<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft ein hydraulisch betätigbares Ventil mit steuerbarem Hub für Brenn- kraftmaschinen, insbesonders Gemischeinblaseventil, mit einer fest mit einem Ventilschaft verbun- denen Anschlagfläche und mit einem Anschlag, der mit der Anschlagfläche zusammenwirkt und der den maximalen Ventilhub begrenzt. Solche Ventile erlauben es beispielsweise besonders hohe thermische Wirkungsgrade von Brennkraftmaschinen zu erzielen. Es wird dabei am Beginn des Arbeitstaktes dem jeweiligen Zylinder ein bestimmtes Gasvolumen entnommen und in einem Gas- speicher zwischengespeichert. Der Kraftstoff wird in diesen Zwischenspeicher eingespritzt. Auf diese Weise steht fast die gesamte Dauer eines Arbeitszyklusses der Brennkraftmaschine für die Verteilung des Kraftstoffes im Speichervolumen zur Verfügung.
Die Öffnung des Ventiles erfolgt während des nächsten Kompressionstaktes.
Aus der DE 22 19 452 A ist ein geregeltes Kraftstoffdruckventil zur Regelung einer Kraftstoff- durchflussmenge bekannt, welches einen Kolben mit einer Anschlagfläche aufweist. Diese An- schlagfläche wirkt mit einer ventilfesten Gegenfläche zusammen, wodurch der maximale Ventilhub begrenzt ist. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass es zur Anpassung des Einspritzvorganges an die verschiedenen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine notwendig und wünschenswert ist, wenn der maximale Ventilhub einstellbar ist.
Aus der WO 89/01568 A1 ist ein Einblaseventil für eine Brennkraftmaschine bekannt, welches zum Schliessen einen treibstoffbeaufschlagten Hydraulikkolben aufweist, welcher gegen die Kraft einer Feder wirkt. Ein verstellbarer Anschlag zur Veränderung des maximalen Ventilhubes ist nicht vorgesehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Ventil zu schaffen, bei dem der maximale Ventilhub an die jeweiligen Betriebszustände angepasst und genau eingestellt werden kann. Dabei ist besonders zu beachten, dass es durch unterschiedliche Wärmedehnungen, Verschleiss etc. nicht zu einer Beeinträchtigung der Genauigkeit der Einstellung kommt.
Erfindungsgemäss ist daher vorgesehen, dass ein motorisch über eine Rutschkupplung ange- triebener Anschlagnocken vorgesehen ist, der mit der Anschlagfläche zusammenwirkt, wobei durch Verdrehung des Anschlagnockens um einen vorbestimmten Winkel der maximale Ventilhub einstellbar ist und wobei der Anschlagnocken auch in der geschlossenen Stellung des Ventils in Berührung mit der Anschlagfläche bringbar ist, und dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine den Antrieb des Anschlag- nockens steuert.
Das Ventil weist auf diese Weise stets zwei Endstellungen auf, die einerseits durch das Auf- sitzen des Ventiltellers auf dem Ventilsitz und andererseits durch den Anschlag der Anschlagfläche definiert sind. Der Anschlagnocken ist dabei so angeordnet, dass er auch bei geschlossenem Ventil mit der Anschlagfläche in Berührung gebracht werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, dass der Anschlagnocken nach jedem Arbeitshub des Ventils in eine Ausgangsstellung zurück- kehrt, in der der Anschlagnocken bei geschlossenem Ventil an der Anschlagfläche anliegt. Dies ergibt eine wohldefinierte Ausgangsposition für die Bemessung der Drehbewegung des Anschlag- nockens, die zur Begrenzung der nächsten Öffnung des Ventils durchgeführt wird. Auf diese Weise können unterschiedliche Wärmedehnungen und Verschleiss ausgeglichen werden.
Vorzugsweise erfolgt der Antrieb des Anschlagnockens durch einen Elektromotor, vorzugs- weise einen Schrittmotor. Es wird dadurch ein schnelles Ansprechen des Verstellmechanismus auf die Steuerimpulse erreicht. Je nach der erforderlichen Genauigkeit und dem Einsatzgebiet kann ein gewöhnlicher Servomotor oder ein Schrittmotor eingesetzt werden.
Besonders vorteilhaft ist, wenn für eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine ein einzelner Motor für die Betätigung mehrerer Anschlagnocken in den Ventilen für verschiedene Zylinder vorgesehen ist. Es ergibt sich dadurch eine wesentliche Vereinfachung und eine Ersparnis an aufwendigen Bauteilen, sowie eine Verringerung des Regelaufwandes. Es wird dabei die Rückstellung aller Nocken und die Erreichung des gewünschten spielfreien Zustandes jeweils in einer Phase durch- geführt, in der alle Ventile geschlossen sind Dies ist beispielsweise im Schiebebetrieb mit Schub- abschaltung der Fall.
Insbesonders ist es vorteilhaft, wenn die Rutschkupplung in einer Ausnehmung des Anschlag- nockens angeordnet ist. Auf diese Weise ergibt sich eine besonders kompakte Ausführungsform der Erfindung.
Weiters kann vorgesehen sein, dass die Antriebswelle die Ventile durchdringt, wobei die aus
<Desc/Clms Page number 2>
Rutschkupplung und Anschlagnocken bestehenden Baugruppen jeweils innerhalb der Ventile angeordnet sind. Auf diese Weise stellt das Ventil selbst ein Gehäuse für die empfindlicheren Bauteile, also insbesondere die Rutschkupplung, dar. Von aussen erfolgt lediglich der Antrieb.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rutsch- kupplung in der Drehrichtung, die eine Annäherung des Anschlagnockens an die Anschlagfläche bewirkt, ein geringeres Drehmoment überträgt als in der entgegengesetzten Richtung. Während des Nullstellens drückt der Motor den Nocken gegen die Anschlagfläche des geschlossenen Ventils. Die dabei aufgebrachte Kraft entspricht dem Drehmoment, das die Rutschkupplung in Schliessrichtung übertragen kann. Um nun ein sicheres Lösen des Anschlagnockens zu erreichen, auch wenn der Nocken durch ungünstige Reibungsverhältnisse an der Anschlagfläche festsitzt, ist unter Umständen ein höheres Drehmoment erforderlich. Durch eine geeignete Rutschkupplung kann dieses höhere Moment bereitgestellt werden.
Dies ist möglich, wenn die Rutschkupplung mindestens eine Kupplungsbacke aufweist, die innen an einer zylindrischen Fläche anliegt und von einer Feder an diese gedrückt wird, wobei durch die Anlenkung der Antriebswelle der Kupplung an einem Ende der Kupplungsbacke in einer Drehrichtung eine Selbstverstärkung des übertragbaren Moments erzielt wird. Die Rutschkupplung funktioniert damit nach der Art einer Backenbremse.
Es ist günstig, wenn die Steuereinrichtung für den Motor aufgrund eines vorgegeben Kenn- feldes und von Daten über den Betriebszustand der Brennkraftmaschine den maximalen Ventilhub durch Verdrehung des Anschlagnockens steuert und bei geschlossenem Ventil eine Rückdrehung des Anschlagnockens bewirkt, wobei der Motor bei dieser Rückdrehung einen grösseren Dreh- winkel ausführt, als es der Rückstellung in die theoretische Nullstellung entspricht.
Wenn der Motor als Schrittmotor ausgebildet ist, bedeutet dies, dass die Steuereinrichtung vor dem Öffnen des Ventils die Ausführung einer vorbestimmten Anzahl von Schritten bewirkt, die einem bestimmten Drehwinkel des Anschlagnockens und damit einem bestimmten maximalen Ventilhub entspricht und die nach dem Schliessen des Ventils die Ausführung einer grösseren Anzahl von Schritten als vor dem öffnen in der entgegengesetzten Richtung bewirkt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass auch bei Auftreten von Massänderungen durch Verschleiss oder Wärmebeanspruchung der Anschlagnocken spielfrei auf der Anschlagfläche anliegt. Die überschüssige Bewegung des Motors wird dabei von der Rutschkupplung aufgenommen. Dieser Vorgang des Nullstellens kann im Prinzip bei jedem Arbeitszyklus erfolgen.
Es reicht jedoch völlig aus, diesen Vorgang fallweise durchzuführen, wie etwa jedesmal, wenn das Ventil im Schiebebetrieb bei Schubabschaltung geschlossen bleibt.
In einer Ausführungsvariante, bei der zum Schliessen des Ventils ein vorzugsweise treibstoff- beaufschlagter Hydraulikkolben vorgesehen ist, der gegen die Kraft einer Feder wirkt, ist vorge- sehen, dass eine Fläche des Hydraulikkolbens gleichzeitig als Anschlagfläche wirkt. Dies ermög- licht einen besonders einfachen Aufbau der erfindungsgemässen Vorrichtung.
Weiters kann vorgesehen sein, dass das Ventil thermisch gegenüber dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine isoliert ist. Auf diese Weise wird die Temperatur des Ventils wesentlich erhöht, sodass die Bildung von Ölkohle vermieden wird und ein Selbstreinigungseffekt erzielt wird.
Besonders günstig ist, wenn der maximale Ventilhub durch den Anschlagnocken auf einen Wert zwischen 0 und 0,5 mm beschränkbar ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungs- beispiels näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemässes Ventil schematisch im Schnitt ; Fig. 2 zeigt die Rutschkupplung im Schnitt ; Fig. 3 ist ein Schnitt nach Linie lll 111 in Fig. 2 ; Fig. 4 stellt schematisch eine Ausführungsvariante mit einem gemeinsamen Antrieb der Ventile einer Mehr- zylinderbrennkraftmaschine dar.
In der Fig. 1 ist ein Gemischeinblaseventil 1 dargestellt, das im Zylinderkopf 2 einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine angeordnet ist. Der Ventilschaft 3 ist axial beweglich und weist an seinem Ende einen Ventilteller 4 auf, der die Öffnung zwischen dem Brennraum 5 und der im
Inneren der Ventils 1 angeordneten Mischkammer 6 verschliesst. Weiters ist ein Hydraulikkolben 7 fest mit dem Ventilschaft 3 verbunden, der eine Steuerkammer 8 im Ventil 1 dichtend abschliesst.
Mit dem Hydraulikkolben 7 ist weiters eine Druckfeder 9 verbunden, die das Ventil 1 in seine geöffnete Stellung drückt. Die Mischkammer 6 und die Steuerkammer 8 sind durch eine Dichtung
<Desc/Clms Page number 3>
10 voneinander getrennt.
Der Hub des Ventils 1 wird durch einen Anschlagnocken 11 begrenzt. Dieser Anschlagnocken 11 wirkt mit einer Anschlagfläche 12 zusammen, die am Hydraulikkolben 7 angeordnet ist. Der Anschlagnocken 11 steht über eine Welle 13 mit einer Rutschkupplung 14 in Verbindung, die über eine weitere Welle 15 von einem elektrischen Schrittmotor 16 angetrieben wird. Der Anschlag- nocken 11ist dabei so angeordnet, dass auch in der geschlossenen Stellung des Ventils 1 eine Berührung mit der Anschlagfläche 12 möglich ist.
Eine Steuereinheit 17 ist dazu vorgesehen, vor der Öffnung des Ventils 1 einen Steuerbefehl an den Schrittmotor 16 zu geben, der dann eine der gewünschten Öffnung des Ventils 1 ent- sprechende Anzahl von Schritten ausführt.
Zur Funktion des Ventils kann folgendes ausgeführt werden- Aus einem Vorratsbehälter 18 wird Kraftstoff mittels einer Förderpumpe 19 entnommen. Ein Druckregelventil 20 gewährleistet einen konstanten Druck im Leitungsabschnitt 21. In einer an sich bekannten Dosiereinheit 22, die vom Leitungsabschnitt 21 versorgt wird, wird der Kraftstoff für die Einspritzung volumetrisch dosiert. Über ein gering vorbelastetes Rückschlagventil 23 und eine Düse 24 erfolgt die Ein- spritzung des Kraftstoffes in die Mischkammer 6. Das Rückschlagventil 23 ist dabei so nahe als möglich beim Ventil 1 angeordnet, um die Abdampfverluste zu minimieren. Die Einspritzung erfolgt unmittelbar nach dem Schliessen des Ventils 1. Zu diesem Zeitpunkt herrscht in der Mischkammer 6 ein Druck zwischen 2 und 20 bar. Der entsprechende Zylinder der Brennkraftmaschine führt gerade den Arbeitstakt aus.
Die Öffnung des Ventils 1 erfolgt während des Verdichtungstaktes. Der eingespritzte Kraftstoff ist inzwischen vollständig verdampft und gleichmässig in der Mischkammer 6 verteilt. Vor der Öffnung wird der Anschlagnocken 11 wie oben beschrieben in ihre den Ventilhub begrenzende Stellung gebracht. Die Öffnung wird bewirkt, indem ein elektromagnetisch gesteuertes Drei- wegventil 25 umschaltet und die mit Kraftstoff gefüllte Steuerkammer 8 drucklos macht. Die Druck- feder 9 drückt den Hydraulikkolben 7 nach unten, bis die Anschlagfläche 12 am Anschlagnocken 11anliegt. Zu diesem Zeitpunkt herrscht im Brennraum 5 ein geringerer Druck als in der Misch- kammer 6, sodass der Inhalt der Mischkammer 6 in den Brennraum 5 ausströmt. Das Ventil 1 bleibt dann bis in den Arbeitstakt hinein geöffnet, sodass wiederum Gase vom Brennraum 5 in die Mischkammer 6 zurückströmen.
Der Zeitpunkt des Schliessens wird so gewählt, dass einerseits in der Mischkammer 6 ein ausreichend hoher Druck zwischen 2 und 20 bar für die nächste Ein- spritzung gewährleistet ist, dass aber andererseits ein Eindringen der Flammenfront in die Misch- kammer 6 zuverlässig ausgeschlossen werden kann. Das Schliessen des Ventils 1 wird durch ein erneutes Umschalten des Dreiwegventils 25 herbeigeführt, indem aus dem Leitungsabschnitt 21 unter Druck stehender Kraftstoff in die Steuerkammer 8 eingepresst wird. Der Hydraulikkolben 7 bewegt sich nach oben und schliesst das Ventil 1 gegen den Widerstand der Druckfeder 9.
Um bei der Einspritzung des Kraftstoffgemisches in den Brennraum 5 eine möglichst gute Verteilung zu gewährleisten, ist eine Zerstäubungseinrichtung 26 zur Umlenkung des Gasstrahles vorgesehen, die eine oder mehrere Bohrungen 27 aufweist. Um die Bildung von Ölkohle zu ver- meiden, ist das Ventil 1 gegenüber dem Zylinderkopf 2 thermisch isoliert. Ölkohle bildet sich haupt- sächlich in einem Temperaturbereich von 150 bis 180 C. Wird das Ventil oberhalb von 180 C betrieben erfolgt eine Selbstreinigung, wodurch die Lebensdauer wesentlich erhöht wird. Dies wird durch die Ausbildung eines Spaltes 28 zwischen Ventil 1 und Zylinderkopf 2 bewirkt. Ausserdem kann der Dichtsitz 29 zwischen Ventil 1 und Zylinderkopf aus einem Material mit extrem schlechter Wärmeleitfähigkeit hergestellt werden.
Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Rutschkupplung 14 weist eine Kupplungsbacke 30 auf, die innen an einer Zylinderfläche 31, anliegt, welche in die Welle 13 eingearbeitet ist. Die Kupplungs- backe 30 ist durch einen Stift 32 mit einem Abschnitt 33 der Welle 15 verbunden. Eine Spiralfeder 34, die sich in einer Ausnehmung 35 der Welle 15 abstützt drückt die Kupplungsbacke 30 an die Zylinderfläche 31. Der Stift 32 und die Spiralfeder 34 greifen an entgegengesetzten Enden der Kupplungsbacke 30 an. Auf diese Weise wird erreicht, dass durch die Rutschkupplung 14 je nach Drehrichtung verschiedene Drehmomente übertragen werden können. Wenn die Welle 15 ent- sprechend dem Pfeil 36 angetrieben wird, wird die Kupplungsbacke 30 durch den Stift 32 und die Spiralfeder 34 mit einer Kraft gegen die Zylinderfläche 31 gedrückt, die mit dem übertragenen Drehmoment zunimmt.
Durch diese Selbstverstärkung können relativ grosse Drehmomente
<Desc/Clms Page number 4>
übertragen werden. Diese Drehrichtung entspricht der Bewegung des Anschlagnockens 11weg von der Anschlagfläche 12. Andererseits wird die Kupplungsbacke 30 bei Drehung in die andere Richtung von der Zylinderfläche 31 weggezogen, sodass das übertragbare Drehmoment deutlich kleiner ist.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsvariante der Erfindung ist ein gemeinsamer Motor 16 für den Antrieb mehrerer Anschlagnocken 111 einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine vorgesehen. Die Antriebswelle 115 durchdringt dabei die Ventile 101 im Bereich der Steuer- kammern 108. Die Antriebswelle 115 ist aus mehreren Segmenten aufgebaut, die durch Flansche 90 miteinander verbunden sind. Die äussere Kontur der Rutschkupplung 114 bildet gleichzeitig den Anschlagnocken 111. Im Inneren dieses Anschlagnockens 111 ist eine Zylinderfläche 31 vorge- sehen, an der die Kupplungsbacke 30 anliegt. Die Kupplungsbacke 30 ist durch einen Stift 32 mit der Welle 115 verbunden. Eine Spiralfeder 34, die sich an einem Sitzring 91, der auf der Welle 115 festgeschraubt ist, abgestützt, drückt die Kupplungsbacke 30 an die Zylinderfläche 31.
Die Achse 92 der Welle 115 liegt ausserhalb der durch die Achsen 93 der Ventile 101 aufgespannten Ebene, um eine Durchdringung des Ventilschaftes 103 und der Antriebswelle 115 zu vermeiden
PATENTANSPRÜCHE:
1. Hydraulisch betätigbares Ventil mit steuerbarem Hub für Brennkraftmaschinen, insbeson- ders Gemischeinblaseventil, mit einer fest mit einem Ventilschaft (3) verbundenen An- schlagfläche (12) und mit einem Anschlag, der mit der Anschlagfläche zusammenwirkt und der den maximalen Ventilhub begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass ein motorisch über eine Rutschkupplung (14; 114) angetriebener Anschlagnocken (11; 111) vorgesehen ist, der mit der Anschlagfläche (12) zusammenwirkt, wobei durch Verdrehung des An- schlagnockens (11; 111) um einen vorbestimmten Winkel der maximale Ventilhub einstell- bar ist und wobei der Anschlagnocken (11;
111) auch in der geschlossenen Stellung des
Ventils (1) in Berührung mit der Anschlagfläche (12) bringbar ist, und dass eine Steuer- einrichtung (17) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von den Betriebszuständen der Brenn- kraftmaschine den Antrieb (16) des Anschlagnockens (11; 111) steuert.