-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft ein hydraulisches Ventilspielausgleichselement
für einen
Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors, insbesondere nach dem Oberbegriff
der Patentansprüche
1 und 10.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Hydraulische
Ventilspielausgleichselemente dienen dem Ausgleich des Spiels, das
sich durch Verschleiß oder
Wärmedehnung
zwischen den Übertragungselementen
des Nockenhubs auf die Gaswechselventile eines Verbrennungsmotors
bildet. Auf diese Weise sollen ein geräusch- und verschleißarmer Ventiltrieb
und eine weitest mögliche Übereinstimmung
von Nockenerhebungskurve und Ventilhubkurve erreicht werden.
-
In
der
EP 1 298 287 A2 ist
ein hydraulisches Ventilspielausgleichselement für den Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors
offenbart, das durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:
- – ein
Gehäuse
weist eine Sackbohrung auf, in der ein Kolben mit Dichtspiel geführt ist,
der in Druckkontakt mit einem Ventilbetätigungselement und dessen Nocken
steht;
- – der
Kolben begrenzt zusammen mit der Sackbohrung einen Hochdruckraum,
während
sich oberhalb des Kolbens ein Niederdruckraum befindet;
- – die
Druckräume
sind durch zumindest eine zentrale Axialbohrung im Kolben verbunden,
die durch ein im Kolben angeordnetes Steuerventil beherrscht ist.
-
Derartige
Steuerventile sind als Rückschlagventile
ausgebildet. Sie besitzen eine Steuerventilkugel, die von einer
Steuerventilfeder beaufschlagt ist. Bei der Standardbauweise des
Steuerventils wird die Steuerventilfeder in Schließrichtung
beaufschlagt. Dadurch ist das Steuerventil überwiegend geschlossen und
es entfällt
ein Leerhub des Ventilspielausgleichselements. Es besteht sogar
die Gefahr des Aufpumpens desselben und eines negativen Ventilspiels.
-
Diese
Nachteile werden von Steuerventilen vermieden, deren Steuerventilfeder
die Steuerventilkugel in Öffnungsrichtung
beaufschlagt. Hydraulische Ventilspielausgleichselemente mit einem
derartigen Steuerventil werden wegen der umgekehrten Anordnung der
Steuerventilfeder hydraulische Reverse Spring-Ventilausgleichselemente (RSHVA) oder
wegen des in der Grundkreisphase offenen Steuerventils „Normally
Open Lash Adjusters" (NOLA)
genannt. RSHVA's
zeichnen sich durch einen positiven Einfluss auf die Thermodynamik,
die Schadstoffemission und die mechanische Beanspruchung des Verbrennungsmotors
aus und werden deshalb in zunehmendem Maße eingesetzt.
-
Da
das RSHVA erst durch den mit Beginn der Nockenerhebung einsetzenden,
vom Hoch- zum Niederdruckraum fließenden Schmierölstrom durch hydrodynamische
und hydrostatische Kräfte
geschlossen wird, besitzt das RSHVA vor Beginn des Ventilhubs immer
einen Leerhub. Dessen Größe hängt von
der Motordrehzahl und der Länge
der Schließzeit
des RSHVA's und
diese wiederum von der Viskosität
bzw. Temperatur des Schmieröls
ab. Wird ein konstanter Leerhub gewünscht, sind aufwändige Maßnahmen
am Steuerventil erforderlich.
-
Ein
weiteres Problem des RSHVA's
wird anhand der Auslegung der Ventilkörperfeder der gattungsbildenden
EP 1 298 287 A2 gezeigt.
Diese Ventilkörperfeder
ist so ausgelegt, dass das Ventil zwischen dem Hoch- und Niederdruckraum
bei Montage des RSHVA's
einen Fluidaustausch erlaubt, jedoch bei Druckanstieg im Hochdruckraum
gegen die Federkraft der Ventilkörperfeder
rasch möglichst schließt. Diese
Federkraft muss demnach relativ niedrig sein. Deshalb kann der kugelförmige Verschließkörper durch
mögliche
seitliche Anströmung in
Rotation versetzt und mit der Ventilkörperfeder seitlich verlagert
werden. Dadurch werden die Schließkraft der Ventilkörperfeder
und als Folge davon der Leerhub des RSHVA's verändert. Im Extremfall kann die
Ventilkörperfeder
in den Sitzspalt des Steuerventils gelangen, was zu weiteren Variationen des
Leerhubs und zur Verstimmung oder sogar zum Totalausfall des RSHVA's und zur Zerstörung der Ventilkörperfeder
führen
kann.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hydraulisches Ventilspielausgleichselement
zu schaffen, das die Vorteile der im Stand der Technik aufgeführten Lösung aufweist,
aber deren Nachteile vermeidet.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Da
die obere und untere zentrale Axialbohrung des Kolbens allein durch
dessen Relativbewegung gegenüber
dem stillstehenden, massenträgen Ventilkörper beherrscht
werden, benötigt
das Wechselventil keine Steuerventilfeder. Es ist daher robuster
und zuverlässiger
als ein Standard-HVA oder ein RSHVA. Trotz fehlender Reverse Spring
sind die beiden zentralen Axialbohrungen im Kolben bei stehendem
Motor und im Grundkreisbereich des Nockens bei laufendem Motor geöffnet. Dadurch
ist ein Ölaustausch
zwischen den Druckkammern und damit eine einfache Montage des erfindungsgemäßen HVA's möglich.
-
Ein
interessantes Merkmal des Wechselventils besteht darin, dass dieses
aufgrund der beiden zentralen Axialbohrungen und dem doppelseitig
wirkenden Ventilkörper
den Ölstrom
in beide Richtungen sperren kann. Während bei Abwärtsbewegung des
Kolbens, wie sie bei jedem Ventilhub eintritt, die obere zentrale
Axialbohrung geschlossen wird, findet eine Schließung der
unteren zentralen Axialbohrung bei plötzlichem Spiel im Ventiltrieb
statt. Dadurch wird der Kolben veranlasst sich unter der Federkraft
der im Hochdruckraum befindlichen Druckfeder nach oben zu bewegen.
Auf diese Weise kommt die untere Dichtfläche des ruhenden Ventilkörpers mit
dem unteren Flachsitz des Kolbens in Berührung und schließt die untere
zentrale Axialbohrung. So wird ein weiteres Ausdehnen des HVA's begrenzt und dessen Aufpumpen
verhindert. Deshalb können
mit dem erfindungsgemäßen Wechselventil
die gleichen Vorteile bezüglich
Thermodynamik, Schadstoffemission und Motorbeanspruchung wie bei
einem RSHVA erreicht werden.
-
Es
bietet Fertigungsvorteile, wenn der Ventilkörper kreiszylindrisch ausgebildet
und in einer axialen Mittenbohrung geführt ist, die die beiden zentralen
Axialbohrungen verbindet.
-
Vorteilhaft
ist, dass durch Zusammenwirken von vorzugsweise flachen Dichtflächen der
Stirnseiten des Ventilkörpers
mit flachen Dichtflächen
der Schultern des Kolbens der Ölstrom
durch die zentralen Axialbohrungen bzw. zwischen den Druckräumen steuerbar
ist. Die flachen Dichtflächen
bieten Fertigungs- und
Bauraumvorteile.
-
Aus
Fertigungs- und Montagegründen
ist es von Vorteil, dass der Kolben ein Oberteil und ein Unterteil
aufweist, die beide gleich ausgebildet sind und die nach Bearbeitung
ihrer Innenkontur und nach Einbau des Ventilkörpers spiegelbildlich und druckdicht verbunden
werden.
-
Durch
großzügig bemessene
axiale Strömungskanäle am Ventilkörper wird
der selbe beim Schließvorgang
des Wechselventils mit nur geringer Strömungsgeschwindigkeit umströmt. Dadurch
tritt auch bei erhöhter
Viskosität
des Schmieröls
nur geringe Flüssigkeitsreibung
am Ventilkörper
auf, so dass allein die Kolbenbewegung in Verbindung mit der trägen Masse
des Ventilkörpers
den Schließvorgang
bestimmen. Dadurch wird der Einfluss der Ölviskosität bzw. der Öltemperatur auf den Schließvorgang
des Wechselventils weitgehend ausgeschaltet.
-
Die
axialen Strömungskanäle können als vier,
am Umfang des kreiszylindrischen Ventilkörpers gleichmäßig verteilte
Axialnuten mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sein.
-
Alternativ
besteht die Möglichkeit,
dass zur Bildung von axialen Strömungskanälen an den
Enden eines alternativen, kreiszylindrischen Ventilkörpers vier
radial angeordnete Führungselemente
vorgesehen sind, zwischen denen sich die Strömungskanäle befinden.
-
Die
Aufgabe der Erfindung wird auch durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 10
gelöst.
Zur Stabilisierung der axialen Lage des Ventilkörpers sind im Inneren eines
anderen Kolbens zwei gleiche, konzentrisch angeordnete und axial
gegenüberliegende
Vorspannfedern vorgesehen, die die Stirnseiten des Ventilkörpers mit
Druck beaufschlagen und den selben bei geöffnetem Wechselventil in einer
Mittellage zwischen zwei Dichtflächen des
Kolbens halten. Auf diese Weise wird auch bei starker Beschleunigung
z. B. durch Stoßbelastung der
HVA eine gleichmäßige Schließzeit des
Wechselventils erreicht. Die Vorspannfedern sind im Vergleich zu
den Steuerventilfedern des Standard-Steuerventils oder des RSHVA's robust und langlebig
ausgebildet.
-
Es
ist von Vorteil, dass der Kolben verstärkte Kolbenböden mit
inneren Ringnuten aufweist, die koaxial zu den zentralen Axialbohrungen
angeordnet sind und zur Unterbringung der Vorspannfedern dienen.
Auf diese Weise ist der für
die Unterbringung der Vorspannfedern erforderliche Raum geschaffen.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
und den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung
schematisch dargestellt sind.
-
Dabei
zeigen:
-
1 einen
Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes hydraulisches
Ventilspielausgleichselement mit Wechselventil und freibeweglichem
Ventilkörper;
-
2 einen
Querschnitt durch den Ventilkörper
von 1;
-
3 einen
Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes HVA ähnlich dem
von 1, jedoch mit Vorspannfedern für den Ventilkörper;
-
4 eine
Ansicht eines modifizierten Ventilkörpers;
-
5 einen
Querschnitt durch den Ventilkörper
von 4.
-
Ausführliche
Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt
einen Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes HVA,
das ein Gehäuse 1,
mit einer Sackbohrung 2 aufweist, in der ein Kolben 3 mit Dichtspiel
geführt
ist. Der Kolben 3 begrenzt zusammen mit der Sackbohrung 2 einen
Hochdruckraum 4, während
sich oberhalb des Kolbens 3 ein Niederdruckraum 5 befindet.
Der Kolben 3 steht in Druckkontakt mit einem Ventilbetätigungselement 6,
das beispielsweise als Schlepphebel ausgebildet ist und von einem
nicht dargestellten Nocken angetrieben wird.
-
Im
Hochdruckraum 4 befindet sich eine Druckfeder 7,
die den Kolben 3 druckbeaufschlagt, um das Ventilspiel
zu minimieren. Im Kolbeninneren befindet sich ein Wechselventil 11,
das einen kreiszylindrischen Ventilkörper 12 aufweist,
der in einer axialen Mittenbohrung 13 leichtgängig geführt ist
und der eine obere und eine untere zentrale Axialbohrung 14, 15 beherrscht.
Der Kolben 3 besteht aus einem Oberteil 8 und
einem Unterteil 9, die gleich ausgebildet und spiegelverkehrt
angeordnet sind. Sie werden nach Einbau des Ventilkörpers 12 in
einer Trennebene 10 druckdicht verbunden.
-
Der
Ventilkörper 12 besitzt
auf seinen Stirnseiten 16, 17 flache Dichtflächen 18, 19,
die mit Dichtflächen 20, 21 auf
Schultern 22, 23 des Kolbens 3 zusammenarbeiten,
um den Ölstrom
zwischen den Druckräumen 4, 5 zu
steuern.
-
Am
Umfang des Ventilkörpers 12 sind,
wie auch aus 2 hervorgeht, vier gleichmäßig verteilte,
axiale Nuten 24 vorgesehen. Diese dienen der Strömungsverbindung
zwischen den beiden zentralen Axialbohrungen 14, 15 und
zwischen den Druckräumen 4, 5.
Der rechteckige Querschnitt der Nuten 24 bietet dem Ölstrom einen
geringen Strömungswiderstand.
-
Die
erfindungsgemäße HVA funktioniert
folgendermaßen:
Im
Grundkreisbereich des Nockens sind die Druckräume 4, 5 des
HVA's drucklos,
so dass sich der Ventilkörper 12 zwischen
den Dichtflächen 20, 21 der Schultern 22, 23 des
Kolbens 3 befindet und ein Ölstrom zwischen den Druckräumen 4, 5 möglich ist. Die
dadurch mögliche Ölumströmung des
Ventilkörpers 12 ist
so gering, dass dadurch dessen Position kaum beeinflusst wird. Sobald
jedoch der Nocken beginnt das Ventilbetätigungselement zu beaufschlagen,
stützt
sich dieses auf dem Kolben 3 ab und veranlasst dessen Abwärtsbewegung.
Da der Ventilkörper 12 seine
Position im Inneren des Kolbens 3 aufgrund seiner Massenträgheit im
wesentlichen beibehält,
kommt es kurz über
lang zu einer Berührung
seiner Dichtfläche 18 mit
der Dichtfläche 20 der
Schulter des Kolbens 3. Dadurch wird die obere zentrale
Axialbohrung 14 geschlossen und das HVA wird hydraulisch
steif.
-
Nach
Durchlaufen der Nockenhubkurve gelangt der Nocken wieder in seinen
Grundkreisbereich, wo sich der Innendruck des Hochdruckraums 4 entspannt.
Mit Beginn des neuen Nockenhubs kann der nächste Takt des Verbrennungsmotors
beginnen.
-
Ein
besonderes Merkmal des erfindungsgemäßen HVA's besteht darin, dass das Wechselventil 11 in
beiden Bewegungsrichtungen des Kolbens 3 sperrt. Sollte
sich z. B. im Grundkreisbereich des Nockens eine plötzliche
Vergrößerung des
Ventilspiels ergeben, versucht die Druckfeder 7 den Kolben 3 nach
oben zu bewegen und damit den Hochdruckraum aufzupumpen. Durch die
Aufwärtsbewegung des
Kolbens 3 kommt es bald zu einer Berührung der Dichtfläche 19 des
in Ruhe befindlichen Ventilkörpers 12 mit
der Dichtfläche 21 der
Schulter 28 des Kolbens 3, wodurch die untere
zentrale Axialbohrung 15 geschlossen wird und dadurch ein
weiteres Aufpumpen des Hochdruckraums 4 verhindert wird.
-
In 3 ist
eine Variante des HVA's
der 1 im Längsschnitt
dargestellt. Während
in 1 der Ventilkörper 12 sich
frei zwischen den Dichtflächen 20, 21 des
Kolbens 3 bewegen kann, wird der Ventilkörper 12' der 3 durch
zwei gleiche, entgegengerichtete Vorspannfedern 29, 30 in
Mittellage zwischen den Dichtflächen 20', 21' des Kolbens 3' gehalten. Dadurch
ist die Ausgangs position des Ventilkörpers 12' immer gleich,
auch wenn der Verbrennungsmotor als Ganzes größeren Beschleunigungen unterworfen
ist.
-
Ansonsten
ist die Funktionsweise des Kolbens 3' gleich der des Kolbens 3.
-
Zur
Unterbringung der Vorspannfedern 29, 30 ist der
Kolbenboden 27', 28' des Kolbens 3' gegenüber dem
Kolbenboden 27, 28 des Kolbens 3 verstärkt. Die
Vorspannfedern 29, 30 sind in inneren Ringnuten 25, 26 untergebracht,
die koaxial zu den zentralen Axialbohrungen 14', 15' im Kolbenboden 27', 28' angeordnet
sind.
-
In 4 ist
eine Ansicht und in 5 ein Längsschnitt eines kreiszylindrischen
Ventilkörpers 12a dargestellt.
Dieser weist an beiden Enden vorzugsweise vier radiale Führungselemente 31 auf,
die mit dem selben einstückig
ausgebildet sind. Zwischen den Führungselementen 31 ist
ausreichend Strömungsquerschnitt
vorgesehen, um die Strömungsgeschwindigkeit
des Öls
am Ventilkörper 12a und
deren Einfluss auf dessen Position gering zu halten.
-
- 1
- Gehäuse
- 2
- Sackbohrung
- 3,
3'
- Kolben
- 4
- Hochdruckraum
- 5
- Niederdruckraum
- 6
- Ventilbetätigungselement
- 7
- Druckfeder
- 8
- Oberteil
- 9
- Unterteil
- 10
- Trennfuge
- 11,
11'
- Wechselventil
- 12,
12', 12a
- Ventilkörper
- 13
- axiale
Mittenbohrung
- 14,
14'
- obere
zentrale Axialbohrung
- 15,
15'
- untere
zentrale Axialbohrung
- 16
- Stirnseite
- 17
- Stirnseite
- 18
- Dichtfläche
- 19
- Dichtfläche
- 20,
20'
- Dichtfläche
- 21,
21'
- Dichtfläche
- 22
- Schulter
- 23
- Schulter
- 24
- Axialnut
- 25
- Ringnut
- 26
- Ringnut
- 27,
27'
- Kolbenboden
- 28,
28'
- Kolbenboden
- 29
- Vorspannfeder
- 30
- Vorspannfeder
- 31
- Führungselement