DE2009461A1 - Schließen und Offnen von nockenge steuerten Ventilen mit Hilfe von Flussig keitsdruck - Google Patents

Description

Wilfried Kölker

4904 Enger - Boenkamp 1. Juli 1970

Rosenweg 106

Deutsches Patentamt
8000 München 2
Zweibrückenstraße 12

Aktenzeichen ι P 20 09 461. 5

Betrifft : Viertakt - Brennkraftmaschinen, Beschreibung zur Patentanmeldung 1

Schließen und Öffnen von nockengesteuerten Ventilen mit Hilfe von Flüssigkeitsdruck.

Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung von Druckkräften geeigneter Flüssigkeiten zum Schließen und zum Öffnen nockengesteuerter Ventile, besonders der Gasweohselventile von Viertakt - Brennkraftmaschinen.

Der zum Schließen der Ventile benutzte Flüssigkeitsdruck soll die Ventilfedern ersetzen und so regelbar sein, daß er mit zunehmender Drehzahl erhöht und den Massenkräften dee Ventiltriebs angepaßt werden kann.
Mit der Erfindung soll erreioht werden : ·

1. Einsparen der Ventilfedern.

2. Verbesserte Führung, Kühlung und Schmierung der Ventilschäfte.

3. Einfachere Umlenkung der Ventilöffnungskräfte, besonders bei verschiedenen Ventilwinkeln.

4. Verminderung von Kraftaufwand, Verschleiß und Geräuschentwicklung.

Bei den zur Zeit bekannten Viertakt - Hubkolben - Brennkraftmaschinen werden zur Steuerung des Gaswechsels Ventile benutzt, mit denen die in die Brennräume einmündenden Gaskanäle ( Einlaß - und Auslaßkanäle) abgedichtet und nach Bedarf geöffnet werden.

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Die Einmündung eines jeden Gaskanals wird von einem zum Kanal hin verjüngten Ventilsitzring umschlossen, in welchen der Ventilteller des zmr Abdichtung des Kanals dienenden Ventils genau passen muß. An dem Ventilschaft, in den der Teller an seiner dem Brennraum abgewandten Seite ausläuft, wird das Ventil so geführt, daß es nach dem Öffnen stets in seine Ausgansstellung zurückkehrt und den Gaskanal wieder dicht verschließt.

Zu diesem Zeck ist in die der Einmündung gegenüberliegende Wand des Gaskanals eine VentiIführungsbuchse eingebaut, deren Achse in Rieh tung auf den Mittelpunkt des Sitzrings verläuft. Der Ventilschaft gleitet in dieser Buchse, sein freies Ende ragt ein Stück darüber hinaus. Um die beim Öffnen und Schließen des Ventils auf den Ventilschaft einwirkenden Seitenkräfte abzufangen, muß die VentiIführungsbuchse ausreichend lang bemessen werden.

Die Einbaumaße dieser Teile müssen sowohl auf ein ungehindertes Gleiten des Ventilschaftes in der Führungsbuchse als auch auf eine gute Abdichtung des Gaskanals ausgerichtet werden. Zur Feinabdichtung, zum Schutz vor Reibung und zur Kühlung wird der Buchse Schmieröl züge führt. Die Erhaltung und die ständige Erneuerung des dünnen Ölfilms zwischen Ventilschaft und Führungebuchse ist wegen der nur geringen Spaltweite zwischen diesen Teilen besonders schwierig, aber eine Verstärkung des Ölfilms durch Vergrößerung der Spaltweite führt in der Regel nur dazu, daß große Mengen von Schmieröl am Ventilschaft vorbei in die Gaskanäle gelangen und dort verlorengehen.

Die Schmierung der Ventilführungebuchsen kann nur durch ständigen und schnellen Austausch des Schmieröls gesichert werden, der auch deshalb notwendig ist, weil an dieser Stelle der Maschine dem Öl der Hauptanteil der Wärmeableitung zufällt, denn ein beträchtlicher Teil der am Ventilteller anfallenden Wärmemenge gelangt über den Ventilschaft zur

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Piihrungebuchee und zu dem hier vorhandenen Schmieröl. Die Auelaßventile thermisch hoch belasteter Brennkraftmaschinen «erden deshalb hohlgebohrt und zu einem Teil des Hohlraums mit Natrium ausgefüllt. Natrium ist ein guter Wärmeleiter und wird schon bei normaler Betriebstemperatur des Ventils flüssig. Durch die Ventilbewegungen wird es dann geschüttelt und transportiert dabei die Wärme schnell und gleichmäßig von Aen heißen zu den kühleren Zoijen des Ventils. Einlaßventile benötigen diese kostspielige Innenkühlung nicht. Ein strömende Frischgase und zerstäubte Kraftstoffe entziehen ihnen soviel Wärme, daß an ihren Führungsbuchsen in der Regel keine kritischen Temperaturen auftreten. . Bei Auslaßventilen dagegen, deren Schäfte und Führungsbuchsen zusätzlich durch ausströmende Abgase erhitzt «erden, besteht die Gefahr, daß bei zu hohen Temperaturen am Ventilschaft haftendes Öl verschmort und Ölkohle hinterläßt, die den Schmierfilm in der Führungsbuchse νβrun reinigt oder zerstört und Reibung verursacht.

In den thermisch nahezu ausgelasteten Führungebuchsen der Auslaßven tile führt aber jeglich« trockene Materialreibung iu einem übermäßigen Wärmestau, der in sehr kurzer Zeit das Material zur Dehnung bringt und. dadurch den Ventilschaft in der Buchse festklemmt.Da die Ventilöfif nungskräfte stets größer sind als die Schließkräfte, klemmt das Ventil in fast allen Fällen gerade dann, wenn es voll geöffnet ist, und kol lidiert in dieser Stellung mit dem Kolben. Um diese Gefahrenquelle auszuschalten, müssen alle ihre Komponenten wie Werkstoffe, Oberflächen bearbeitung, Einbaumaße, Schmierung und Kühlung so aufeinander abgestimmt werden, daß auch bei hoher Sauerbelastung ein leichtes Gleiten deβ Ventilschaftee möglich ist.

Die Ventile werden mit Hilfe von elastischen, meistens schraubenfor migen Stahlfedern geschlossen, die sich gegen ein« am freien Ende des

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Ventilschaftes angebrachte Haltevorrichtung abstützen und die mit so berechneter Vorspannung eingebaut sind, daß sie bei geschlossenem Ventil den zum Abdichten des Geskanals nötigen Andruck des Ventiltellers an seinen Sitsring bewirken. Die Ventilfedern müssen so hart sein, daß ihre Kräfte die im Ventiltrieb entstehenden Massenkräfte auch dann noch sicher beherrschen, wenn die vorgesehene Höchstdrehzahl der Ma schine geringfügig überschritten wird.

Harte Ventilfedern erfordern jedoch große Ventilöffnungekräfte und erhöhen den Verschleiß des Ventiltriebs. Bei den meisten in Großserien gebauten Brennkraftmaschinen werden deshalb die Ventilfedern nur so hart wie nötig gewählt. Wenn bei diesen Maschinen dann nachträglich eine vom Hersteller nicht vorgesehene Leistungs - und Drehzahlsteigerung vorgenommen wird, ist damit zu rechnen, daß die serienmäßig montierten Ventilfedern den erhöhten Anforderungen nicht standhalten. Bei Drehzahlen, die über das vom Hersteller benannte Maximum hinausgehen, entsteht dann zuweilen ein Ventilflattern, durch das der Gaswechstl der Maschine außer Kontrolle gerät.

Ursach· dieser Erscheinung ist das Unvermögen der Ventilfedern, die bei überhöhten Drehzahlen sehr starken Schwingungen des Ventiltriebs und auch der Federn selbst noch immer rechtzeitig abzufangen. Für sehr hoch drehende Maschinen werden darum anstelle der üblichen Sohraubtnfedern sogenannte Haarnadelfedern bevorzugt, die infolge geringerer Eigenschwingungen eine höhere Flattergrenze aufweisen. Ihre räumliche Unterbringung und ihre Abstützung erfordern allerdings ge genüber den Schraubenfedern einen größeren Aufwand.

Die Bruchsicherheit dieser beiden Arten von Ventilfedern zeigt keine merklichen Unterschiede, zumal Federbrüche dank der Qualität der zur Zeit verfügbaren Federstähle verhältnismäßig selten geworden sind. Während aber bei früheren, seitengesteuerten Brennkraftmaschinen

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gelegentlich vorkommende Federbrüche keine unbedingte Gefahr für die stehend angeordneten Ventile bedeuteten, enden sie bei modernen, obengesteuerten Maschinen fast immer mit der Zerstörung des Ventils durch den Kolben.

Die Verwendung von zwei gegenläufig gewickelten, ineinanderstehenden Schraubenfedern ist der wirksamste Schutz gegen die Folgen eines Fe derbruchs, der zur Zeit bekannt ist. Dieae Bauweise hat die Vorteile, daß der Bruch einer einzelnen Feder das Ventil nicht völlig außer Be trieb setzt, und daß sich die Teilstücke der gebrochenen Feder nicht' in den Windungen der intakt gebliebenen Feder verklemmen. Da sich diese Ventilfederung neben großer Betriebssicherheit auch durch verhältnismäßig geringe Kosten auszeichnet, wird sie heute allgemein bevor zugt. -

Wie sehr dagegen die Herstellungskosten der Verbreitung fortschritt licher technischer Lösungen entgegenstehen können, zeigt das Beispiel der Drehstab - Ventilfederung ι Obwohl Drehstabfedern nahezu flatterfrei arbeiten und eine bessere Federungacharakteristik besitzen als Schraubenfeiern, haben sie, außer bei einigen kleinen Motortypen von Panhard und Citroen, wegen ihrer hohen Kosten keine Anwendung im Serienbau von Brennkraftmaschinen gefunden.

Das Öffnen und Schließen der Ventile wird durch Nocken gesteuert, die auf den mit halber Kurbelwellendrehzahl umlaufenden Nockenweilen als über den Wellenradius hinausragende Ausbuchtungen so angeordnet sind, daß sie bei jeder Umdrehund der Nockenwelle einmal die ihnen zugeordneten Ventile entweder direkt oder über einen Hebelaechanismus betätigen. Die Bauweise des Ventiltriebs richtet sich danach, an welchen Stellen der Maschin· die Nockenwellen und die Ventile plaziert sind. Bei seitengesteuerten Maschinen, die heute nicht mehr gebaut werden, standen die Schäfte der neben den Zylindern in einer Reihe angeordneten

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Ventile in becherförmigen Stößeln direkt auf der im Kurbelgehäuse untergebrachten Nockenwelle, die von der Kurbelwelle über Zahnräder angetrieben wurde. Dieser einfache Ventiltrieb war unempfindlich und geräuscharm, aber er begrenzte die Möglichkeiten, mit Hilfe eines größeren Gasdurchsatzes die Maschinenleistung zu steigern, denn die über den Ventilen ausgebuchteten Brennräume und die von unten her in diese Ausbuchtungen einmündenden Gaskanäle ergaben bei ansteigenden Drehzahlen einen zunehmend ungünstigeren Ablauf der Gaswechsel - und Verbrennungsvorgänge .

Dennoch waren die geringen Kosten dieses Ventiltriebs für einige Motorenwerke Anlaß genug, die damit ausgerüsteten Maschinen noch jahrelang gegen die Konkurrenz leistungsfähigerer, obengesteuerter Masciinen weiterzubauen, deren Ventile im Zylinderkopf hängend angeordnet waren. Bei hängenden Ventilen entfielen die störenden Ausbuchtungen der Brennräume, und auch die Gaskanäle ließen sich strömungsgünstiger gestalten. Nockenwellen und Stößel blieben zunächst an ihrem bisherigen Platz im Kurbelgehäuse. Ihr großer Abstand zu den Ventilschäften wurde durch Stoßstangen überbrückt, und die Ventilöffnungskräfte wur- > den mit Hilfe von Kipphebeln zu den Ventilschäften umgelenkt.

Durch die Aufhängung der Ventile im Zylinderkopf wurden Gaswechsel und Verbrennung derart verbessert, daß die Maschinen nun wesentlich höhere Leistungen und Drehzahlen erreichen konnten. Mit den Drehzahlen wuchsen aber wiederum die Massenkräfte der zahlreichen Bauteile dieses Ventiltriebs. Die Massenkräfte mußten aufgefangen werden durch Einbau entsprechend harter Ventilfedern, die jedoch größere Ventilöffnungekräfte und eine Verstärkung der Stoßstangen und der Kipphebel notwendig machten. Bei Maschinen mit großem Kolbenhub und verhältnismäßig kleiner Zylinderbohrung hatte zudem die für Stoßstangen - Ventiltriebe übliche, parallele Anordnung der Ventile den Nachteil, daß für den

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steigenden Gasdurchsatζ bei hohen Drehzahlen die Ventile zu kleine Öffnungsquerschnitte hatten. Zudem stellte sich bei genauerer Erforschung der Gaswechselvorgänge heraus, daß die durch parallelstehende Ventile bedingte Lage der Gaskanäle bei jedes Gaswechsel starke Richtungsänderungen der Gasströmungen erfordert und die schnelle, gründliche Spülung und Füllung der Zylinder behindert.

Obwohl diese Nachteile seit langer Zeit offenkundig sind, wird noch die überwiegende Mehrzahl aller Brennkraftmaschinen mit Stoßstangen Ventiltrieben gebaut. Einigen dieser Maschinen- gelingen Drehzahlen bis zu etwa 6000 Umdrehungen pro Minute, aber in dieeem Drehzahlbereich summieren sich dann mechanische und strömungstechnische Probleme so «ehr, daß sich hier die Grenze der Leistungsfähigkeit von Stoß stangen - Ventiltrieben abzuzeichnen scheint. Sie sind aber weiterhin dort wirtschaftlich, wo es nicht auf eine hohe Literleistung der Maschinen ankommt und sich deren absolute Leistung aus einem großen Hubraum gewinnen läßt.

In den USA sind deshalb alle zur Zeit in Großserien gebauten V 8 Zylinder - Maschinen mit Stoßstangen - Ventiltrieben ausgerüstet, mit denen es möglich ist, alle Ventile einer solchen Maschine von nur einer Nockenwelle aus zu steuern.

Während aber in den USA eine der modernsten Haschinen, der mit einer obenliegenden, zahnriemengetriebenen Nockenwelle ausgerüstete Fotiac Reihensechszylinder, der mit 250 SAE - FS aus 4096 ecm Hubraum keineswegs leistungsschwach war und zudem sehr geräuscharm arbeitete, von Genaral Motors zum Jahresende 1969 wieder aufgegeben wurde, gehen in europäischen Ländern die Motorenwerke immer mehr dazu über, die Nockenwellen ihrer Maschinen auf den Zylinderköpfen in der Nähe der Ventilschäfte anzuordnen. Bei dieser Bauweise entfallen Stößel und Stoßstangen. Die Massen des Ventiltriebs werden dadurch so reduziert, daß ihre

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van.

Kräfte auch bei höheren Drehzahlen zu beherrschen sind. Die eingesparten Kosten für Stößel und Stoßetangen decken etwa den erhöhten Aufwand für den umständlicheren Zahnrad -, Ketten - oder Zahnriemenantrieb der nun weiter von der Kurbelwelle entfernt gelagerten Nockenwelle. Für die in Europa vorherrechenden Brennkraftmaschinen mit nur einer Zylinderreihe, die nach wie vor nur eine Nockenwelle benötigen, bringt dieser Ventiltrieb erhebliche Vorteile : Die Brennräume können als flache Kegel oder als Kugelausschnitte geformt werden, in denen große Ventile und weite Gaskanäle einander in einer Ebene im Winkel gegenüberstehen ψ und die Gasströmungen zweckmäßig führen. Da in so geformten Brennräumen, in denen es keine toten Winkel gibt, das verdichtete Kraftstoff Luftgemisch schneller, gleichmäßiger und gründlicher verbrennt, wird auch die Energie der Kraftstoffe besser genutzt.

Sie Nockenwelle kann mitten über der Zylinderreihe in gleichen Abstand von beiden Ventilreihen gelagert werden, und die Nocken können über Kipphebel die Ventile betätigen. Zu diese* Zweck müssen aber die Kipphebel gekröpft werden, und zu ihrer Lagerung sind zwei Kipphebelwellen nötig. Nockenwelle und Kipphebelwellen liegen dann dicht beieinander und beanspruchen soviel Platz, daß der Zugang zu den Zündkerzen behindert ist tind die Zündkerzen nicht immer an ihrem günstigsten Platz unterzubringen sind.

Viele Hochleistungsmaschinen, bei denen es neben der bestmöglichen Gestaltung der Brennräume und der Gaskanäle auch darauf ankommt, die !fassen des Ventiltriebs so gering wie möglich zu halten, haben heute für jede Zylinderreihe zwei Nockenwellen, die direkt über den Ventilreihen liegen und deren Nocken lediglich,über kleine, becherförmige Stößel auf die Ventilschäfte wirken.

Die Übertragung der Ventilöffnungekräfte kann auf diese einfache Weise erfolgen, solange die dabei bevorzugte Anordnung der Ventile in einer

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gemeinsamen Ebene beibehalten wird. Wenn aber in absehbarer Zeit weitere Firmen dem für hervorragende Laufeigenschaften, bei hoher spezifischer Leistung richtungweisenden Beispiel der Bayrischen Motorenwerke folgen und ähnlich wie bei deren 2500 / 2800 - Sech«zylindern die Graskanäle schräg oder tangential in die Brennräume einmünden lassen und die Ventile in verschiedenen Winkeln ohne gemeinsame Ebnne anordnen, werden sie zur Lenkung der Ventilöffnungskräfte wieder Kipp oder Schlepphebel benutzen müssen, ohne die eine mechanische Betätigung solcher Ventile auch mit zwei Nockenwellen pro Zylinderreihe nicht möglich ist. ■

Nach einer gewissen Betriebsdauer wird es notwendig, den Ventiltrieb um den inzwischen entstandenen Verschleiß seiner Bauteile nachzustellen. Wenn nicht, zum Beispiel durch hydraulische Stößel, Abstände der Bauteile automatisch ausgeglichen werden, muß das Nachstellen von Hand erfolgen. Diese Arbeit nimmt meistens viel Zeit in Anspruch, denn sie kann mit ausreichender Genauigkeit nur bei abgekühlter Maschine durchgeführt werden, und bei vielen Maschinen ist der Zugang zu den Ein Stellvorrichtungen erst nach einer Demontage von Luftfiltern, Zylinderkopfdeckeln und anderen Bauteilen, möglich.

Die obengenannten Probleme und Nachteile derzeitiger Ventiltriebe ergeben sich aus der Führung und Kühlung der Ventilschäfte, dem Verhalten der Ventilfedern, der Anordnung der Nockenwellen und der Lenkung der Ventilöffnungskräfte.

Die Erfindung soll die zum Schließen und zum Öffnen der Gaswechsel Ventile dienenden Vorrichtungen verbessern. Mit wenigen, unkomplizierten Bauteilen soll ein betriebssicherer, wartungsfreier und geräuscharm arbeitender Ventiltrieb geschaffen werden.

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Da* Neue Der Erfindung ist, daß die Ventile nicht mit Hilfe von Ven tilfedern, sondern durch die Druckkräfte geeigneter Flüssigkeiten , ( Schmieröle ) geschlossen werden. Auch die Ventilöffnungskräfte der Nocken werden durch Flüssigkeiten übertragen und zu den Ventilschäften gelenkt.

Die beiliegende Schnittzeichnung zeigt ein Gaswechselventil A , das an seinem Schaft durch eine kurze Führungsbuchse und zusätzlich durch den Kolben C geführt wird, der auf ein Gewinde am freien Ende des Ventilsohafts aufgeschraubt und mit einer Gegenmutter gesichert ist. Die Buchs· B dient zur Abdichtung des Raumes G , der mit Schmieröl gefüllt ist, das in einem vom Haupt - Ölatrom der Maschine getrennten Nebenstrom von einer Pumpe ständig ausgetauscht und mit Hilfe eines beliebigen, elastischen Druckreglers unter einem entweder gleichbleibenden oder mit wachsender Drehzahl zunehmenden Druck gehalten wird. Durch die Druckkräfte des Öls, die auf den Kolben C wirken, wird das Ventil geschlossen. Der ständige Austausch des Öls sorgt für eine schnelle Ableitung der Wärme vom Ventilschaft und von der Buchse B . Zwischen der Buchse B und der Ventilführungsbuchse kühlt und schmiert •in zweiter, druckloser Ölstrom den Ventilschaft und die beiden Buchsen. Die Kanäle dieses Ölstroms sind so gestaltet, daß sie eine Überlaufleitung für überschüssiges öl des Hauptstrome bilden, das in der Nähe des Ventilschafte zugeführt wird und von dort zum Baum F fließt, dem es ausfüllt und an dessen höchstgelegenem Punkt es durch einen bei geschlossenem Ventil offenstehenden Überlaufkanal wieder ausfließen kann.

Wenn der Nocken aufläuft und mit Hilfe des Stößels D den Kolben E zum Raum F drängt, dichtet der Kolben £ zunächst die hier einmündenden Ölkanäle ab und übt danach über das dann im Raum F eingeschlossene öl amf den Kolben C und auf den Ventilschaft einen Druck aus, der größer

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ist als der ihm entgegenwirkende Öldruck im Raun G . Dadurch wird daa Öl im Saum G zurückgedrängt, und da« Ventil wird entsprechend den Volumen des Vom Kolben E nach dem Abdichten der Ölkanäle rerdrängten Öls geöffnet. .

Beim Ablaufen des Nockens wirkt der Druck des Öls im Baum G über den Kolben C auf das Öl im Raum P und drängt dadurch den Kolben E und den Stößel D solange fest an den Nocken, bis der Kaiben £ die ölkanäle freigibt und der Öldruck im Raum F zusammenbricht. Damit die Ölkanäle bis zum nächsten Auflaufen des Nocken» geöffnet bleiben, ist an dem Kolben E ein dünner Schaft angesetzt, der in einer Bucheβ so geführt wird, daß auf seine Stirnfläche der im Raum G Tor handene Öldruck wirkt, auf den der Durchmesser des Schaftes so abgestimmt ist, daß der Stößel D bei geschlossenem Ventil nur mit leich tem Andruck am Nocken anliegt.

Zur Wartung dieses Ventiltriebs, der keine komplizierten Bauteile enthält und mit geringen Kosten für alle Viertakt - Brennkraftma schinen benutzt werden kann, ist lediglich ein regelmäßiges Wechseln des Schmieröls erforderlich»

Enger - Besenkamp, 01. Juli 1970

im

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Claims (1)

1. Wilfried Kölker ή£

   4904 Enger - Beaenkaap
   Roeenweg 106

   Deutsches Patent·»t
   8000 München
   Zweibrüokenstrafie 12

   Aktenzeichen P 20 09 461.5 F011 9-02 144 9- 02 1300
   2009641 AT 28. 02. 70 -

   Bes.1 Schließen und öffnen ron nockengesteuerten w Ventilen mit Hilfe ron Flüssigkeitsdruck.

   100000
   452544OD4

   ArmeIder : Kölker, Wilfried, 4904 Enger - , Erfinder : 1st der Anmelder.

   Der Anmelder erhebt folgenden Patentanspruch t

   Geschützt werden sollen Torrichtungen sur Steuerung der Gasweohsel Ventile von Viertakt - Brennkraftmaschinen,

   gekennzeichnet durch einen am Ventilschaft befestigten Kolben, auf den dl· sum Sohlieflen und zum öffnen des Ventils erforderlichen KrKfte durch Flüssigkeitsdruck übertragen werden.

   Enger - Besenkamp, 01. Juli 1970

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   INSPECTS*