DE102008009942A1 - Motor/Ventiltrieb mit an einer Welle angebrachten Nockenstößeln mit dualen unabhängigen Spielausgleichselementen - Google Patents

Motor/Ventiltrieb mit an einer Welle angebrachten Nockenstößeln mit dualen unabhängigen Spielausgleichselementen Download PDF

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Abstract

Ein Mehrzylinder-Verbrennungsmotor mit einem Ventiltrieb mit einer in einem Motorblock angeordneten Nockenwelle und mindestens zwei durch einen gemeinsamen Nockenwellennocken betriebenen Ventilen umfasst eine im Allgemeinen parallel zur Nockenwelle angeordnete feststehende Welle und einen Nockenstößel mit einem ersten Ende mit einer Öffnung, das schwenkbar an der feststehenden Welle angebracht ist, einem zweiten Ende, das zum Verbinden mit mindestens zwei Stößelstangen ausgelegt ist, die jeweils einem der mindestens zwei Ventile zugeordnet sind, und eine an einer im Allgemeinen zwischen dem ersten und dem zweiten Ende angeordneten Rollenachse angebrachte Rolle, wobei die Rolle den gemeinsamen Nockenwellennocken kontaktiert. Der Nockenstößel kann unabhängig betreibbare Spielausgleichselemente für von einem gemeinsamen Nockenwellennocken angetriebene Stößelstangen umfassen.

Description

  • Hintergrund
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurzdarlegung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die vorstehenden Vorteile und andere Vorteile und Merkmale gehen problemlos aus der folgenden eingehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungen in Verbindung mit den Begleitzeichnungen hervor.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 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;
  • 2 ist ein Querschnitt einer charakteristischen Ausführung eines an einer Welle angebrachten Nockenstößels nach der vorliegenden Offenbarung;
  • 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;
  • 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
  • 5 ist ein Querschnitt, der eine andere Ausführung eines an einer Welle angebrachten Nockenstößels mit unabhängigen hydraulischen Spielausgleichselementen nach der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
  • 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.
  • Die 15 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Wie in 12 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.
  • Wie in den 13 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.
  • 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.
  • 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 25 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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    • - US 11/308021 [0022]

Claims (20)

  1. Mehrzylinder-Verbrennungsmotor mit einem Ventiltrieb mit einer in einem Motorblock angeordneten Nockenwelle, wobei der Motor mindestens zwei durch einen gemeinsamen Nockenwellennocken betriebene Ventile aufweist, wobei der Motor umfasst: eine im Allgemeinen parallel zur Nockenwelle angeordnete feststehende Welle 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, wobei jede Stößelstange einem der mindestens zwei Ventile zugeordnet ist, und mit einer Rolle, die an einer im Allgemeinen zwischen dem ersten und dem zweiten Ende angeordneten Rollenachse angebracht ist, wobei die Rolle den gemeinsamen Nockenwellennocken kontaktiert; und einen Kipphebel, der jeder Stößelstange zum Betätigen eines der mindestens zwei Ventile zugeordnet ist.
  2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das der Nockenstößel umfasst: mindestens zwei unabhängige Spielausgleichselemente, wobei jedes Spielausgleichselement einer entsprechenden Stößelstange und einem entsprechenden Kipphebel zugeordnet ist.
  3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenstößel umfasst: mindestens zwei unabhängige hydraulische Spielausgleichmechanismen, wobei jeder Spielausgleichmechanismus einer entsprechenden Stößelstange und einem entsprechenden Kipphebel zugeordnet ist.
  4. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die feststehende Welle in dem Motorblock angeordnet ist und einen Kanal zum Zuführen von druckbeaufschlagtem Öl zu den Spielausgleichsmechanismen des Nockenstößels umfasst.
  5. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenstößel umfasst: ein Gehäuse; eine in einer ersten Bohrung in dem Gehäuse angeordnete erste Hülse, die ein geschlossenes Ende und ein offenes Ende aufweist; einen in der ersten Hülse angeordneten ersten Kolben, der zwischen dem geschlossenen Ende und dem ersten Kolben eine erste Hochdruckkammer ausbildet; ein zwischen dem ersten Kolben und der ersten Hülse angeordnetes erstes Rückschlagventil zum Steuern des Strömens von Hydraulikfluid von dem ersten Kolben in die erste Hochdruckkammer, wobei das Hydraulikfluid in der Hochdruckkammer zusammen mit der Kolbenfeder zum Beseitigen von Spiel in Verbindung mit einer ersten Stößelstange, einem ersten Kipphebel und einem ersten Ventil dient; eine in einer zweiten Bohrung in dem Gehäuse angeordnete zweite Hülse, die ein geschlossenes Ende und ein offenes Ende aufweist; einen in der zweiten Hülse angeordneten zweiten Kolben, der eine zweite Hochdruckkammer zwischen dem geschlossenen Ende und dem zweiten Kolben ausbildet; und ein zwischen dem zweiten Kolben und der zweiten Hülse angeordnetes zweites Rückschlagventil zum Steuern des Strömens von Hydraulikfluid von dem zweiten Kolben in die zweite Hochdruckkammer, wobei das Hydraulikfluid in der zweiten Hochdruckkammer zusammen mit der Kolbenfeder zum Beseitigen von Spiel in Verbindung mit einer zweiten Stößelstange, einem zweiten Kipphebel und einem zweiten Ventil dient.
  6. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder von erstem und zweitem Kolben umfasst: ein unteres Kolbenelement, das ein entsprechendes Rückschlagventil kontaktiert; und ein oberes Kolbenelement, das zwischen dem unteren Kolbenelement und einer zugeordneten Stößelstange angeordnet ist, wobei das obere Kolbenelement zum Verbinden mit der zugeordneten Stößelstange ausgelegt ist und eine Öffnung zum Zuführen von Hydraulikfluid zu der zugeordneten Stößelstange aufweist.
  7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Kolbenelement eine Öffnung in einem im Allgemeinen konvexen halbkugelförmigen Ende zum Verbinden mit der zugeordneten Stößelstange umfasst.
  8. Ventiltrieb für einen Mehrzylinder-Verbrennungsmotor mit einer in einem Motorblock angeordneten Nockenwelle zum Betreiben von zwei Ventilen von einem einzigen Nockenwellennocken, wobei der Ventiltrieb umfasst: einen Nockenstößel, der zum Schwenken um eine feststehende Welle angebracht ist, die sich im Allgemeinen parallel zur Nockenwelle in dem Motorblock erstreckt, wobei der Nockenstößel eine Rolle zum Kontaktieren des Nockenwellennockens aufweist und erste und zweite Spielausgleichselemente umfasst; erste und zweite Kipphebel, die jeweils einem jeweiligen der beiden Ventile zugeordnet sind; und erste und zweite Stößelstangen, die sich zwischen den ersten und zweiten Spielausgleichselementen des Nockenstößels und dem ersten bzw. zweiten Kipphebel erstrecken.
  9. Ventiltrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ventile dem gleichen Zylinder zugeordnete Einlassventile sind.
  10. Ventiltrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Spielausgleichselemente hydraulische Spielausgleichselemente mit einer Hochdruckkammer umfassen, die eine veränderliche Menge an Hydraulikfluid zum Beseitigen von Spiel von einer Stößelstange, einem Kipphebel bzw. einer Ventilanordnung enthält.
  11. Nockenstößel für einen Verbrennungsmotor mit einem Stößelstangen-Ventiltrieb mit einer Nockenwelle und einer feststehenden Welle, die in einem Motorblock angeordnet sind, wobei sich die feststehende Welle im Allgemeinen parallel zu der Nockenwelle erstreckt, wobei der Nockenstößel umfasst: ein Gehäuse mit einem ersten Ende mit einer Öffnung zum schwenkbaren Anbringen an der feststehenden Welle und einem zweiten Ende mit ersten und zweiten hydraulischen Spielausgleichselementen, die zumindest teilweise in dem Gehäuse angeordnet sind, wobei jedes ein zum Verbinden mit einer entsprechenden Stößelstange ausgelegtes Ende aufweist, wobei die Spielausgleichselemente eine Kammer veränderlichen Volumens umfassen, die mit von der feststehenden Welle durch das Gehäuse zugeführtem Hydraulikfluid füllbar ist, um einen axialen Abstand einer entsprechenden Stößelstange im Verhältnis zum Gehäuse anzupassen; und eine Rolle zum Kontaktieren eines Nockenwellennockens, wobei die Rolle zur Drehung um eine in dem Gehäuse angebrachte Achse angebracht ist.
  12. Nockenstößel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Spielausgleichselemente ein im Allgemeinen halbkugelförmiges Ende zum Verbinden mit einem entsprechenden im Allgemeinen halbkugelförmigen Ende einer Stößelstange umfassen.
  13. Nockenstößel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das im Allgemeinen halbkugelförmige Ende konvex ist.
  14. Nockenstößel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten hydraulischen Spielausgleichselemente umfassen: eine in einer entsprechenden Bohrung in dem Gehäuse angeordnete Hülse, die ein geschlossenes Ende und ein offenes Ende aufweist; einen in der Hülse angeordneten Kolben, der zu dieser axial beweglich ist, wobei er eine Hochdruckkammer veränderlichen Volumens zwischen dem geschlossenen Ende und dem Kolben ausbildet; und ein zwischen dem Kolben und der Hülse angeordnetes Rückschlagventil zum Steuern des Strömens von Hydraulikfluid von dem Kolben in die Hochdruckkammer.
  15. Verfahren zum Betätigen von mindestens zwei Gasaustauschventilen, die einem einzigen Zylinder in einem Mehrzylinder-Verbrennungsmotor mit einer in einem Motorblock angeordneten Nockenwelle zugeordnet sind, wobei das Verfahren umfasst: Betätigen der mindestens zwei Gasaustauschventile im Wesentlichen gleichzeitig unter Verwendung von mindestens zwei entsprechenden Stößelstangen und Kipphebeln, die mit einem gemeinsamen Nockenstößel verbunden sind, der zum Schwenken um eine sich im Allgemeinen parallel zur Nockenwelle erstreckende feststehende Welle angebracht ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Nockenstößel Spiel in Verbindung mit jeder Stößelstange und jedem Kipphebel unabhängig ausgleicht.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor vier Ventile pro Zylinder umfasst und dass der Schritt des Betätigens ein Betätigen von zwei Einlassventilen umfasst.
  18. Verfahren nach Anspruch 15, welches weiterhin umfasst: automatisches Ausgleichen von Spiel in den mindestens zwei entsprechenden Stößelstangen und Kipphebeln durch Zuführen von druckbeaufschlagtem Hydraulikfluid zu unabhängigen Spielausgleichselementen des gemeinsamen Nockenstößels.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Zuführens das Zuführen von druckbeaufschlagtem Hydraulikfluid zu dem gemeinsamen Nockenstößel durch die feststehende Welle umfasst.
  20. Verfahren nach Anspruch 15, welches weiterhin das Positionieren der feststehenden Welle in einem Motorblock über der Nockenwelle umfasst.
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