Hydraulisch betätigbares Ventil mit steuerbarem Hub

Abstract

 Ein hydraulisch betätigbares Ventil mit steuerbarem Hub, ins­besonders Gemischeinblaseventil für Brennkraftmaschinen weist eine fest mit dem Ventilschaft (3) verbundene Anschlagflä­che (12) auf. Es ist zur genauen Steuerung der Ventilöffnung eine motorisch über eine Rutschkupplung (14) angetriebene An­schlagnocke (11) vorgesehen, die mit der Anschlagfläche (12) zusammenwirkt, wobei durch Verdrehung der Anschlagnocke (11) um einen vorbestimmten Winkel der maximale Ventilhub einstell­bar ist und wobei die Anschlagnocke (11) auch in der geschlos­senen Stellung des Ventils (1) in Berührung mit der An­schlagfläche (12) bringbar ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein hydraulisch betätigbares Ventil mit steuerbarem Hub, insbesonders Gemischeinblaseventil für Brenn­kraftmaschinen mit einer fest mit dem Ventilschaft verbundenen Anschlagfläche. 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 Gasspeicher 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.

[0002] Es sind Ventile bekannt, die einen Kolben mit einer Anschlag­fläche aufweisen. Diese Anschlagfläche 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 Venilhub einstellbar ist.

[0003] 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 kann.

[0004] Erfindungsgemäß ist daher eine motorisch über eine Rutsch­kupplung angetriebene Anschlagnocke vorgesehen, die mit der Anschlagfläche zusammenwirkt, wobei durch Verdrehung der An­schlagnocke um einen vorbestimmten Winkel der maximale Ven­ tilhub einstellbar ist und wobei die Anschlagnocke auch in der geschlossenen Stellung des Ventils in Berührung mit der An­schlagfläche bringbar ist. Weiters ist eine Steuerungseinrich­tung vorgesehen, die in Abhängigkeit von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine den Antrieb der Anschlagnocke steuert.

[0005] Das Ventil weist auf diese Weise stets zwei Endstellungen auf, die einerseits durch das Aufsitzen des Ventiltellers auf dem Ventilsitz und andererseits durch den Anschlag der An­schlagfläche definiert sind. Die Anschlagnocke ist dabei so angeordnet, daß sie auch bei geschlossenem Ventil mit der An­schlagfläche in Berührung gebracht werden kann. Auf diese Wei­se ist es möglich, daß die Anschlagnocke nach jedem Arbeitshub des Ventils in eine Ausgangsstellung zurückkehrt, in der die Anschlagnocke bei geschlossenem Ventil an der Anschlagfläche anliegt. Dies ergibt eine wohldefinierte Ausgangsposition für die Bemessung der Drehbewegung der Anschlagnocke, die zur Be­grenzung der nächsten Öffnung des Ventils durchgeführt wird. Auf diese Weise können unterschiedliche Wärmedehnungen und Verschleiß ausgeglichen werden.

[0006] Vorzugsweise erfolgt der Antrieb der Anschlagnocke durch einen Elektromotor, vorzugsweise 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.

[0007] 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 durchgeführt, in der alle Ventile geschlossen sind. Dies ist beispielsweise im Schiebebetrieb mit Schubabschaltung der Fall.

[0008] Insbesonders ist es vorteilhaft, wenn die Rutschkupplung in einer Ausnehmung der Anschlagnocke angeordnet ist. Auf diese Weise ergibt sich eine besonders kompakte Ausführungsform der Erfindung.

[0009] Weiters kann vorgesehen sein, daß die Antriebswelle die Ven­tile durchdringt, wobei die aus Rutschkupplung und An­schlagnocke 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.

[0010] In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß die Rutschkupplung in der Drehrichtung, die eine Annäherung der Anschlagnocke an die Anschlagfläche be­wirkt, ein geringeres Drehmoment überträgt als in der entge­gengesetzten Richtung. Während des Nullstellens drückt der Mo­tor die Nocke gegen die Anschlagf läche des geschlossenen Ven­tils. Die dabei aufgebrachte Kraft entspricht dem Drehmoment, das die Rutschkupplung in Schließrichtung übertragen kann. Um nun ein sicheres Lösen der Anschlagnocke zu erreichen, auch wenn die Nocke durch ungünstige Reibungsverhältnisse an der Anschlagfläche festsitzt, ist unter Umständen ein höheres Drehmoment erforderlich. Durch eine geeignete Rutschkupplung kann dieses höhere Moment bereitgestellt werden.

[0011] Dies ist möglich, wenn die Rutschkupplung mindestens eine Backe 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 Backe in einer Drehrichtung eine Selbstverstärkung des über­tragbaren Moments erzielt wird. Die Rutschkupplung funktio­niert damit nach der Art einer Backenbremse.

[0012] Es ist günstig, wenn eine Steuerungseinrichtung für den Motor vorgesehen ist, die aufgrund eines vorgegeben Kennfeldes und von Daten über den Betriebszustand der Brennkraftmaschine den maximalen Ventilhub durch Verdrehung der Anschlagnocke steuert und die in bei geschlossenem Ventil eine Rückdrehung der An­ schlagnocke bewirkt, wobei der Motor bei dieser Rückdrehung einen größeren Drehwinkel ausführt, als es der Rückstellung in die theoretische Nullstellung entspricht. Wenn der Motor als Schrittmotor ausgebildet ist, bedeutet dies, daß die Steue­rungseinrichtung 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 die Anschlagnocke spiel frei 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.

[0013] Es ist günstig, wenn zum Schließen des Ventils ein vor­zugsweise treibstoffbeaufschlagter Hydraulikkolben vorgesehen ist, der gegen die Kraft einer Feder wirkt. Dies ermöglicht einen besonders einfachen Aufbau der erfindungsgemäßen Vor­richtung.

[0014] Eine weitere Vereinfachung kann erzielt werden, wenn eine Flä­che des Hydraulikkolbens gleichzeitig als Anschlagfläche wirkt.

[0015] Nach einer besonderen Ausführungsvariante der Erfindung ist ein Gasspeicher für ein aus dem Zylinder einer Brenn­kraftmaschine entnommenes Gasvolumen und eine Kraftstoff­einspritzvorrichtung zum Einbringen des Kraftstoffes in diesen Gasspeicher vorgesehen. Ein solches Gemischeinblaseventil er­laubt die Erzielung höchster thermischer Wirkungsgrade bei Brennkraftmaschinen.

[0016] Weiters kann vorgesehen sein, daß das Ventil thermisch gegen­ über 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.

[0017] Besonders günstig ist, wenn der maximale Ventilhub durch die Anschlagnocke auf einen Wert zwischen 0 und 0,5 mm be­schränkbar ist.

[0018] Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert:

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ventil schematisch im Schnitt;

Fig. 2 zeigt die Rutschkupplung im Schnitt;

Fig. 3 ist ein Schnitt nach Linie III - III in Fig. 2;

Fig. 4 stellt schematisch eine Ausführungsvariante mit einem gemeinsamen Antrieb der Ventile einer Mehr­zylinderbrennkraftmaschine dar.

[0019] 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 10 voneinander getrennt.

[0020] Der Hub des Ventils 1 wird durch eine Anschlagnocke 11 be­grenzt. Diese Anschlagnocke 11 wirkt mit einer Anschlag­fläche 12 zusammen, die am Hydraulikkolben 7 angeordnet ist. Die Anschlagnocke 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.

[0021] Die Anschlagnocke 11 ist dabei so angeordnet, daß auch in der geschlossenen Stellung des Ventils 1 eine Berührung mit der Anschlagfläche 12 möglich ist.

[0022] 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 entspre­chende Anzahl von Schritten ausführt.

[0023] 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 Einspritzung des Kraft­stoffes in die Mischkammer 6. Das Rückschlagventil 23 ist da­bei so nahe als möglich beim Ventil 1 angeordnet, um die Ab­dampfverluste zu minimieren. Der 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.

[0024] 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 die Anschlagnocke 11 wie oben beschrieben in ihre den Ventilhub begrenzende Stellung ge­bracht. Die Öffnung wird bewirkt, indem ein elektromagnetisch gesteuertes Dreiwegventil 25 umschaltet und die mit Kraftstoff gefüllte Steuerkammer 8 drucklos macht. Die Druckfeder 9 drückt den Hydraulikkolben 7 nach unten, bis die Anschlagflä­che 12 an der Anschlagnocke 11 anliegt. Zu diesem Zeitpunkt herrscht im Brennraum 5 ein geringerer Druck als in der Misch­kammer 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 Mischkam­ mer 6 ein ausreichend hoher Druck zwischen 2 und 20 bar für die nächste Einspritzung gewährleistet ist, daß aber anderer­seits ein Eindringen der Flammenfront in die Mischkammer 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.

[0025] 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 vermeiden, ist das Ventil 1 gegen­über dem Zylinderkopf 2 thermisch isoliert. Ölkohle bildet sich hauptsächlich 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.

[0026] 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 Kupplungsbacke 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 entspre­chend 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 übertragen werden. Diese Drehrichtung entspricht der Bewegung der Anschlagnocke 11 weg von der Anschlagfläche 12. Andererseits wird die Kupplungs­backe 30 bei Drehung in die andere Richtung von der Zylinder­fläche 31 weggezogen, sodaß das übertragbare Drehmoment deut­ich kleiner ist.

[0027] Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsvariante der Erfin­dung ist ein gemeinsamer Motor 16 für den Antrieb mehrerer An­schlagnocken 114 einer nicht näher dargestellten Brenn­kraftmaschine vorgesehen. Die Antriebswelle 115 durchdringt dabei die Ventile 101 im Bereich der Steuerkammern 108. Die Antriebswelle 115 ist aus mehreren Segmenten aufgebaut, die durch Flansche 90 miteinander verbunden sind. Die äußere Kon­tur der Rutschkupplung 114 bildet gleichzeitig die An­schlagnocke 111. Im Inneren dieser Anschlagnocke 111 ist eine Zylinderfläche 31 vorgesehen, 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.

Ansprüche

1. Hydraulisch betätigbares Ventil mit steuerbarem Hub, ins­besonders Gemischeinblaseventil für Brennkraftmaschinen mit einer fest mit dem Ventilschaft (3) verbundenen Anschlagfläche (12), dadurch gekennzeichnet, daß eine motorisch über eine Rutschkupplung (14) angetriebene An­schlagnocke (11) vorgesehen ist, die mit der Anschlagflä­che (12) zusammenwirkt, wobei durch Verdrehung der An­schlagnocke (11) um einen vorbestimmten Winkel der maxi­male Ventilhub einstellbar ist und wobei die An­schlagnocke (11) auch in der geschlossenen Stellung des Ventils (1) in Berührung mit der Anschlagfläche (12) bringbar ist, und daß eine Steuereinrichtung (16) vorge­sehen ist, die in Abhängigkeit von den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine den Antrieb der Anschlagnocke (11) steuert.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Anschlagnocke (11) durch einen Elektromotor, vorzugsweise einen Schrittmotor (16) erfolgt.

3. Ventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2 für eine Mehrzy­linderbrennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner Motor (16) für die Betätigung mehrerer Anschlag­nocken (11) in den Ventilen für verschiedene Zylinder vor­gesehen ist.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rutschkupplung (114) in einer Ausnehmung der An­schlagnocke (111) angeordnet ist.

5. Ventil nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Antriebswelle (15) die Ventile (101) durchdringt, wobei die aus Rutschkupplung (114) und An­schlagnocke (111) bestehenden Baugruppen jeweils innerhalb der Ventile (101) angeordnet sind.

6. Ventil nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rutschkupplung (14) in der Drehrichtung, die eine Annäherung der Anschlagnocke (11) an die Anschlagf lä­che (12) bewirkt, ein geringeres Drehmoment überträgt als in der entgegengesetzten Richtung.

7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rutschkupplung (14) mindestens eine Kupplungsbacke (30) aufweist, die innen an einer zylindrischen Fläche (31) an­liegt und von einer Feder an diese gedrückt wird, wobei durch die Anlenkung der Antriebswelle (15) der Kupp­lung (14) an einem Ende der Kupplungsbacke (30) in einer Drehrichtung eine Selbstverstärkung des übertragbaren Mo­ments erzielt wird.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekenn­zeichnet, daß eine Steuerungseinrichtung (17) für den Mo­tor (16) vorgesehen ist, die aufgrund eines vorgegeben Kennfeldes und von Daten über den Betriebszustand der Brennkraftmaschine den maximalen Ventilhub durch Verdre­hung der Anschlagnocke (11) steuert und die in bei ge­schlossenem Ventil eine Rückdrehung der Anschlagnocke (11) bewirkt, wobei der Motor (16) bei dieser Rückdrehung einen größeren Drehwinkel ausführt, als es der Rückstellung in die theoretische Nullstellung entspricht.

9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8,dadurch gekenn­zeichnet, daß zum Schließen des Ventils ein vorzugsweise treibstoffbeaufschlagter Hydraulikkolben (7) vorgesehen ist, der gegen die Kraft einer Feder wirkt.

10. Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fläche des Hydraulikkolbens (7) gleichzeitig als Anschlag­fläche (12) wirkt.

11. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­zeichnet, daß ein Gasspeicher für ein aus dem Zylinder ei­ner Brennkraftmaschine entnommenes Gasvolumen vorgesehen ist, und daß eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung zum Ein­ bringen des Kraftstoffes in diesen Gasspeicher vorgesehen ist.

12. Ventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es thermisch gegenüber dem Zylinderkopf (2) der Brennkraft­maschine isoliert ist.

13. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn­zeichnet, daß der maximale Ventilhub durch die An­schlagnocke (11) auf einen Wert zwischen 0 und 0,5 mm be­schränkbar ist.

Zeichnung