according to the invention, is located upstream of the inlet valve in the gas exchange channel 52 .
Grundsätzlich ist es aber auch möglich und anhand der Fig. 7 bis 9 oben erläutert, die Tellerventile 56 und/oder 58 eben falls nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu betreiben.In principle, however, it is also possible, and explained with reference to FIGS. 7 to 9 above, to operate the poppet valves 56 and / or 58 just in accordance with the method according to the invention.
Die Längen l₁ und/oder l₂ können so gewählt werden, daß die Eigenfrequenz der Gasschwingung in jedem dieser Ladungswech selkanälen, zur Nutzung gasdynamischer Wechselwirkungen in Bezug auf den Ladungswechsel, auf eine bestimmte Frequenz des Ladungswechsels der jeweiligen Brennkammer abgestimmt ist. So ist bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung die Länge l₁ des Saugkanals auf hohe Motordrehzahlen abgestimmt, so daß z. B. bei hohen Drehzahlen eine Schwingrohraufladung erfolgt, wenn das Ventil 10 zur Entlastung stets in der Öff nungsstellung gehalten wird. Bei niedrigen Drehzahlen wird dann die Ventilbewegung zur Verbesserung des Ladungswechsels wieder aktiviert.The lengths l 1 and / or l 2 can be chosen so that the natural frequency of the gas oscillation in each of these charge exchanges is channeled, in order to use gas-dynamic interactions in relation to the charge exchange, is matched to a specific frequency of the charge exchange of the respective combustion chamber. So in a particularly advantageous embodiment, the length l₁ of the suction channel is matched to high engine speeds, so that, for. B. at high speeds, a swinging tube charging takes place when the valve 10 is always held in the opening position for relief. At low speeds, the valve movement is then reactivated to improve the gas exchange.
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Applications Claiming Priority (2)
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Country Status (1)
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