Bremseinrichtung für ein Gaswechselventil einer nockenwellenlosen BrennkraftmaschineBraking device for a gas exchange valve of an internal combustion engine without camshafts
Stand der TechnikState of the art
Die Steuerung der Gaswechselventile von Brennkraftmaschinen durch Nockenwellen erlaubt nur in begrenztem Umfang Steuerzeiten und/oder Hub des Gaswechselventils entsprechend den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine einzustellen. Bei elektrohydraulischen Ventilsteuerungen beispielsweise, die ohne Nockenwelle arbeiten, können sowohl der Hub des Gaswechselventils als auch dessenThe control of the gas exchange valves of internal combustion engines by means of camshafts only allows control times and / or stroke of the gas exchange valve to be set to a limited extent in accordance with the operating conditions of the internal combustion engine. In electro-hydraulic valve controls, for example, which work without a camshaft, both the stroke of the gas exchange valve and its can
Steuerzeit prinzipiell frei programmiert werden. Dies gilt auch für hydraulische und pneumatische und andere nockenwellenlose Gaswechselventilsteuerungen in gleicher Weise. Dadurch kann das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine, deren spezifischer Kraftstoffverbrauch und deren Emissionen verbessert werden.In principle, the control time can be freely programmed. This also applies in the same way to hydraulic and pneumatic and other camshaft-less gas exchange valve controls. This can improve the operating behavior of the internal combustion engine, its specific fuel consumption and its emissions.
Ein Problem, welches sich im Zusammenhang mit nockenwellenlosen Steuerungen von Gaswechselventilen stellt, ist., dass die Gaswechselvenπle mit einer sehr hohen Geschwindigkeit auf dem Ventilsitz im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine auftreffen. Dies ist unter anderem wegen der damit verbundenen Gerauschentwicklung und des erhöhten Verschleißes unerwünscht.A problem that arises in connection with camshaft-less controls of gas exchange valves is, is that the gas exchange valves hit the valve seat in the cylinder head of the internal combustion engine at a very high speed. This is undesirable, among other things, because of the associated noise and increased wear.
Bei elektrohydraulischen nockenwellenlosen Steuerungen der Gaswechselventile konnte man das Gaswechselventil vor dem Auftreffen auf dem Ventilsitz hydraulisch abbremsen. Diese Bremseinrichtung hat jedoch den prinzipiellen Nachteil, dass die Bremswirkung stark von der Temperatur des Hydraulikfluids, welches zum Abbremsen des Gaswechselventils eingesetzt wird, abhangt. In der Regel wird man als Hydraulikfluid das Motorol der Brennkraftmaschine verwenden, welches naturgemäß großen Viskositatsanderungen aufgrund der verschiedenen Motortemperaturen vom Kaltstart bis zum Erreichen der Betriebstemperatur unterliegt. Infolgedessen wäre auch das Abbremsen der Gaswechselventile durch eine hydraulische Dampfungseinrichtung stark temperaturabhangig und sehr schwer an alle möglichen Betriebszustande der Brennkraftmaschine anzupassen.With electro-hydraulic camshaft-less controls for the gas exchange valves, the gas exchange valve could be braked hydraulically before hitting the valve seat. However, this braking device has the fundamental disadvantage that the braking effect depends heavily on the temperature of the hydraulic fluid which is used to brake the gas exchange valve. As a rule, the engine oil of the internal combustion engine will be used as the hydraulic fluid, which is naturally subject to large viscosity changes due to the different engine temperatures from the cold start until the operating temperature is reached. As a result, the braking of the gas exchange valves by a hydraulic damping device would be strongly temperature-dependent and very difficult to adapt to all possible operating states of the internal combustion engine.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Bei der erfindungsgemaßen Bremseinrichtung für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine mit einer Bremsmasse, wobei die Bremsmasse in Schließrichtung des Gaswechselventils verschiebbar ist und wobei die Bremsmasse in ihrer Ruhestellung so angeordnet ist, dass dasIn the braking device according to the invention for a gas exchange valve of an internal combustion engine with a braking mass, the braking mass being displaceable in the closing direction of the gas exchange valve and the braking mass being arranged in its rest position such that the
Gaswechselventil mittelbar oder unmittelbar kurz vor Erreichen seines Ventilsitzes auf der Bremsmasse auftrifft, wird das Gaswechselventil durch die Übertragung seines Impulses auf eine Bremsmasse kurz vor Erreichen des Ventilsitzes auf einem sehr kurzen Weg stark abgebremst. Diese Verzögerung des Gaswechselventils ist unabhängig von der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine und der Viskosität des Motoröls der Brennkraftmaschine. Deshalb wirkt die erfindungsgemäße Bremseinrichtung in allenIf the gas exchange valve hits the brake mass indirectly or immediately shortly before it reaches its valve seat, the gas exchange valve is switched on shortly before the brake mass is reached by the transmission of its impulse Valve seat braked heavily on a very short path. This delay of the gas exchange valve is independent of the operating temperature of the internal combustion engine and the viscosity of the engine oil of the internal combustion engine. Therefore, the braking device according to the invention works in all
Betriebszuständen der Brennkraftmaschine nahezu gleich und lässt sich somit einfach an verschiedenste Ventilsteuerungen adaptieren.Operating states of the internal combustion engine almost the same and can therefore be easily adapted to a wide variety of valve controls.
Außerdem wird durch die Impulsübertragung vomIn addition, the momentum transmission from
Gaswechselventil auf die Bremsmasse eine extrem hohe Verzögerung des Gaswechselventils erreicht, so dass das Gaswechselventil eine sehr schnelle Schließbewegung machen kann und trotzdem die Geschwindigkeit, mit der das Gaswechselventil auf seinen Ventilsitz auftrifft, sehr gering ist, so dass es zu keinem nennenswerten Verschleiß und nur einer sehr geringen Geräuschbildung beim Auftreffen des Gaswechselventils auf dem Ventilsitz kommt. Die großen Schließgeschwindigkeiten des Gaswechselventils, welche dank der erfindungsgemäßen Bremseinrichtung möglich werden, erlauben eine weitere Optimierung der Ventilsteuerung hinsichtlich des Emissions- und Verbrauchsverhaltens der Brennkraftmaschine .Gas exchange valve on the brake mass reaches an extremely high deceleration of the gas exchange valve, so that the gas exchange valve can make a very fast closing movement and the speed at which the gas exchange valve hits its valve seat is very low, so that there is no significant wear and tear and only one very low noise when the gas exchange valve hits the valve seat. The high closing speeds of the gas exchange valve, which are made possible thanks to the braking device according to the invention, allow a further optimization of the valve control with regard to the emission and consumption behavior of the internal combustion engine.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die Bremsmasse durch eine Feder verzögert und in ihre Ruhestellung gebracht wird und/oder, dass die kinetische Energie der Bremsmasse durch einen Dämpfer abgebaut wird. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Feder und der Dämpfer auf der dem Gaswechselventil abgewandtenFurther refinements of the invention provide that the brake mass is decelerated by a spring and brought into its rest position and / or that the kinetic energy of the brake mass is reduced by a damper. It has proven to be advantageous if the spring and the damper face away from the gas exchange valve
Seite der Bremsmasse angeordnet sind, da in diesem Fall die Übertragung des Impulses vom Gaswechselventil auf die Bremsmasse und von der Bremsmasse auf die Feder und den Dämpfer geradlinig und auf direktestem Wege erfolgen. Die Feder kann als Schraubenfeder oder als Tellerfeder ausgebildet sein, je nach vorhandenem Bauraum sowie den gewünschten Federeigenschaften und der gewünschten Eigendampfung der Feder.Side of the brake mass are arranged, since in this case the transmission of the pulse from the gas exchange valve to the brake mass and from the brake mass to the spring and the damper take place in a straight line and in the most direct way. The spring can be designed as a coil spring or as a plate spring, depending on the available space and the desired spring properties and the desired natural damping of the spring.
Es hat sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, wenn der Dampfer als hydraulischer Dampfer ausgebildet ist, da solche Dampfer eine sehr hohe Lebensdauer und Leistungsfähigkeit haben. Da die Dampfung der Bremsmasse unabhängig von der Schließbewegung des Gaswechselventils erfolgt, ist die Änderung der Dampfungsrate des Dampfers in Abhängigkeit der Temperatur des Hydraulikfluids, bwz. des Motorols für die Bewegung des Gaswechselventils unerheblich. Es hat sich in Simulationsrechnungen herausgestellt, dass die Änderung der Dampfungswirkung durch Temperaturanderungen des zur Dampfung eingesetzten Hydraulikfluids ohne Einfluss auf die Wirkung der erfmdungsgemaßen Bremseinrichtung und die Bewegung des Gaswechselventils ist.It has also proven to be advantageous if the steamer is designed as a hydraulic steamer, since such steamer has a very long service life and performance. Since the braking mass is damped independently of the closing movement of the gas exchange valve, the change in the steaming rate of the steamer is dependent on the temperature of the hydraulic fluid, or. the motor oil for the movement of the gas exchange valve irrelevant. It has been found in simulation calculations that the change in the damping effect due to temperature changes in the hydraulic fluid used for damping has no influence on the effect of the braking device according to the invention and the movement of the gas exchange valve.
Eine einfache Ausgestaltung der erfindungsgemaßen Bremseinrichtung sieht vor, dass d e Bremsmasse als prismatischer Korper, insbesondere als Zylinder, ausgebildet ist und in einer Fuhrungsbohrung in einem Gehäuse, insbesondere dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine, gefuhrt w rd.A simple embodiment of the braking device according to the invention provides that the braking mass is designed as a prismatic body, in particular as a cylinder, and is guided in a guide bore in a housing, in particular the cylinder head of the internal combustion engine.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Ruhestellung der Bremsmasse durch einen am Gehäuse vorhandenen Anschlag festgelegt wird. Dabei ist die Ruhestellung der Bremsmasse so festzulegen, dass das Gaswechselventil vor dem Aufüreffen auf seinem Ventilsitz in Anlage an die Bremsmasse kommt und somit der Impuls des Gaswechselventils auf die Bremsrαasse übertragen wird und diese dadurch aus ihrer Ruhestellung bewegt wird.It is also advantageous if the rest position of the braking mass is determined by an abutment on the housing. The rest position of the brake mass is to be determined so that the gas exchange valve comes into contact with the brake mass before it hits its valve seat and thus the pulse of the gas exchange valve is transmitted to the brake race and this is thereby moved out of its rest position.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.Further advantages and advantageous refinements of the invention can be found in the following drawing, its description and the patent claims. All features can be essential to the invention both individually and in any combination with one another.
Zeichnungendrawings
Es zeigen:Show it:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer elektrohydraulischen nockenwellenlosen Steuerung eines Gaswechselventils,FIG. 1 shows an exemplary embodiment of an electrohydraulic camshaft-less control of a gas exchange valve,
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßenFigure 2 shows an embodiment of an inventive
Bremseinrichtung,Braking means,
Figur 3 ein Diagramm, welches die Verzögerung desFigure 3 is a diagram showing the delay of the
Gaswechselventils durch die Bremsmasse zeigt, und dieGas exchange valve through the brake mass shows, and the
Fig. 4 und 5 der zeitliche Verlauf der Bewegung der Bremsmasse, deren Geschwindigkeit und deren Beschleunigung bei zwei verschiedenen Randbedingungen.4 and 5 the time course of the movement of the brake mass, its speed and its acceleration under two different boundary conditions.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
In Fig. 1 ist ein Beispiel einer elektro-hydraulischen Steuerung eines Gaswechselventils 1 als Blockschaltbild dargestellt. Die erfindungsgemäße Bremseinrichtung für Gaswechselventile kann in die in Fig. 1 beschriebene ' Steuerung eines Gaswechselventils integriert werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf den Einsatz in solchen Gaswechselventilsteuerungen beschränkt. Sie ist vielmehr in allen Gaswechselventilsteuerungen bei denen das1 shows an example of an electro-hydraulic control of a gas exchange valve 1 as a block diagram. The braking device according to the invention for Gas exchange valves can be integrated into the control of a gas exchange valve described in FIG. 1. However, the invention is not limited to use in such gas exchange valve controls. Rather, it is in all gas exchange valve controls where that
Gaswechselventil nicht durch eine Nockenwelle oder dergleichen, sondern z. B. elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigt wird, einsetzbar.Gas exchange valve not by a camshaft or the like, but z. B. is operated electrically, hydraulically or pneumatically.
Das Gaswechselventil 1 kann sowohl als Einlassventil oder als Auslassventil ausgeführt sein. In der in Fig. 1 dargestellten Position liegt das Gaswechselventil 1 auf einem Ventilsitz 2 im Zylinderkopf der nicht dargestellten Brennkraftmaschine auf. Betätigt wird das Gaswechselventil 1 durch einen doppelt wirkenden Arbeitszylinder 3. Der Arbeitszylinder 3 ist als Differentialzylinder mit beidseitiger Kolbenstange 5 ausgebildet. Der Arbeitszylinder 3 weist einen ersten Arbeitsraum 7 und einen zweiten Arbeitsraum 9 auf. Erster Arbeitsraum 7 und zweiter Arbeitsraum 9 werden durch den Kolben 5 voneinander getrennt .The gas exchange valve 1 can be designed both as an inlet valve or as an outlet valve. In the position shown in Fig. 1, the gas exchange valve 1 rests on a valve seat 2 in the cylinder head of the internal combustion engine, not shown. The gas exchange valve 1 is actuated by a double-acting working cylinder 3. The working cylinder 3 is designed as a differential cylinder with a piston rod 5 on both sides. The working cylinder 3 has a first working space 7 and a second working space 9. The first working space 7 and the second working space 9 are separated from one another by the piston 5.
Wenn der erste Arbeitsraum 7 über eine Speiseleitung 11 mit unter Druck stehendem Hydraulikfluid beaufschlagt wird, bewegt sich das Gaswechselventil 1 in Richtung des Pfeils 13 und hebt somit vom Ventilsitz 2 ab.When the first working chamber 7 is pressurized with hydraulic fluid via a feed line 11, the gas exchange valve 1 moves in the direction of the arrow 13 and thus lifts off the valve seat 2.
In der Speiseleitung 11 ist ein Steuerventil 15 sowie eine schaltbare Drossel 17 angeordnet. Die Speiseleitung 11 versorgt ebenfalls den zweiten Arbeitsraum 9 mit unter Druck stehendem Hydraulikfluid. Wenn, wie in Fig. 1 dargestellt, das Steuerventil 15 geschlossen ist, bewirkt der Druck im zweiten Arbeitsraum 9 des Hydraulikfluids, dass sich das Gaswechselventil 1 entgegen der Pfeilrichtung 13 bewegt und somit geschlossen wird. Das Hydraulikfluid im ersten Arbeitsraum 7 wird über eine Rücklaufleitung 19 und ein Druckhalteventil 21 abgeführt. In der Rücklaufleitung 19 ist ein zweites Steuerventil 23 angeordnet, welches in der Fig. 1 geöffnet ist. Der zweite Arbeitsraum 9 ist auch mit einem Druckspeicher 25 verbunden.A control valve 15 and a switchable throttle 17 are arranged in the feed line 11. The feed line 11 also supplies the second working space 9 with hydraulic fluid under pressure. If, as shown in FIG. 1, the control valve 15 is closed, the pressure in the second working space 9 of the hydraulic fluid causes the gas exchange valve 1 to move in the opposite direction of the arrow 13 is moved and thus closed. The hydraulic fluid in the first working space 7 is discharged via a return line 19 and a pressure maintaining valve 21. A second control valve 23, which is open in FIG. 1, is arranged in the return line 19. The second working space 9 is also connected to a pressure accumulator 25.
Im zweiten Arbeitsraum 9 eine Schließfeder 27 vorgesehen, die das Gaswechselventil bei drucklosem Arbeitszylinder 3 in die Schließstellung bringt.In the second working space 9, a closing spring 27 is provided, which brings the gas exchange valve into the closed position when the working cylinder 3 is depressurized.
In der in Fig. 1 dargestellten Schaltstellung der Drossel 17, des Steuerventils 15 und des zweiten Steuerventils 23 bewegt sich der Kolben 5 entgegen der Richtung des Pfeils 13 nach oben bzw. wird an den Ventilsitz 2 gepresst. Die dazu erforderliche Kraft wird dadurch bereitgestellt, dass der zweite Arbeitsraum 9 mit unter Druck stehendem Hydraulikfluid von der Speiseleitung 11 versorgt wird. Das erste Steuerventil 15 ist geschlossen und das zweite Steuerventil 23 ist geöffnet, so dass das im ersten Arbeitsraum 7 befindliche Hydraulikfluid über die Rücklaufleitung 19 abfließen kann.In the switching position of the throttle 17, the control valve 15 and the second control valve 23 shown in FIG. 1, the piston 5 moves upward in the direction of the arrow 13 or is pressed against the valve seat 2. The force required for this is provided in that the second working space 9 is supplied with pressurized hydraulic fluid from the feed line 11. The first control valve 15 is closed and the second control valve 23 is open, so that the hydraulic fluid located in the first working space 7 can flow off via the return line 19.
Zum Öffnen des Gaswechselventils 1 wird das zweite Steuerventil 23 geschlossen und das Steuerventil 15 geöffnet. In dieser Schaltstellung öffnet das Gaswechselventil 1, weil eine mit Druck beaufschlagte erste Ringfläche 29 größer ist als eine mit dem gleichen Druck beaufschlagte zweite Ringfläche 31 des Kolbens 5, die zum zweiten Arbeitsraum 9 hin gerichtet ist.To open the gas exchange valve 1, the second control valve 23 is closed and the control valve 15 is opened. In this switching position, the gas exchange valve 1 opens because a pressurized first annular surface 29 is larger than a second annular surface 31 of the piston 5 which is pressurized and which is directed towards the second working chamber 9.
Wenn, wie in Fig. 1 dargestellt, die schaltbare Drossel 17 den Strömungswiderstand der Speiseleitung 11 nicht vergrößert, können schnelle Bewegungen des Gaswechselventils 1 realisiert werden. In der in Fig. 1 nicht dargestellten Schaltstellung der schaltbaren Drossel 17 wird der Stromungswiderstand m der Speiseleitung 11 erhöht, was eine entsprechende Verlangsamung der Sreuerbewegungen des Gaswechselventils 1 mit sich bringt.If, as shown in Fig. 1, the switchable throttle 17 does not increase the flow resistance of the feed line 11, rapid movements of the Gas exchange valve 1 can be realized. In the switching position of the switchable throttle 17, which is not shown in FIG. 1, the flow resistance m of the feed line 11 is increased, which brings about a corresponding slowdown in the scrubbing movements of the gas exchange valve 1.
Dies ist gewünscht, wenn kleinste Ventilhube bei kleiner Last realisiert werden sollen. Wenn die schaltbare Drossel 17 nicht vorhanden wäre, ließen sich kleinste Ventilhube nur durch extrem kurze Schaltzeiten des Steuerventils 15 realisieren, was technisch sehr aufwendig und unverhältnismäßig teuer wäre.This is desirable if the smallest valve lift should be realized with a small load. If the switchable throttle 17 were not present, the smallest valve lift could only be achieved by extremely short switching times of the control valve 15, which would be technically very complex and disproportionately expensive.
Fig. 2 zeigt ein hydraulisch betätigtes Gaswechselventil 1 mit einem Arbeitszylinder 3, der im wesentlichen gleich wie der in Fig. 1 etwas beschriebene Arbeitszylinder funktioniert. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.FIG. 2 shows a hydraulically operated gas exchange valve 1 with a working cylinder 3, which functions essentially the same as the working cylinder described somewhat in FIG. 1. The same components are provided with the same reference numerals.
Bei dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 2 umschließt der Kolben 5 das Gaswechselventil 1 und ragt auf der einem Ventilteller 33 abgewandten Seite über den Arbeitszylinder hinaus. Mit seinem dem Ventilteller 33 abgewandten Ende 37 berührt der Kolben 5 eine Bremsmasse 39. Die Bremsmasse ist bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel als2, the piston 5 encloses the gas exchange valve 1 and projects beyond the working cylinder on the side facing away from a valve plate 33. With its end 37 facing away from the valve plate 33, the piston 5 touches a braking mass 39. The braking mass is in the exemplary embodiment shown in FIG
Zylinderstuck ausgeführt, welches in dem Gehäuse 35 gef hrt ist. An seinem dem Gaswechselventil 1 abgewandten Ende 41 der Bremsmasse sind eine Feder 43 und ein Dampfer 45, insbesondere ein hydraulischer Dampfer, angeordnet.Cylinder piece executed, which is guided in the housing 35. At its end 41 of the brake mass facing away from the gas exchange valve 1, a spring 43 and a steamer 45, in particular a hydraulic steamer, are arranged.
In Fig. 2 ist das Gaswechselventil geschlossen dargestellt, d. h. der Ventilteller 33 liegt auf dem Ventilsitz 2 auf. In dieser Stellung des Gaswechselventils hebt das Ende 37 des Kolbens 5 die Bremsmasse von ihrem Anschlag 47 ab. Der Abstand zwischen Anschlag 47 und Bremsmasse 39 ist in Fig. 2 durch die Pfeile 49 verdeutlicht. Die Feder 43 hält die Bremsmasse 39 in Anlage an dem Kolben 5.In Fig. 2 the gas exchange valve is shown closed, ie the valve plate 33 rests on the valve seat 2. In this position of the gas exchange valve, the end 37 of the piston 5 lifts the braking mass from its stop 47. The The distance between the stop 47 and the braking mass 39 is illustrated in FIG. 2 by the arrows 49. The spring 43 holds the brake mass 39 in contact with the piston 5.
Wenn das Gaswechselventil 1 durch den Kolben 5 geöffnet wird und es sich in Fig. 2 nach unten bewegt, liegt die Bremsmasse 39 auf dem Anschlag 47 auf. Wenn das Gaswechselventil 1 durch den Kolben 5 geschlossen wird, trifft es deshalb, kurz bevor sein Ventilteller 33 auf dem Ventilsitz 2 aufschlägt, auf die Bremsmasse 39. DieWhen the gas exchange valve 1 is opened by the piston 5 and it moves downward in FIG. 2, the braking mass 39 rests on the stop 47. When the gas exchange valve 1 is closed by the piston 5, it therefore hits the braking mass 39 shortly before its valve disk 33 hits the valve seat 2
Geschwindigkeiten, mit denen das Gaswechselventil 1 auf die Bremsmasse 39 auftrifft, können bis zu 10 m/s betragen. In. der Regel wird die Geschwindigkeit, mit der das Gaswechselventil 1 auf der Bremsmasse 39 auftrifft, jedoch kleiner als 5 m/s sein. Beim Auftreffen desSpeeds at which the gas exchange valve 1 strikes the braking mass 39 can be up to 10 m / s. In. As a rule, however, the speed at which the gas exchange valve 1 hits the braking mass 39 will be less than 5 m / s. When the
Gaswechselventils 1 auf der Bremsmasse 39 wird der Impuls, den das Gaswechselventil 1 sowie der Kolben 5, die ja starr miteinander verbunden sind, enthalten, nahezu vollständig auf die Bremsmasse 39 übertragen. Infolgedessen wird das Gaswechselventil 1 schlagartig, d. h. auf einer Strecke von wenigen zehntel mm, nahezu auf die Geschwindigkeit 0 verzögert, während die Bremsmasse 39 eine extrem hohe Beschleunigung erfährt. Die Auslegung der für das Abbremsen des Gaswechselventils 1 durch Impulsübertragung auf die Bremsmasse 39 relevanten Parameter sollte so vorgenommen werden, dass nach der Impulsübertragung vom Gaswechselventil 1 auf die Bremsmasse 39 die Kombination von Gaswechselventil 1 und Kolben 5 eine Restgeschwindigkeit von beispielsweise weniger als 5m/s hat.Gas exchange valve 1 on the brake mass 39, the impulse contained in the gas exchange valve 1 and the piston 5, which are rigidly connected to one another, is transmitted almost completely to the brake mass 39. As a result, the gas exchange valve 1 becomes abrupt, i. H. over a distance of a few tenths of a millimeter, almost decelerated to speed 0, while the braking mass 39 experiences extremely high acceleration. The parameters relevant for braking the gas exchange valve 1 by pulse transmission to the brake mass 39 should be designed so that after the pulse transmission from the gas exchange valve 1 to the brake mass 39, the combination of gas exchange valve 1 and piston 5 has a residual speed of, for example, less than 5 m / s Has.
Der verbleibende Schließweg des Gaswechselventils 1, bis dieses auf dem Ventilsitz 2 aufsitzt, wird durch die Gaskräfte innerhalb des Brennraums der nicht dargestellten Brennkraftmaschine und die anstehenden hydraulischen Schließkräfte auf den Kolben überwunden. Damit setzt das Gaswechselventil mit niedriger Geschwindigkeit und sehr sanft auf dem Ventilsitz auf, was die Geräuschentwicklung beim Schließen des Gaswechselventils verringert und die Lebensdauer des Ventiltellers 33 sowie des Ventilsitzes 2 erhöht .The remaining closing path of the gas exchange valve 1 until it is seated on the valve seat 2 is determined by the gas forces within the combustion chamber of the internal combustion engine, not shown, and the hydraulic forces that are present Clamping forces on the piston overcome. The gas exchange valve thus sits on the valve seat at a low speed and very gently, which reduces the noise when the gas exchange valve closes and increases the service life of the valve plate 33 and of the valve seat 2.
Die Bremsmasse 39 gibt ihren Impuls, den sie von dem Gaswechselventil 1 und dem Kolben 5 übernommen hat, an die Feder 43 und den Dämpfer 45 weiter und wird somit gebremst. Anschließend drückt die Feder 43 die Bremsmasse 39 wieder in Richtung Gaswechselventil 1 und zwar bis an den Anschlag 47. All dies geschieht, während das Gaswechselventil 1 noch geöffnet ist. Somit befindet sich die Bremsmasse 39 in ihrer Ruhestellung, nämlich an ihrem Anschlag 47, bevor das Gaswechselventil wieder geschlossen wird und sich mit hoher Geschwindigkeit auf seinen Ventilsitz 2 zubewegt. Danach beginnt der soeben beschriebene Vorgang der Impulsübertragung vom Gaswechselventil 1 und dem Kolben 5 auf die Bremsmasse 39 erneut.The braking mass 39 transmits its impulse, which it has received from the gas exchange valve 1 and the piston 5, to the spring 43 and the damper 45 and is therefore braked. Then the spring 43 presses the braking mass 39 again in the direction of the gas exchange valve 1, up to the stop 47. All this happens while the gas exchange valve 1 is still open. The brake mass 39 is thus in its rest position, namely at its stop 47, before the gas exchange valve is closed again and moves towards its valve seat 2 at high speed. The process of momentum transmission from the gas exchange valve 1 and the piston 5 to the brake mass 39 then begins again.
Die erfindungsgemäße Bremseinrichtung ermöglicht eine sehr schnelle Verzögerung des Gaswechselventils 1 unmittelbar bevor dieses auf dem Ventilsitz 2 aufliegt. Damit kann eine optimale Steuerung der Gaswechselventile realisiert werden, was insbesondere bei der Frischgasdosierung oder der Restgasdosierung im Brennraum der Brennkraftmaschine sehr vorteilhaft ist. Da die Dissipation der kinetischen Energie des Gaswechselventils 1 und des Kolbens 5 unabhängig von der Schließbewegung des Gaswechselventils 1 in der erfindungsgemäßen Bremseinrichtung stattfindet, kann die Steuerbewegung des Gaswechselventils 1 den Anforderungen der Brennkraftmaschine entsprechend erfolgen. Die Dissipation der kinetischen Energie von Gaswechselventil 1 und Kolben 5 erfolgt unabhängig davon in der erfindungsgemäßen Bremseinrichtung, die für genau diese Aufgabe optimiert werden kann.The braking device according to the invention enables the gas exchange valve 1 to be decelerated very quickly immediately before it rests on the valve seat 2. In this way, optimal control of the gas exchange valves can be realized, which is particularly advantageous in the case of fresh gas metering or residual gas metering in the combustion chamber of the internal combustion engine. Since the dissipation of the kinetic energy of the gas exchange valve 1 and the piston 5 takes place independently of the closing movement of the gas exchange valve 1 in the braking device according to the invention, the control movement of the gas exchange valve 1 can take place according to the requirements of the internal combustion engine. The dissipation of the kinetic energy from gas exchange valve 1 and piston 5 takes place independently of this in the braking device according to the invention, which can be optimized for precisely this task.
Wenn die Bremsmasse 39 sich in Richtung des Anschlags 47 bewegt und das Gaswechselventil 1 noch geschlossen ist, trifft die Bremsmasse 39 in der in Fig. 2 gezeigten Stellung auf das Gaswechselventil 1. Dabei muss die Geschwindigkeit, mit der die Bremsmasse 39 auf das Gaswechselventil 1 trifft, so gering sein, dass es nicht zu einem Abheben des Ventiltellers 33 vom Ventilsitz 2 kommt. Sobald nun das Gaswechselventil 1 geöffnet wird,, bewegt sich die Bremsmasse 39 wieder bis zu ihrem Anschlag 47.When the brake mass 39 moves in the direction of the stop 47 and the gas exchange valve 1 is still closed, the brake mass 39 hits the gas exchange valve 1 in the position shown in FIG. 2. The speed at which the brake mass 39 hits the gas exchange valve 1 must hits, be so small that there is no lifting of the valve plate 33 from the valve seat 2. As soon as the gas exchange valve 1 is opened, the brake mass 39 moves again up to its stop 47.
In der Fig. 3 ist die Impulsübertragung von demIn Fig. 3 is the pulse transmission of that
Gaswechselventil 1 und dem Kolben 5 auf die Bremsmasse in einem Diagramm dargestellt. Dabei ist in der X-Achse die Zeit aufgetragen und auf der Y-Achse der Weg der Bremsmasse 39 sowie des Kolbens 5 und des Gaswechselventils 1. Als Nullpunkt ist die Ruhestellung der Bremsmasse 39 gewählt worden. In der Ruhestellung liegt die Bremsmasse an dem Anschlag 47 an.Gas exchange valve 1 and piston 5 on the braking mass shown in a diagram. The time is plotted in the X-axis and the path of the brake mass 39, the piston 5 and the gas exchange valve 1 is plotted on the Y-axis. The rest position of the brake mass 39 has been selected as the zero point. In the rest position, the braking mass rests on the stop 47.
Wenn nun das Gaswechselventil 1 und der Kolben 5 auf der Bremsmasse 39 aufschlagen, wird diese beschleunigt und bewegt sich von seiner Ruhestellung weg. Dieser Vorgang ist in Fig. 3 durch die Linie 51 dargestellt. Bei der diesem Diagramm zugrunde liegenden Modellbildung wurde angenommen, dass die Bremsmasse 39 nicht gedämpft wird. Deshalb stellt die Linie 51 in der Fig. 3 eine gleichförmige Bewegung der Bremsmasse 39 dar. Die Linie 53 zeigt den Weg des Gaswechselventils, nachdem es auf der Bremsrαasse 39 aufgetroffen ist. Die Massenverhältnisse von Gaswechselventil 1, Kolben 5 und Bremsmasse 39 wurden so gewählt, dass sich Kolben 5 und Gaswechselventil 1 nach der Impulsübertragung auf die Bremsmasse 39 nur noch mit einer sehr geringen Geschwindigkeit in Richtung des Ventilsitzes 2 bewegt haben. Wenige zehntel mm nach dem Auftreffen des Gaswechselventils 1 auf der Bremsmasse 39 liegt das Gaswechselventil 1 auf dem Ventilsitz 2 auf. Dieser Vorgang ist in Fig. 3 durch die Linie 53 veranschaulicht. Die Welligkeit der Linie 53 v/ird von Strukturschwingungen des Gaswechselventils 1 in Längsrichtung verursacht, welche durch die Impulsübertragung zwischen Gaswechselventil 1 und Bremsmasse 39 ausgelöst wurden. Durch die Eigendämpfung des Werkstoffs des Gaswechselventils 1 klingen diese Schwingungen jedoch rasch ab.If the gas exchange valve 1 and the piston 5 hit the brake mass 39, this is accelerated and moves away from its rest position. This process is represented in FIG. 3 by line 51. In the model formation on which this diagram is based, it was assumed that the brake mass 39 is not damped. Therefore, line 51 in FIG. 3 represents a uniform movement of brake mass 39. Line 53 shows the path of the gas exchange valve after it has hit brake line 39. The mass ratios of gas exchange valve 1, piston 5 and brake mass 39 were selected such that piston 5 and gas exchange valve 1 only moved at a very low speed in the direction of valve seat 2 after the impulse transmission to brake mass 39. A few tenths of a millimeter after the gas exchange valve 1 strikes the brake mass 39, the gas exchange valve 1 rests on the valve seat 2. This process is illustrated in FIG. 3 by line 53. The ripple of line 53 is caused by structural vibrations of gas exchange valve 1 in the longitudinal direction, which were triggered by the impulse transmission between gas exchange valve 1 and brake mass 39. Due to the inherent damping of the material of the gas exchange valve 1, however, these vibrations quickly subside.
Die erfindungsgemäße Bremseinrichtung vermag das Gaswechselventil 1 und den Kolben 5 auf einem Weg von weniger als 0,2 mm nahezu bis zum Stillstand abzubremsen. Die Stoßdauer, d. h. die Zeitspanne, innerhalb derer der Impuls vom Gaswechselventil 1 und dem Kolben 5 auf dieThe braking device according to the invention is able to brake the gas exchange valve 1 and the piston 5 almost to a standstill on a path of less than 0.2 mm. The bump duration, i.e. H. the time span within which the pulse from the gas exchange valve 1 and the piston 5 on the
Bremsmasse 39 übertragen wird, ist kleiner als 50 μs . Durch eine geeignete Dimensionierung und Gestaltung der Bremsmasse 39 kann die Geschwindigkeit des Gaswechselventils 1 und des Kolbens 5 nach dem Stoß auf nahezu Null gebracht werden.Brake mass 39 is transmitted is less than 50 μs. By suitable dimensioning and design of the brake mass 39, the speed of the gas exchange valve 1 and the piston 5 can be brought to almost zero after the impact.
In Fig. 4 ist der zeitliche Verlauf der Auslenkung der Bremsmasse 39 aus ihrer Ruhestellung sowie der Geschwindigkeit und der Beschleunigung der Bremsmasse 39 dargestellt. In der X-Achse ist die Zeit t in Millisekunden dargestellt. Die erste Y-Achse 55 zeigt die Auslenkung der Bremsmasse 39 in mm an. In der zweiten Y-Achse 57 ist die Geschwindigkeit der Bremsmasse 39 in m/s aufgetragen. Auf der rechten Seire von Fig. 4 ist eine dritte Y-Achse 59 dargestellt, welche die Beschleunigung der Bremsmasse 39 in 103 m/s2 aufgetragen ist.4 shows the time course of the deflection of the brake mass 39 from its rest position and the speed and acceleration of the brake mass 39. The time t is shown in milliseconds in the X axis. The first Y axis 55 shows the deflection of the braking mass 39 in mm. The speed of the braking mass 39 is plotted in m / s in the second Y axis 57. On The right side of FIG. 4 shows a third Y-axis 59, which shows the acceleration of the braking mass 39 in 103 m / s2 .
In Fig. 4 ist die Auslenkung der Bremsmasse durch die Linie 61 dargestellt. Aus dieser Linie lässt sich ablesen, dass die Bremsmasse 39 maximal um 3,8 mm von ihrem Anschlag 47 abhebt und nach etwa 9 ms wieder in ihrer Ruhestellung in Anlage an dem Anschlag 47 ist.4, the deflection of the braking mass is represented by line 61. It can be seen from this line that the braking mass 39 lifts a maximum of 3.8 mm from its stop 47 and after about 9 ms is in its rest position in contact with the stop 47.
Der Verlauf der Geschwindigkeit der Bremsmasse 39 ist in Fig. 4 durch die Linie 63 dargestellt. Dabei wird deutlich, dass unmittelbar nach dem Auftreffen des Ventils 1 und des Kolbens 5 auf der Bremsmasse 39 diese durch die bereits mehrfach erwähnte Impulsübertragung sehr stark beschleunigt wird und zwar bis auf eine Geschwindigkeit von 6, 7 m/s . Danach nimmt die Geschwindigkeit ab. Dort, wo die Bremsmasse 39 ihre Bewegungsrichtung umkehrt, nämlich nach etwa 1,7 ms, hat die Bremsmasse 39 die Geschwindigkeit null und anschließend einen negativen Wert, bis die Bremsmasse 39 wieder in ihrer Ruheposition angelangt ist.The course of the speed of the brake mass 39 is shown in FIG. 4 by the line 63. It becomes clear that immediately after the valve 1 and the piston 5 strike the brake mass 39, the latter is accelerated very strongly by the pulse transmission already mentioned several times, to a speed of 6.7 m / s. Then the speed decreases. Where the brake mass 39 reverses its direction of movement, namely after about 1.7 ms, the brake mass 39 has zero speed and then a negative value until the brake mass 39 has returned to its rest position.
Die Linie 65 stellt die Beschleunigung, welche die Bremsmasse erfährt, dar. Anhand dieser Linie wird deutlich, dass die Beschleunigung unmittelbar während desLine 65 represents the acceleration which the braking mass experiences. This line shows that the acceleration occurs immediately during the
Stoßvorgangs zwischen Kolben 5 und Gaswechselventil 1 einerseits und Bremsmasse 39 andererseits zu einer extrem hohen Beschleunigung der Bremsmasse 39 von etwa 8000 m/s2 führt, und dass diese Beschleunigung dann schnell abnimmt und bereits nach etwa 3 ms auf sehr kleine Werte abgesunken ist. Die Simulationsrechnung, die der Fig. 4 zugrunde liegt, wurde mit folgenden Annahmen durchgeführt:Impact between piston 5 and gas exchange valve 1 on the one hand and brake mass 39 on the other hand leads to an extremely high acceleration of the brake mass 39 of approximately 8000 m / s2 , and that this acceleration then decreases rapidly and has already dropped to very small values after approximately 3 ms. The simulation calculation on which FIG. 4 is based was carried out with the following assumptions:
Masse von Gaswechselventil 1 und Kolben 5: 80 g. Masse der Bremsmasse: 97 g.Mass of gas exchange valve 1 and piston 5: 80 g. Mass of the braking mass: 97 g.
Dämpfung des Dämpfers 45: 120 Ns/m beim Entfernen der Bremsmasse 39 vom Anschlag 47 und 10 Ns/m bei der Annäherung der Bremsmasse 39 an den Anschlag 47. Vorspannung der Feder 43: 15 NDamping of the damper 45: 120 Ns / m when removing the brake mass 39 from the stop 47 and 10 Ns / m when the brake mass 39 approaches the stop 47. Preload of the spring 43: 15 N
Federkonstante der Feder 43: 30.000 N/m.Spring constant of the spring 43: 30,000 N / m.
Der Zeitraum von 9 ms, innerhalb derer die Bremsmasse wieder in ihre Ruheposition zurückgeht, ist so kurz, dass bei einem Ventilruhewinkel des Gaswechselventils 1 vonThe time period of 9 ms within which the braking mass returns to its rest position is so short that at a valve rest angle of the gas exchange valve 1 of
440 ° Kurbelwelle Drehzahlen größer 7.000/min möglich sind. Dies ist für Großserienanwendungen von Brennkraftmaschinen ohne Weiteres ausreichend. Allerdings kann bei Bedarf die Maximaldrehzahl noch deutlich angehoben werden.440 ° crankshaft speeds greater than 7,000 rpm are possible. This is easily sufficient for large-scale applications of internal combustion engines. However, the maximum speed can still be increased significantly if necessary.
In Fig. 5 sind die gleichen Linien 61, 63 und 65 aufgetragen. Auch die Y-Achsen 55, 57 und 59 sind gleich. Allerdings trifft bei dem Diagramm gemäß Fig. 5 das Gaswechselventil 1 und der Kolben 5 mit einer deutlich niedrigeren Geschwindigkeit auf die Bremsmasse 39.The same lines 61, 63 and 65 are plotted in FIG. The Y axes 55, 57 and 59 are also the same. However, in the diagram according to FIG. 5, the gas exchange valve 1 and the piston 5 hit the braking mass 39 at a significantly lower speed.
Infolgedessen erreicht die Bremsmasse 39 lediglich eine Maximalgeschwindigkeit von etwa 4 m/s und die Auslenkung beträgt nur 2,3 mm. Die maximale Beschleunigung beträgt auch nur noch etwa 5.000 m/s2.As a result, the braking mass 39 only reaches a maximum speed of about 4 m / s and the deflection is only 2.3 mm. The maximum acceleration is only about 5,000 m / s2 .
Andere Simulationsrechnungen, die mit anderen Bremsmassen 39, anderen Federraten und anderen Dämpfungsraten durchgeführt wurden, haben ergeben, dass die erfindungsgemäße Bremseinrichtung innerhalb sehr weiter Grenzen an die Erfordernisse der Brennkraftmaschine, insbesondere des Gaswechselventils 1 und des Kolbens 5 sowie der Ventilruhezeiten des Gaswechselventils 1, während derer das Gaswechselventil 1 am Ventilsitz 2 anliegt, angepasst werden. Auch die Geometrie der Stoßflächen an Gaswechselventil 1 und Bremsmasse 39 (Größe und Form, z. 3, konvex gekrümmt) hat erheblichen Einfluß auf die Impulsübertragung und kann zur Optimierung der Impulsübertragung und Adaption des Systems an verschiedene Ventilsteuerungen genutzt werden. Somit ist die erfindungsgemäße Bremseinrichtung für nahezu jede Brennkraftmaschine, deren Gaswechselventile voll variabel und nockenwellenlos gesteuert werden, einsetzbar.Other simulation calculations that were carried out with different brake masses 39, different spring rates and other damping rates have shown that the braking device according to the invention meets the requirements of the internal combustion engine, in particular the gas exchange valve 1 and the piston 5, and the valve idle times of the gas exchange valve 1 within very wide limits, while which the gas exchange valve 1 rests on the valve seat 2 can be adjusted. Also the geometry of the butt surfaces Gas exchange valve 1 and brake mass 39 (size and shape, z. 3, convexly curved) has a considerable influence on the pulse transmission and can be used to optimize the pulse transmission and adaptation of the system to various valve controls. The braking device according to the invention can thus be used for almost any internal combustion engine whose gas exchange valves are controlled fully variably and without camshafts.