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Hintergrund
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1.
Technisches Gebiet. Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Verbrennungsmotor
mit Nockenstößeln, die um eine gemeinsame Welle schwenken
und jeweils mehrere Stößelstangen mit unabhängigen
Spielausgleichselementen antreiben.
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2.
Stand der Technik. Herkömmliche Verbrennungsmotoren nutzen
einen nockenwellengetriebenen Ventiltrieb zum Betreiben von Einlass-
und Auslassventilen, die den Austausch von Gasen in den zwischen
dem Motorblock und dem Zylinderkopf gebildeten Brennräumen
steuern. Motoren werden häufig durch die Position der Nockenwelle
im Verhältnis zu den Ventilen kategorisiert, wobei oben
liegende Nockenwellenventiltriebe von einer Nockenwelle in dem Zylinderkopf über
den Ventilen angetrieben werden und Stößelstangenventiltriebe
oder Ventiltriebe mit „Nockenwelle im Block" die Nockenwelle
im Motorblock angeordnet aufweisen, wobei die Ventile mit Hilfe
von Stößelstangen und Kipphebeln betrieben werden.
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Derzeitige
Stößelstangenmotoren mit vier Ventilen pro Zylinder
umfassen zwei Einlassventile und zwei Auslassventile pro Zylinder.
Jedes Ventilpaar wird gemeinsam durch einen überbrückten
Ventiltrieb betrieben, der einen von einer Nockenwelle getriebenen
Nockenstößel (auch als Stößel
bezeichnet) umfasst, der von einer einzigen Stößelstange
mit einem Kipphebel verbunden ist, der eine mit dem Ventilpaar (Einlass
oder Auslass) gekoppelte Brücke antreibt. Der überbrückte
Ventiltrieb ist eine kostengünstige Ausgestaltung, die
bei vielen Anwendungen eine annehmbare Leistung erreicht, auch wenn
der Betrieb der beiden überbrückten Ventile nicht
präzis synchronisiert ist, da die an der Brücke
ausgeübte Kraft nicht perfekt zwischen den Ventilen ausgeglichen
werden kann, die Ventile etwas unterschiedliche Federkräfte
haben können und die Ventilbestandteile etwas unterschiedlichen
Verschleiß erfahren können. Dies kann zu einem
späten Öffnen eines Ventils führen und/oder
bei Ventilschließen kann ein Ventil zuerst zum Aufliegen
kommen, was bewirkt, dass das andere Ventil spät mit einer
höher als geplanten Geschwindigkeit zum Aufliegen kommt.
Zudem werden die Ventilschaftspitzen am Rand durch die Brücke
mit höheren mechanischen Spannungen belastet, was zu höheren
Verschleißraten und möglichen Probleme mit Geräusch,
Vibration und Rauheit (NVH, vom engl. Noise, Vibration, Harshness)
führt. Während Systeme mit einzelner obenliegender
Nockenwelle (SOHC, vom engl. Single Overhead Cam) und zwei obenliegenden
Nockenwellen (DOHC, vom engl. Dual Overhead Cam) unabhängig
gesteuerte Ventile zum Beheben einiger dieser Probleme aufweisen,
sind die SOHC- und DOHC-Systeme wesentlich teurer und haben im Verhältnis
zu einer Ausgestaltung mit Nockenwelle im Block eine größere Baubreite.
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Ein
Stößel mit mehreren unabhängig betreibbaren
Spielausgleichsmechanismen wurde zum Beheben dieser Nachteile entwickelt,
der in der gemeinsam gehaltenen und gleichzeitig angemeldeten
U.S. Patentanmeldung Nr. 11/164,620 ,
eingereicht am 30. November 2005, beschrieben wird. Eine Ausführung eines
Stößels, die in dieser Anmeldung offenbart wird,
umfasst einen Körper oder ein Gehäuse mit unabhängig
betreibbaren hydraulischen Spielausgleichselementen, wobei sich
der Körper als Reaktion auf Nockenwellendrehung in einer
Bohrung in dem Motorblock hin und her bewegt, um die zugeordneten
Stößelstangen, Kipphebel und Ventile zu betätigen.
Während der offenbarte Stößel eine Reihe
von Vorteilen gegenüber verschiedenen vorbekannten Lösungen
vorsieht, wurden seitdem alternative Ausführungen entwickelt,
die zusätzliche Vorteile bieten können und/oder
für bestimmte Anwendungen besser geeignet sind.
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Kurzdarlegung
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Ein
Mehrzylinder-Verbrennungsmotor mit einem Ventiltrieb mit einer in
einem Motorblock angeordneten Nockenwelle und mindestens zwei von
einer gemeinsamen Nockenwelle betriebenen Ventilen umfasst eine
im Allgemeinen parallel zu der Nockenwelle angeordnete feststehende
Welle und einen Nockenstößel mit einem ersten
Ende mit einer Öffnung, das an der feststehenden Welle
schwenkbar angebracht ist, einem zweiten Ende, das zum Verbinden mit
mindestens zwei Stößelstangen ausgelegt ist, die jeweils
einem der mindestens zwei Ventile zugeordnet sind, und einer an
einer im Allgemeinen zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende
angeordneten Rollenachse angeordneten Rolle, wobei die Rolle den
gemeinsamen Nockenwellennocken kontaktiert. Der Nockenstößel
kann unabhängig betreibbare Spielausgleichselemente für
Stößelstangen aufweisen, die durch einen gemeinsamen
Nockenwellennocken angetrieben werden.
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In
einer Ausführung nach der vorliegenden Offenbarung umfasst
ein Verbrennungsmotor mehrere an einer Welle angebrachte Nockenstößel,
die jeweils mit mindestens zwei Stößelstangen
verbunden sind und ein unabhängig betreibbares hydraulisches Spielausgleichselement
für jede Stößelstange aufweisen. Die
Welle ist eine nicht drehende, feststehende Welle, die in dem Motorblock
angeordnet ist und sich im Allgemeinen parallel zu der Nockenwelle erstreckt.
Die unabhängig betreibbaren hydraulischen Spielausgleichselemente
umfassen jeweils ein Gehäuse mit einer in einer Bohrung
in dem Gehäuse angeordneten Hülse und weisen ein
geschlossenes Ende und ein offenes Ende auf. In der Hülse
ist ein Kolben angeordnet und bildet zwischen dem geschlossenen
Ende und dem Kolben eine erste Hochdruckkammer aus. Ein Rückschlagventil
ist zwischen dem Kolben und der Hülse zum Steuern von Strömen von
Hydraulikfluid von dem Kolben in die Hochdruckkammer angeordnet.
Das Hydraulikfluid in der Hochdruckkammer wirkt mit der Kolbenfeder
zusammen, um das mit der Stößelstange, dem Kipphebel,
dem ersten Ventil verbundene Spiel zu beseitigen.
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Eine
Ausführung eines Verfahrens zum Betätigen von
mindestens zwei Einlass- oder Auslassventilen, die einem einzelnen
Zylinder in einem Mehrzylinderverbrennungsmotor mit Nockenwelle
im Block nach der vorliegenden Offenbarung zugeordnet sind, umfasst
das Betätigen der mindestens zwei Einlass-/Auslassventile
im Wesentlichen gleichzeitig als Reaktion auf eine Drehung eines
zugeordneten Nockenwellennockens durch Schwenken eines an einer
Welle angebrachten Nockenstößels, der mit mindestens
zwei entsprechenden Stößelstangen und Kipphebeln
verbunden ist. Das Verfahren kann auch das unabhängige
hydraulische Einstellen von Spiel in Verbindung mit jeder Stößelstange
und jedem Kipphebel umfassen.
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Die
vorliegende Offenbarung umfasst Ausführungen mit verschiedenen
Vorteilen. Zum Beispiel umfassen Ausführungen gemäß der
vorliegenden Offenbarung ein fest zugeordnetes Spielausgleichselement
für jedes Ventil, das einem bestimmten Nockenstößel
zugeordnet ist, um Wärme-, Verschleiß- und Abweichungswirkungen
auszugleichen und sicherzustellen, dass die Ventilbewegung während
der gesamten Lebensdauer des Motors sehr nahe am Zweck der Konstruktion
bleibt. Ein gemeinsamer Nockenstößel für
Betrieb mit mehreren Ventilen mit unabhängigen Spielausgleichselementen
nach der vorliegenden Offenbarung kann Geräusch, Vibration und
Rauheit in Verbindung mit einem mangelnden gemeinsamen Öffnen
oder Schließen von Ventilpaaren und/oder von unterschiedlichen
oder höher als vorgesehenen Auflagegeschwindigkeiten von
Ventilpaaren vermindern oder beseitigen. Die unabhängig betreibbaren
Spielausgleichselemente innerhalb eines gemeinsamen Nockenstößels
sehen für jedes Ventilpaar eine gekoppelte, synchrone Bewegung vor
und erlauben einen individuellen Ausgleich von Ventilfederkraftunterschieden,
unterschiedlichem Ventil-/Sitzverschleiß und Unterschieden
aufgrund des Nichtanlegens der Kipphebelkraft an dem mittleren Punkt
zwischen Ventilmittellinien. Zudem beseitigen die Nockenstößel
der vorliegenden Erfindung Verschleißmechanismen in Verbindung
mit überbrückten Ventiltriebausführungen,
beispielsweise Stampfen und Rollen der Brücke, was zu vermehrten mechanischen
Spannungen an der Schnittfläche zwischen Brücke/Kipphebel
und unerwünschtem Kontakt zwischen der Brücke
und Ventilschaftspitzen führt. Ein gemeinsamer Nockenstößel
mit mehreren unabhängig betreibbaren hydraulischen Spielausgleichselementen,
der an einer festen Welle schwenkt, kann die sich bewebende Masse
des Ventiltriebs zur Verbesserung von Leistung verringern. Ein an
einer Welle angebrachter Nockenstößel nach der
vorliegenden Offenbarung kann auch die Bearbeitungskomplexität
des Motorblocks mindern und/oder eine Gewichtssenkung durch Reduzieren oder
Beseitigen struktureller Merkmale in Verbindung mit einer Hubstößelführung
in dem Motorblock erleichtern.
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Die
vorstehenden Vorteile und andere Vorteile und Merkmale gehen problemlos
aus der folgenden eingehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
in Verbindung mit den Begleitzeichnungen hervor.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Teilquerschnitt, der einen „V"-Motor mit Nockenwelle
im Block zeigt, der an einer Welle angebrachte Nockenstößel
mit unabhängigen Spielausgleichselementen nach einer Ausführung
der vorliegenden Offenbarung aufweist;
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2 ist
ein Querschnitt einer charakteristischen Ausführung eines
an einer Welle angebrachten Nockenstößels nach
der vorliegenden Offenbarung;
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3 ist
eine Draufsicht auf einen Ventiltrieb in Verbindung mit einem Zylinder
in einem Motor mit vier Ventilen pro Zylinder, der Nockenstößel
mit mehreren unabhängigen hydraulischen Spielausgleichselementen
nach einer Ausführung der vorliegenden Offenbarung aufweist;
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4 ist
ein Querschnitt, der den Betrieb eines an einer Welle angebrachten
Nockenstößels mit dualen unabhängigen
hydraulischen Spielausgleichselementen zum Betreiben eines Ventilpaars
von einem einzigen Nockenwellennocken nach einer Ausführung
der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht; und
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5 ist
ein Querschnitt, der eine andere Ausführung eines an einer
Welle angebrachten Nockenstößels mit unabhängigen
hydraulischen Spielausgleichselementen nach der vorliegenden Offenbarung
veranschaulicht.
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Eingehende
Beschreibung der bevorzugten Ausführungen) Wie der Durchschnittsfachmann
verstehen wird, können verschiedene der bezüglich
einer der Figuren dargestellten und beschriebenen Ausführungen
mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen
Figuren veranschaulicht sind, um alternative Ausführungen
zu erzeugen, die nicht ausdrücklich dargestellt oder beschrieben werden.
Die Kombinationen von dargestellten Merkmalen sehen charakteristische
Ausführungen für typische Anwendungen vor. Es
können aber verschiedene Kombinationen und Abwandlungen
der Merkmale, die mit der erfindungsgemäßen Lehre
konform sind, für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen
erwünscht sein. Die in den Abbildungen verwendeten charakteristischen
Ausführungen betreffen im Allgemeinen einen Viertakt-Mehrzylinderverbrennungsmotor
mit Kompressionszündung und Direkteinspritzung mit einer
Nockenwelle im Block oder einem Stößelstangenventiltrieb.
Auch wenn eine „V"-Motorauslegung gezeigt wird, können
die Nockenstößel der vorliegenden Offenbarung
auch in Motoren mit einer Reihenkonfiguration verwendet werden.
Der Durchschnittsfachmann kann ähnliche Anwendungen oder
Implementierungen bei anderen Motor-/Fahrzeugtechnologien erkennen.
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Die 1–5 zeigen
den Betrieb eines Verbrennungsmotors und eines Ventiltriebs nach
einer charakteristischen Ausführung. Ein Mehrzylinder- Verbrennungsmotor 10 ist
mit Ausnahme der verschiedenen hierin beschriebenen Ventiltriebbestandteile
im Allgemeinen von herkömmlicher Auslegung. Daher werden
verschiedene herkömmliche Merkmale in Verbindung mit dem
Motor und Ventiltrieb nicht ausdrücklich veranschaulicht
oder beschrieben. Der Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass
die vorliegende Erfindung bei verschiedenen Arten und Konfigurationen
von Motoren eingesetzt werden kann, einschließlich aber
nicht ausschließlich bei Kompressionszündungs-
und Fremdzündungsmotoren, die zum Beispiel in einer „V"-Konfiguration
oder einer Reihenkonfiguration ausgelegt sind. Die dargelegten charakteristischen
Ausführungen umfassen einen Kompressionszündungsdieselmotor
mit vier Ventilen pro Zylinder. Es können aber Nockenstößel nach
der vorliegenden Offenbarung in allen Anwendungen mit mindestens
zwei Gasaustauschventilen verwendet werden, einschließlich
Anwendungen mit mindestens einem Einlassventil und/oder mindestens
einem Auslassventil. Analog sind die Nockenstößel
der vorliegenden Offenbarung besonders zur Verwendung bei Motoren
mit mehreren Ventilen geeignet, die im Wesentlichen gleichzeitig
von einem einzigen Nockenwellennocken und zugeordneten, an einer
Welle angebrachten Nockenstößel gesteuert werden.
Während die vorliegende Erfindung bei einer Auslegung eines
Motors mit Nockenwelle im Block unter Verwendung von Stößelstangen
zum Betätigen der Einlass- und Auslassventile (auch als
Ventiltrieb Typ 5 bezeichnet) veranschaulicht wird, kann die Erfindung
auch bei Anwendungen zum Einsatz kommen, bei denen die Kipphebel
mittels eines Stößels durch eine Nockenwelle direkt
betätigt werden (auch als Ventiltrieb Typ 4 bezeichnet).
Der Durchschnittsfachmann wird verschiedene andere Motorauslegungen
erkennen, bei denen ein an einer Welle angebrachter Nockenstößel
mit unabhängig betreibbaren Spielausgleichselementen nach
der vorliegenden Offenbarung vorteilhaft sein kann.
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Wie
in dem teilweisen Freischnitt/Querschnitt einer charakteristischen
Anwendung in 1 gezeigt umfasst ein Mehrzylinder-Verbrennungsmotor 10 eine
in einem Motorblock 14 angeordnete Nockenwelle 12 und
kann als Motor mit Nockenwelle im Block bezeichnet werden. Wie in
dieser Offenbarung durchgehend verwendet bezeichnen gestrichene
Bezugszeichen Bauteile, die in Struktur und Funktion den nicht gestrichenen
Bezugszeichen entsprechen. Der Durchschnittsfachmann wird erkennen,
dass die Bauteile nicht identisch sein müssen, um die gleiche Funktion
auszuüben, und nicht die gleiche Struktur haben müssen.
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Jeder
Zylinder 16 (und 16') umfasst einen Hubkolben 18 (18*,
etc.), der durch eine Pleuelstange 20 mit einer (nicht
dargestellten) Kurbelwelle verbunden ist. Jede Zylinderbank umfasst
einen Zylinderkopf 22, der an dem Motorblock 14 befestigt
ist, und sieht (nicht dargestellte) herkömmliche Einlass- und
Auslasskanäle vor, die mit entsprechenden Kanälen
in den Zylinderköpfen 22 verbunden sind, die Gasaustauschventilen 28 zugeordnet
sind, welche Einlassventile 30, 32 und Auslassventile 36, 38 umfassen.
Der Zylinderkopf umfasst eine herkömmliche Ausstattung
wie Ventilführungen, Sitze, etc. (nicht dargestellt), die
mit dem Betrieb der Gasaustauschventile 28 in Verbindung
stehen. Ein Einspritzventil 40 liefert dem Zylinder 16 als
Reaktion auf ein von einem zugehörigen Motorsteuergerät
vorgesehenes Signal Kraftstoff. Wenngleich ein Direkteinspritzmotor
in 1 gezeigt ist, können die Nockenstößel
der vorliegenden Offenbarung bei Motoren mit anderen Kraftstoffeinspritzstrategien
verwendet werden, beispielsweise Kanaleinspritzung.
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Der
Motor 10 umfasst einen Ventiltrieb 50 zum Steuern
des Einlassens von Luft und/oder Kraftstoff (bei kanaleingespritzten
Motoren) in den Zylinder 16 und des Auslassens von Verbrennungsgasen. Der
Ventiltrieb 50 umfasst Ventile 28, Ventilfedern 52, Kipphebel 54,
Stößelstangen 56 und Nockenstößel 58,
die zum Schwenken um eine feststehende Welle 60 angebracht
sind, die in dem Motorblock 14 angeordnet ist und sich
im Allgemeinen parallel zur Nockenwelle 12 erstreckt. Die
Nockenwelle 12 umfasst Nocken 70 zum Betätigen
von Ventilen 28. In einer Ausführung umfasst die
Nockenwelle 12 einen einzelnen Nocken zum Betreiben eines
Paars von Einlassventilen 30, 32 und einen anderen
einzelnen Nocken zum Betreiben eines Paars zugehöriger
Auslassventile 36 und 38 (siehe 3).
Daher kann jeder Nockenstößel 58 unabhängig
betreibbare hydraulische Spielausgleichselemente 62 zum
Einstellen von Spiel in Verbindung mit jedem des Paars von Stößelstangen,
Kipphebeln und Ventilen umfassen.
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Wie
in 1–2 gezeigt
umfasst jeder Nockenstößel 58 eine Rolle 64 in
Kontakt mit einem Nocken 70 der Nockenwelle 12.
Wenn sich die Nockenwelle 12 während des Betriebs
des Motors 10 dreht, hebt der Nocken 70 den Nockenstößel 58,
so dass er um die feststehende Welle 60 schwenkt, was zwei
oder mehr Stößelstangen 56 hebt, die
mit entsprechenden Kipphebeln 100, 102 verbunden
sind Jeder Kipphebel 100, 102 schwenkt in einer
einzigen Ebene um einen integralen Kugel-/Pfannen-Drehpunktsitz 120,
der wie auf dem Gebiet bekannt an dem Zylinderkopf 22 befestigt
ist. Die Kipphebel 100, 102 setzen die im Allgemeinen
aufwärts gerichtete Bewegung von den Stößelstangen 56 in
eine im Allgemeinen abwärts gerichtete Bewegung um, um
die Ventile 28 gegen zugehörige Federn 52 zu
bewegen, um zugehörige Einlass-/Auslasskanäle
zu dem Zylinder 16 zu öffnen. Wenn die Nockenwelle 12 weiter dreht,
folgt der Nockenstößel 58 dem Profil
des Nocken 70 und beginnt eine im Allgemeinen abwärts
gerichtete Bewegung, so dass die zugehörigen Federn 52 die
Einlassventile 30, 32 schließen. Die
Betätigung der Auslassventile 36, 38 läuft
in ähnlicher Weise basierend auf dem Profil von Nocken 70' ab.
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Wie
in den 1–3 dargestellt
umfasst ein Verfahren zum Betreiben des Motors 10 und des Ventiltriebs 50 nach
der vorliegenden Offenbarung das Betätigen von mindestens
zwei Gasaustauschventilen, beispielsweise der Einlassventile 30, 32 oder
der Auslassventile 36, 38, wobei im Wesentlichen
mindestens zwei entsprechende Stößelstangen (88, 90 oder 92, 94)
und Kipphebel (100, 102 oder 106, 108)
verwendet werden, die mit einem gemeinsamen Nockenstößel
(58 oder 158) verbunden sind. Wie unter Bezug
auf die 4 und 5 näher
veranschaulicht und beschrieben wird, kann jeder Nockenstößel 58, 158 unabhängig
betreibbare hydraulische Spielausgleichselemente umfassen, um Spiel
in Verbindung mit jeder Stößelstange und jedem
Kipphebel unabhängig einzustellen. Alternativ kann eine mechanische
Spieleinstellung mit zwei Stößelstangen pro Nockenstößel
vorgesehen werden, was durch ansonsten herkömmliche Motoren
mit vier Ventilen pro Zylinder problemlos bewältigt wird.
Eine herkömmliche mechanische Spieleinstellung kann ein
Schraubenausgleichselement am Kipphebel am Stößelstangenende
verwenden. Die Stößelstange ist typischerweise
ein Kugel-Pfannen-Ende, wobei die Kipphebel-Ausgleichsschraube ein
mit einer Mutter ortsfest arretiertes Kugelende aufweist.
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Wie
am Besten in der Draufsicht eines charakteristischen Ventiltriebs
50 in
3 veranschaulicht
wird, nutzt die vorliegende Erfindung Kipphebel
54 einschließlich
Kipphebel
100,
102,
106 und
108, die
einen einstückigen Körper mit einem strukturell integralen
geweiteten Teil aufweisen, um eine an einem Drehpunktsitz
120 (
1)
angebrachte Schwenkkugel zu greifen. Jeder Kipphebel
54 nutzt eine
komplanare, kaltgeformte oder gestanzte Stahlkonstruktion mit einem
Profil schmaler Breite, um die Unterbringung zu erleichtern. Die
Ventile
30,
32 können bei verschiedenen
Abständen zu den Stößelstangen
88,
90 positioniert
sein und machen im Wesentlichen unterschiedliche Längen
für zugehörige Kipphebel
100,
102 erforderlich.
In einer Ausführung ist der Kipphebel
100 in etwa
40% länger als der Kipphebel
102. Die Verwendung
eines komplanaren Kipphebels dünnen Profils mit einem Kugel/Pfannen-Schwenkpunkt
erlaubt aber eine geeignete Positionierung der Kugel/Pfannen-Drehpunktsitze
121,
122,
um im Wesentlichen identische Kipphebelverhältnisse zum
Erzeugen einer im Wesentlichen identischen Ventilbewegung der Ventile
30,
32 vorzusehen.
Zusätzliche Einzelheiten einer bevorzugten Kipphebel- und
Drehpunktsitzanordnung werden in der gemeinsam gehaltenen und gleichzeitig
angemeldeten
U.S. Pat. Anmeldung
Nr. 11/308,021 , eingereicht am 3. März 2006, beschrieben.
Natürlich können die an einer Welle angebrachten
Nockenstößel der vorliegenden Offenbarung abhängig
von der bestimmten Anwendung und Implementierung mit verschiedenen
anderen Arten und Anordnungen von Kipphebeln und zugeordneten Drehpunktsitzen
verwendet werden.
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Wie
in dem Querschnitt von 2 und der Draufsicht von 3 veranschaulicht
wird, umfasst der Nockenstößel 58 ein
erstes Ende 76 mit einer Öffnung oder einem Loch,
das an der feststehenden Welle 60 schwenkbar angebracht
ist. Ein zweites Ende 78 ist zum Verbinden mit mindestens
zwei Stößelstangen 88, 90 ausgelegt.
In den in 2–5 gezeigten
Ausführungen ist ein zweites Ende 78 des Nockenstößels 58 mittels
unabhängig betreibbarer Spielausgleichselemente 80, 82,
die eine nachgiebige Verbindung mit Hilfe von komplementären
Kugel/Pfannen-Geometrien oder konvexen/konkaven Geometrien der Kolben
und zugehörigen Stößelstangen vorsehen,
mit entsprechenden Stößelstangen 88, 90 verbunden,
wie zum Beispiel in den 4 und 5 gezeigt
wird. Die Rolle 64 ist zur Drehung um eine Rollenachse 84 angebracht,
die im Allgemeinen zwischen dem ersten Ende 76 und dem
zweiten Ende 78 an dem Gehäuse 86 befestigt
ist. Das Gehäuse 86 umfasst einen Kanal, Durchlass
oder eine Bohrung 87, die mit einem entsprechenden Kanal oder
einer entsprechenden Bohrung 61 der feststehenden Welle 60 verbunden
ist, um druckbeaufschlagtes Schmieröl von dem Motorschmiersystem für
den Betrieb der hydraulischen Spielausgleichselemente 62 vorzusehen,
wie unter Bezug auf die 4 und 5 näher
erläutert wird. Eine Bohrung oder ein Kanal 57 kann
in den Stößelstangen 56 vorgesehen werden,
um Schmieröl von den Spielausgleichselementen 62 zum
Schmieren der Verbindungen zwischen den Stößelstangen 56 und
den Kipphebeln 54 sowie den Spielausgleichselementen 62 vorzusehen.
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Die 4 und 5 zeigen
alternative Ausführungen eines an einer Welle angebrachten
Nockenstößels mit mindestens zwei unabhängigen
hydraulischen Spielausgleichselementen nach der vorliegenden Offenbarung.
Die Nockenstößel 58 und 158' weisen
eine ähnliche Konstruktion und ähnliche Arbeitsweisen
auf, so dass die folgende Beschreibung unter Bezug auf den Nockenstößel 58 von 4 auch
für Nockenstößel 158 von 5 gilt,
wobei Unterschiede vermerkt werden.
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Der
Nockenstößel 58 umfasst eine Rolle 64, die
zur Drehung um eine an dem Gehäuse oder Körper 86 befestigte
Achse 84 angebracht ist. Ein Lager 196 oder eine ähnliche
Vorrichtung erleichtert die Drehung der Rolle 64 um die
Achse 84, wenn sie mit einem entsprechenden Nockenwellennocken
in Kontakt steht. Das Gehäuse 84 umfasst axiale
Bohrungen mit darin befestigten entsprechenden Hülsen 160, 162,
die jeweils ein geschlossenes Ende und ein offenes Ende aufweisen.
Jede Hülse 160, 162 umfasst einen darin
angeordneten, axial beweglichen Kolben 166, 168 zum
Ausbilden einer Hochdruckkammer 170, 172 veränderlichen
Volumens zwischen dem geschlossenen Ende und dem Kolben. Rückschlagventile 174, 176 sind
in entsprechenden Hochdruckkammern 170, 172 angeordnet,
um ein Strömen von Hydraulikfluid aus den in den Kolben 166, 168 angeordneten
Behältern 186, 188 in die Kammer 170, 172 zu
steuern. Federn 180, 182 wirken auf zugehörige
Kolben 166, 168, um Spiel zu reduzieren, wenn
der Hydraulikdruck vermindert ist, beispielweise wenn der Motor
abgeschaltet wird.
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Der
an einer Welle angebrachte Nockenstößel 58 umfasst
zweiteilige Kolben 166, 168 mit einem unteren
Kolbenelement oder Grundteil 200, 202 und einem
oberen Kolbenelement oder Verbindungsstück 204, 206.
Die oberen Kolbenelemente 204, 206 umfassen eine
im Allgemeinen konkave halbkugelförmige Geometrie, die
eine Pfanne zum Verbinden mit einer entsprechenden Stößelstange
mit einem im Allgemeinen konvexen halbkugelförmigen Ende
oder einem kugelförmigen Ende bildet. Der an einer Welle angebrachte
Nockenstößel 158' weist zweiteilige Kolben 166', 168' mit
oberen Elementen oder Verbindungsstücken 210, 212 mit
im Allgemeinen konvexen halbkugelförmigen oder kugelförmigen
Enden auf, die zum Verbinden mit entsprechenden Stößelstangen
mit eine Pfanne bildenden konkaven halbkugelförmigen Enden
ausgelegt sind. Wie in den 4 und 5 gezeigt
wird, umfassen die oberen Elemente der Kolben eine Öffnung
zum Liefern von Schmieröl durch einen Kanal in den entsprechenden Stößelstangen
zu den entsprechenden Kipphebeln, wie bereits beschrieben wurde.
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Bei
Betrieb beseitigen unabhängige mechanische oder hydraulische
Spielausgleichselemente unter unterschiedlichen Betriebs- und Umgebungsbedingungen
im Wesentlichen jegliches Spiel bzw. Freiraum zwischen den Ventiltriebbestandteilen,
um einheitliche und zuverlässige Ventilbetätigungen
einschließlich wiederholbaren Ventilöffnungs-
und Ventilschließzeiten und Spitzenhubwerte vorzusehen. Wenn
sich die Länge einer zugehörigen Stößelstange
aufgrund von Temperaturänderung oder Verschließ verändert,
wird Hydraulikfluid von einer druckbeaufschlagten Zufuhr durch den
Kanal 61 der feststehenden Welle 60 in die Bohrung 87 des
Gehäuses 86 des Nockenstößels 58 geleitet.
Das druckbeaufschlagte Hydraulikfluid, das bevorzugt Motorschmieröl
ist, strömt durch eine Querbohrung 220 in Behälter 186, 188.
Eine kleine Menge Hydraulikfluid strömt durch Rückschlagventile 174, 176 in
Hochdruckkammern 170, 172, was die Kolben 166, 168 weg
von dem geschlossenen Ende der Hülsen 160, 162 bewegt,
um jedes Spiel oder jeden Freiraum zwischen den Verbindungsstücken 204, 206 und
entsprechenden Stößelstangen und Kipphebeln zu
beseitigen. Daher wird die von dem in Kontakt mit der Rolle 150 drehenden
Nocken erzeugte Kraft durch das Gehäuse 86 zu
den Hülsen 160, 162 und durch das Hydraulikfluid
in den Kammern 170, 172 zu den Kolben 166, 168 übertragen.
Wenn die Stößelstange aufgrund von Wärmeausdehnung
länger wird, entweicht Hydraulikfluid sehr langsam aus
den Kammern 170, 172 zwischen den Kolben 166, 168 und den
Hülsen 160, 162, um das in einer zugehörigen Druckkammer 170 oder 172 enthaltene
Volumen zu verringern.
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Die
jedem an einer Welle angebrachten Nockenstößel
zugeordneten Spielausgleichselemente arbeiten unabhängig
voneinander, um verglichen mit einer überbrückten
Umsetzung unter Verwendung einer einzigen Stößelstange
und eines einzigen Spielausgleichselements eine präziser
synchronisierte Betätigung von Ventilen zu erleichtern,
die jedem Nockenstößel zugeordnet sind. Daher
gleicht der individuelle Spielausgleich Änderungen der
Ventilfederkraft, des Ventils und/oder des Ventilsitzverschleißes, Wärmewirkungen
etc. aus, um für zwei oder mehr Ventile, die einem bestimmten
Nocken zugeordnet sind, eine gekoppelte, synchrone Bewegung vorzusehen.
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Daher
umfasst die vorliegende Offenbarung Ausführungen eines
an einer Welle angebrachten Nockenstößels mit
unabhängigen Spielausgleichselementen zum Betreiben von
zwei oder mehr Ventilen im Wesentlichen gleichzeitig. Ausführungen
nach der vorliegenden Offenbarung umfassen ein fest zugeordnetes
Spielausgleichselement für jedes Ventil, das einem bestimmten
Nockenstößel zugeordnet ist, um Wärme-,
Verschleiß- und Abweichungswirkungen auszugleichen und
sicherzustellen, dass die Ventilbewegung während der gesamten
Lebensdauer des Motors sehr nahe an dem Auslegungszweck bleibt. Ein
gemeinsamer Nockenstößel nach der vorliegenden
Offenbarung kann Geräusch, Vibration und Rauheit mindern
oder beseitigen, die mit einem mangelnden gemeinsamen Öffnen
oder Schließen von Ventilpaaren und/oder unterschiedlichen
oder höher als zulässigen Aufliegegeschwindigkeiten
von Ventilpaaren in Verbindung stehen. Die unabhängig betreibbaren
Spielausgleichselemente innerhalb eines gemeinsamen Nockenstößels
sehen eine gekoppelte, synchrone Bewegung für jedes Ventilpaar
vor und ermöglichen einen individuellen Ausgleich von Ventilfederkraftunterschieden,
Unterschieden bei Ventil-/Sitzverschleiß und Unterschieden
aufgrund des Nichtanlegens der Kipphebelkraft am mittleren Punkt zwischen
Ventilmittellinien. Zudem beseitigen die Nockenstößel
der vorliegenden Offenbarung Verschleißmechanismen in Verbindung
mit Ausgestaltungen mit überbrücktem Ventiltrieb,
beispielsweise Stampfen und Rollen der Brücke, was zu vermehrten mechanischen
Spannungen an der Schnittfläche Brücke/Kipphebel
und unerwünschtem Kontakt zwischen der Brücke
und den Ventilschaftspitzen führt. Ein gemeinsamer Nockenstößel
mit mehreren unabhängig betreibbaren hydraulischen Spielausgleichselementen,
die an einer festen Welle schwenken, kann die sich bewegende Masse
des Ventiltriebs zur Verbesserung von Leistung verringern. Ein an
einer Welle angebrachter Nockenstößel nach der
vorliegenden Offenbarung kann auch die Komplexität der
maschinellen Bearbeitung des Motorblocks mindern und/oder eine Gewichtssenkung
durch Reduzieren oder Beseitigen von strukturellen Merkmalen in
Verbindung mit einer Hubstößelbohrung in dem Motorblock
erleichtern.
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Während
die beste Art der Ausführung der Erfindung eingehend beschrieben
wurde, wird der Fachmann verschiedene alternative Auslegungen und
Ausführungen innerhalb des Schutzumfangs der folgenden
Ansprüche erkennen. Mehrere Ausführungen wurden
verglichen und gegenübergestellt. Manche Ausführungen
wurden gegenüber anderen Ausführungen vorteilhaft
oder bevorzugt bezüglich einer oder mehrerer erwünschter
Eigenschaften beschrieben. Wie dem Fachmann auf dem Gebiet aber
bekannt ist, können bei einer oder mehreren Eigenschaften
Kompromisse eingegangen werden, um erwünschte Systemmerkmale
zu erreichen, die von der jeweiligen Anwendung abhängen.
Diese Merkmale umfassen, sind aber nicht hierauf beschränkt:
Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit,
einfache Montage etc. Die hierin erläuterten Ausführungen,
die gegenüber einer anderen Ausführung bezüglich
einer oder mehreren Eigenschaften als schlechter beschrieben werden,
liegen nicht außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 11/164620 [0004]
- - US 11/308021 [0022]