DE10140941A1

DE10140941A1 - Ventilmechanismus mit einem variablen Ventilöffnungsquerschnitt

Info

Publication number: DE10140941A1
Application number: DE10140941A
Authority: DE
Inventors: Uwe Hammer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-08-21
Filing date: 2001-08-21
Publication date: 2003-03-20
Also published as: KR20040030159A; WO2003018967A1; US20040050354A1; JP2005500462A; US6886513B2; EP1421262B1; DE50212326D1; EP1421262A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ventilmechanismus mit einem variablen Ventilöffnungsquerschnitt, wobei der Ventilmechanismus an einer Durchlassöffnung einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist und ein Gaswechselventil aufweist, das von der Kraft einer Ventilfeder beaufschlagt und innerhalb einer Führung über eine Ventilsteuereinheit in axialer Richtung hin- und hergehend verschiebbar ist, wobei die Position des Dichtschiebers relativ zum Gaswechselventil in axialer Richtung durch eine Verstelleinheit stufenlos einstellbar ist. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass koaxial zum Gaswechselventil (12) ein Dichtschieber (10) angeordnet ist, der von der Kraft einer Koppelfeder (24) beaufschlagt und durch die Ventilsteuereinheit in axialer Richtung hin- und hergehend verschiebbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventilmechanismus mit einem variablen Ventilöffnungsquerschnitt mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Es ist bekannt, als Antriebsmaschine von Kraftfahrzeugen Verbrennungskraftmaschinen einzusetzen. Hierbei wird ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in einem Arbeitsraum verdichtet und gezündet. Die hierbei entstehende Energie wird in mechanische Arbeit umgesetzt. Bekannt ist, Luft beziehungsweise das Luft- Kraftstoff-Gemisch dem Arbeitsraum über Ventile zuzuführen (Einlassventile) beziehungsweise die Verbrennungsprodukte über Ventile aus dem Arbeitsraum abzuführen (Auslassventile). Einer Steuerung dieser Ventile kommt für die Bestimmung eines Wirkungsgrades der Verbrennungskraftmaschine eine große Bedeutung zu. Insbesondere wird über die Steuerung der Ventile der Gaswechsel im Arbeitsraum gesteuert.
Bekannt ist, neben einer Nockenwellensteuerung auch eine elektrohydraulische Ventilsteuerung einzusetzen.
Die elektrohydraulische Ventilsteuerung bietet die Möglichkeit einer variablen oder vollvariablen Ventilsteuerung, so dass eine Optimierung des Gaswechsels und somit eine Steigerung des motorischen Wirkungsgrades der Verbrennungskraftmaschine möglich ist.
Die elektrohydraulische Ventilsteuerung umfasst ein hydraulisch betätigbares Steuerventil, dessen Steuerventilkolben einen Ventilkörper der Einlass- beziehungsweise Auslassventile betätigt und gegen einen Ventilsitz (Ventilsitzring) führt (Schließen des Ventils) oder von diesem wegbewegt (Öffnen des Ventils). Über eine Drucksteuerung eines Hydraulikmediums lässt sich das Steuerventil betätigen. Die Drucksteuerung erfolgt hierbei über in den Hydraulikkreislauf eingebundene Magnetventile. Um möglichst optimale Gaswechsel erreichen zu können, sind möglichst hohe Schaltgeschwindigkeiten des Steuerventils erwünscht. Durch diese hohen Schaltgeschwindigkeiten trifft der Ventilkörper der Einlass- beziehungsweise Auslassventile mit hoher Geschwindigkeit auf den Ventilsitzring. Hierdurch ergibt sich einerseits eine Geräuschentwicklung und die Ventilpartner unterliegen einem relativ hohen Verschleiß.

Beispielsweise hat die EP 0 455 761 B1 eine hydraulische Ventilsteuervorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine zum Gegenstand. Das technische Grundprinzip dieser Lösung besteht darin, ein Motorventil mittels eines gesteuerten Druckes einer Hydraulikflüssigkeit zu verschieben. Bei dieser Lösung ist vorgesehen, dass ein elektronisches Steuergerät ein Magnetventil ansteuert, das wiederum die Bewegung eines Speicherkolbens steuert, über den der Hub des Motorventils verändert wird.

Die EP 0 512 698 A1 beschreibt ein einstellbares Ventilsystem für einen Verbrennungsmotor. Diese Lösung stellt ein Beispiel einer mechanischen Ventilsteuerung über Nocken einer rotierenden Nockenwelle dar.

Die US 4,777,915 hat ein elektromagnetisches Ventilsteuersystem für eine Verbrennungskraftmaschine zum Gegenstand. Eine ähnliche Lösung einer elektromagnetischen Ventilsteuerung ist durch die EP 0 471 614 A1 bekannt. Bei diesen Lösungen wird das Ventil durch elektromagnetische Kraft hin- und hergehend in unterschiedliche Positionen bewegt. Die Elektromagneten sind dabei innerhalb eines Gehäuseteiles des Zylinderkopfes in zwei unterschiedlichen Bereichen angeordnet. Durch das abwechselnde Aktivieren der Elektromagneten wird das Ventil alternativ in zwei Endlagen bewegt, die jeweils der Öffnungs- und der Schließstellung des Ventiles entsprechen. In diesen Endlagen des Ventiles ist die Durchlassöffnung zum Verbrennungsraum des Luft-Kraftstoff-Gemisches dann am weitesten geöffnet oder völlig verschlossen.

Eine weitere Lösung ist aus der EP 0 551 271 B1 bekannt. Bei dieser Lösung handelt es sich um einen Ventilmechanismus mit einem Tellerventil, das in einem Durchgang eines Verbrennungsmotors angeordnet ist. Das Grundprinzip dieser Lösung besteht in einer Zweiteilung des Ventiltellers, wobei die eine Hälfte des Ventiltellers lediglich einen Teilhub der anderen Hälfte des Ventiltellers durchführt.

Nachteilig bei diesen bekannten Lösungen zur Ventilsteuerung ist insbesondere der hohe Aufwand bei der Fertigung und Montage des Ventilmechanismus aufgrund seines komplizierten Aufbaus. Dieses wirkt sich negativ auf die Kosten der Fertigung und Montage aus. Des Weiteren sind bei diesen Lösungen extrem hohe Geschwindigkeiten und große Kräfte zur Ventilsteuerung erforderlich, so dass eine erhöhte Störanfälligkeit der Ventilsteuerung aufgrund eines starken Verschleißes der Teile des Ventilmechanismus die unvermeidbare Folge ist.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Ventilmechanismus mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs bietet hingegen den Vorteil, mit einfachen Mitteln einen variablen Ventilöffnungsquerschnitt zu schaffen. Dadurch, dass koaxial zum Gaswechselventil ein Dichtschieber angeordnet ist, der von der Kraft einer Koppelfeder beaufschlagt und durch die Ventilsteuereinheit in axialer Richtung hin- und hergehend verschiebbar ist, wobei vorzugsweise die Position des Dichtschiebers relativ zum Gaswechselventil in axialer Richtung durch eine Verstelleinheit stufenlos einstellbar ist, wird ein Ventilmechanismus geschaffen, der einen einfachen Aufbau aufweist und sicher und dauerhaft funktioniert. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Ventilmechanismus besteht insbesondere darin, dass ein variabler Ventilöffnungsquerschnitt erzeugt werden kann, wobei jedes einzelne Ventil sich separat regeln lässt. Der variable Ventilöffnungsquerschnitt lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Ventilmechanismus vorteilhafterweise ohne hohe Geschwindigkeiten und ohne große Kräfte erzeugen, so dass die Störanfälligkeit dieses Ventilmechanismus sehr gering ist. Der erfindungsgemäße Ventilmechanismus kann aufgrund seines einfachen Aufbaus kostengünstig hergestellt und montiert werden. Die Erfindung schafft in vorteilhafter Weise eine variable Ventilsteuerung, durch die eine Optimierung des Gaswechsels und somit eine Steigerung des motorischen Wirkungsgrades der Verbrennungskraftmaschine möglich ist.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ventilsteuereinheit eine Nockenwelle ist.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gaswechselventil einen rotationssymmetrischen Grundaufbau hat und aus einem Ventilschaft besteht, an dessen unterem Ende ein Ventilteller angeordnet ist.

Nach weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ventilteller eine konische Umfangsfläche aufweist, die den Dichtsitz des Gaswechselventils bildet.

Ferner ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass in Schließstellung des Ventilmechanismus der Dichtsitz des Gaswechselventils jeweils unmittelbar an einem Dichtsitz des Dichtschiebers und an einem Ventilsitzring des Zylinderkopfes anliegt.

Darüber hinaus ist bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Dichtschieber aus einem buchsenförmigen Lagerkörper besteht, der innerhalb einer Führung des Zylinderkopfes axial hin- und hergehend verschiebbar angeordnet ist.

Durch diese vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung kann die Zufuhr des Luft-Kraftstoff-Gemisches mit einer großen Genauigkeit geregelt und damit ein hoher Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine erreicht werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Zylinderkopf mit dem erfindungsgemäßen Ventilmechanismus und
Fig. 2 eine Perspektivansicht eines Dichtschiebers des erfindungsgemäßen Ventilmechanismus.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In den beiden Figuren sind die einzelnen Teile des erfindungsgemäßen Ventilmechanismus schematisch und nur mit den für die Erfindung wesentlichen Bestandteilen dargestellt. Gleiche Teile des erfindungsgemäßen Ventilmechanismus sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden in der Regel jeweils nur einmal beschrieben.
In Fig. 1 ist der erfindungsgemäße Ventilmechanismus in seiner Anordnung im Zylinderkopf 18 eines Verbrennungsmotors dargestellt. Der Ventilmechanismus weist ein Gaswechselventil 12 auf, das von der Kraft einer Ventilfeder 16 beaufschlagt ist. Das Gaswechselventil 12 ist innerhalb einer Führung axial hin- und hergehend verschiebbar, wobei die Verschiebebewegung durch eine Ventilsteuereinheit erzeugt wird. In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist als Ventilsteuereinheit eine Nockenwelle (nicht dargestellt) vorgesehen.
Das Gaswechselventil 12 hat einen rotationssymmetrischen Grundaufbau und besteht aus einem Ventilschaft 14, an dessen unterem Ende ein Ventilteller 20 angeordnet ist. Die Fig. 1 zeigt den Ventilmechanismus in der Schließstellung des Gaswechselventils 12. Dabei liegt der Dichtsitz 28 des Gaswechselventils 12 jeweils unmittelbar an einem Dichtsitz 30 des Dichtschiebers 10 und an einem Ventilsitzring 22 des Zylinderkopfes 18 an.
Aufbau und Wirkungsweise von Gaswechselventilen 12 an sich sind allgemein bekannt, so dass hierauf im Rahmen der vorliegenden Beschreibung nicht näher eingegangen werden soll.
Die Erfindung sieht vor, dass koaxial zum Gaswechselventil 12 ein Dichtschieber 10 angeordnet ist. Der Dichtschieber 10 ist von der Kraft einer Koppelfeder 24 beaufschlagt und axial hin- und hergehend verschiebbar. Die Verschiebebewegung des Dichtschiebers 10 wird ebenfalls durch die Nockenwelle (nicht dargestellt), von der die Verschiebebewegung des Gaswechselventils 12 gesteuert wird, erzeugt.
In Fig. 2 ist der Dichtschieber 10 schematisch in einer Perspektivansicht dargestellt. Der Dichtschieber 10 besteht im Wesentlichen aus einem Lagerkörper 40 und einem Dichtkörper 38. Der Lagerkörper 40 des Dichtschiebers 10 ist buchsenförmig ausgebildet und innerhalb einer Führung des Zylinderkopfes 18 axial hin- und hergehend verschiebbar angeordnet. Am unteren Ende weist der Dichtschieber 10 einen zylinderförmigen Dichtkörper 38 auf, dessen Außenfläche den Dichtsitz 30 bildet. Der Dichtkörper 38 ist mit dem Lagerkörper 40 über Verbindungsstangen 42 verbunden.
Am Lagerkörper 40 ist nahe seinem oberen Ende eine Anschlagscheibe 26 befestigt. Zur Erleichterung der Montage besteht diese Anschlagscheibe 26 aus zwei Teilen. Die beiden Teile der Anschlagscheibe 26 sind von einem Spannring 36 umgeben, durch den sie zusammengehalten werden.
Die Verbindung zwischen dem Dichtkörper 38 und dem Lagerkörper 40 ist so ausgelegt, dass ausreichend Raum für die durchströmende Luft beziehungsweise für das Luft-Kraftstoff-Gemisch bleibt. Sowohl für den Einlass als auch für den Auslass der Luft beziehungsweise des Luft-Kraftstoff-Gemisches ist dadurch in vorteilhafter Weise innerhalb des Dichtschiebers 10 eine ausreichend große Durchlassöffnung zum ungehinderten Durchströmen dieses Mediums vorhanden.
Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ventilmechanismus zeigt folgende Funktion:
Durch die Ventilsteuereinheit, die in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung eine Nockenwelle (nicht dargestellt) ist, kann das Gaswechselventil 12 entweder geöffnet oder geschlossen werden. Das Gaswechselventil 12 wird wie bei einem herkömmlichen Ventiltrieb über die Nockenwelle am Ventilschaft 14 nach unten gedrückt und dabei der Bewegungsverlauf des Gaswechselventils 12 gesteuert. Hierfür sind alle bekannten Verfahren, die auf den technischen Prinzipien des Tassenstößels, Kipphebels, Schlepphebels und dergleichen basieren, anwendbar.
Die Nockenwelle 44 arbeitet gegen die Rückstellkraft der Ventilfeder 16, die sich am Zylinderkopf 18 und am Ventilteller 20, der sich mit dem Gaswechselventil 12 mitbewegt, abstützt. Durch Drehung der Nockenwelle 44 wird das Gaswechselventil 12 nach unten gedrückt, und der Dichtsitz 28 des Gaswechselventlis 12 hebt vom Ventilsitzring 22 ab.
Über die Koppelfeder 24, die unter einer bestimmten Vorspannung steht, wird der Dichtschieber 10 mitbewegt. Die Koppelfeder 24 stützt sich am Ventilteller 20 und an der Anschlagscheibe 26, die mit dem Dichtschieber 10 verbunden ist, ab. Hierdurch wird der Dichtsitz 30 des Dichtschiebers 10 auf den Dichtsitz 28 des Gaswechselventils 12 gedrückt. Da zwischen dem Dichtkörper 38 und dem Ventilsitzring 22 eine Ringspaltdichtung besteht, kann nur eine sehr geringe Luftmenge (Leckage) in den Brennraum 32 gelangen.
Das Gaswechselventil 12 und damit auch der Dichtschieber 10 folgen dem Nockenverlauf, bis die Anschlagscheibe 26 auf den Regelschieber 34 auftrifft.
Der Regelschieber 34 ist in axialer Richtung des Ventilschaftes 14 in seiner Ausgangsposition relativ zum Gaswechselventil 12 verstellbar. Die Verstellung kann elektrisch, hydraulisch oder auch pneumatisch erfolgen. Der Regelschieber 34 kann nur über eine entsprechende Verstelleinheit (nicht dargestellt) verstellt werden. Ansonsten bleibt die Position des Regelschiebers 34 innerhalb des Ventilmechanismus fix, auch wenn von außen Kräfte auf ihn einwirken. Die Verstelleinheiten können jeweils elektrisch, hydraulisch oder auch pneumatisch betätigbar sein.
Sobald die Anschlagscheibe 26 auf den Regelschieber 34 auftrifft, kann der Dichtschieber 10 keine Bewegung in Öffnungsrichtung des Gaswechselventils 12 mehr durchführen. Da das Gaswechselventil 12 durch die Nockenwelle weiter bewegt wird, hebt der Dichtsitz 28 des Gaswechselventils 12 vom Dichtsitz 30 des Dichtschiebers 10 ab, wobei Luft in den Brennraum 32 eindringen kann. Die Koppelfeder 24 wird dabei zusammengedrückt.
Folgt das Gaswechselventil 12 der Schließflanke der Nockenwelle, wird es durch die Ventilfeder 16 in Schließrichtung gedrückt. Der Dichtsitz 28 des Gaswechselventils 12 legt sich am Dichtsitz 30 des Dichtschiebers 10 an. Der Dichtschieber 10 wird mitgenommen, bis der Dichtsitz 28 des Gaswechselventils 12 am Ventilsitzring 22 anliegt und das Gaswechselventil 12 geschlossen ist.
Das Gaswechselventil 12 und somit auch der Dichtschieber 10 folgen dem Nockenverlauf der Nockenwelle 44. Zu einem bestimmten Zeitpunkt trifft die Anschlagscheibe 26, die mit dem Dichtschieber 10 verbunden ist, auf den Regelschieber 34 (in Fig. 1 dargestellter Zustand). Danach kann der Dichtschieber 10 dem Nockenverlauf der Nockenwelle 44 nicht mehr folgen. Das Gaswechselventil 12 hebt vom Dichtschieber 10 ab und Luft kann in den Brennraum gelangen.
Durch axiales Verschieben der Position des Regelschiebers 34 über eine Verstelleinheit (nicht dargestellt) kann eingestellt werden, wann sich der Dichtsitz 28 des Gaswechselventils 12 vom Dichtsitz 30 des Dichtschiebers 10 abhebt. Auf diese vorteilhafte Weise lässt sich der Öffnungsquerschnitt des Gaswechselventils 12 und somit auch die Menge der in den Brennraum 32 gelangenden Luft regeln.

Claims

1. Ventilmechanismus mit einem variablen Ventilöffnungsquerschnitt, wobei der Ventilmechanismus an einer Durchlassöffnung einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist und ein Gaswechselventil aufweist, das von der Kraft einer Ventilfeder beaufschlagt und durch eine Ventilsteuereinheit innerhalb einer Führung in axialer Richtung hin- und hergehend verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass koaxial zum Gaswechselventil (12) ein Dichtschieber (10) angeordnet ist, der von der Kraft einer Koppelfeder (24) beaufschlagt und durch die Ventilsteuereinheit in axialer Richtung hin- und hergehend verschiebbar ist.

2. Ventilmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Dichtschiebers (10) stufenlos einstellbar ist.

3. Ventilmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsteuereinheit vorzugsweise eine Nockenwelle ist.

4. Ventilmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaswechselventil (12) einen rotationssymmetrischen Grundaufbau hat und aus einem Ventilschaft (14) besteht, an dessen unterem Ende ein Ventilteller (20) angeordnet ist.

5. Ventilmechanismus nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (20) eine konische Umfangsfläche aufweist, die den Dichtsitz (28) des Gaswechselventlis (12) bildet.

6. Ventilmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schließstellung des Ventilmechanismus der Dichtsitz (28) des Gaswechselventils (12) jeweils unmittelbar an einem Dichtsitz (30) des Dichtschiebers (10) und an einem Ventilsitzring (22) des Zylinderkopfes (18) anliegt.

7. Ventilmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtschieber (10) aus einem buchsenförmigen Lagerkörper (40) besteht, der innerhalb einer Führung des Zylinderkopfes (18) axial hin- und hergehend verschiebbar angeordnet ist.

8. Ventilmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der buchsenförmige Lagerkörper (40) des Dichtschiebers (10) die Führung des Gaswechselventils (12) bildet, innerhalb der das Gaswechselventil (12) axial hin- und hergehend verschiebbar ist.

9. Ventilmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtschieber (10) an seinem unteren Ende einen zylinderförmigen Dichtkörper (38) aufweist, dessen Außenfläche den Dichtsitz (30) bildet.

10. Ventilmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtkörper (38) über Verbindungsstangen (42) mit dem Lagerkörper (40) verbunden ist.

11. Ventilmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Lagerkörper (40) des Dichtschiebers, nahe seinem oberen Ende, eine Anschlagscheibe (26) befestigt ist.

12. Ventilmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagscheibe (26) aus zwei Teilen besteht.

13. Ventilmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Teile der Anschlagscheibe (26) von einem Spannring (36) umgeben sind.