DE4027630C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventilstößel für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der US-PS 49 30 463 ist zur Ventilhubänderung ein hydraulischer Ventilstößel für Brennkraftmaschinen bekannt, bei dem ein hülsenartig ausgebildetes, hohlzylindriges Gehäuse in einer Aufnahme befestigt ist. In dem Gehäuse ist ein verschiebbar geführter, mit einem Gaswechselventil in Verbindung stehender Kolben gelagert. Desweiteren weist der Ventilstößel ein das Gehäuse in zwei zueinander beabstandete Räume trennendes, hydraulisches Hochdruckventil auf, welches über eine Stange mit einem von einem Nocken betätigten, ebenfalls in dem Gehäuse verschiebbar geführten Stößel starr verbunden ist. Ein erster, oberhalb des Hochdruckventiles ausgebildeter Raum ist teilweise mit einer elektroviskosen Flüssigkeit gefüllt und steht über das von dem Nocken bewegte Hochdruckventil mit einem zwischen diesem Ventil und dem Kolben ausgebildeten zweiten Raum in Verbindung. In diesem ebenfalls mit der Flüssigkeit gefüllten zweiten Raum ist eine zwischen dem Hochdruckventil und dem Kolben wirkende Druckfeder angeordnet, welche den Stößel in ständigem Kontakt mit dem Nocken hält.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen hydraulischen Ventilstößel für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, mit dem der Ventilhub während des Betriebes der Brennkraftmaschine variiert werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere, die Erfindung vorteilhaft gestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen benannt.

Dieser Ventilstößel erlaubt eine kontinuierliche Variation des Ventilhubes eines Gaswechselventiles durch die ortsfeste Anordnung eines starren, d. h. keinerlei bewegte Teile aufweisenden Hochdruckventiles und eines zwischen diesem Ventil und dem verschiebbaren Kolben ausgebildeten Arbeitsraumes, der mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, deren Viskosität durch das Anlegen einer elektrischen Spannung veränderbar ist.

Desweiteren ist zwischen dem Hochdruckventil und einer verschiebbaren Dichtscheibe ein zweiter Raum ausgebildet, der ebenfalls mit der Flüssigkeit gefüllt ist. Beide Räume stehen über das Hochdruckventil miteinander in Verbindung.

Eine solche, elektroviskose Flüssigkeit (EVF) kann bezüglich ihrer Viskosität durch die elektrische Spannung von "flüssig" bis "hart" verändert werden. Eine an das Hochdruckventil gelegte Spannung baut ein elektrisches Feld auf, welches die Flüssigkeit durchsetzt und sie erstarren läßt. Zur Änderung des Ventilhubes ist die Flüssigkeit zunächst beim Auflaufen eines Nockens auf dem Ventilstößel flüssig, so daß durch die übertragenen Kräfte der Kolben verschoben wird und dabei Flüssigkeit aus dem Arbeitsraum durch das Hochdruckventil hindurch verdrängt wird. Ist der gewünschte Ventilhub erreicht, erstarrt die Flüssigkeit zu einem festen Medium und auf aufgrund der kurzen Schaltzeiten für die Viskositätsänderung (Millisekunden) öffnet die jetzt starre Verbindung zwischen Nocken und Kolben das Gaswechselventil.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Dichtscheibe von einer sich an dem Gehäuseboden abstützenden Feder beaufschlagt, die nicht mit der Flüssigkeit in Verbindung steht. Beim Ablaufen des Nockens von dem Gehäuseboden wird die Viskosität auf "flüssig" geändert und die Feder verschiebt die Flüssigkeit durch das Hochdruckventil hindurch zurück in den Arbeitsraum.

Die notwendige elektrische Spannung wird berührungsfrei durch in das Ventilstößelgehäuse und eine Stößelführung eingelegte Induktionswindungen übertragen. Eine elektronische Steuereinrichtung steuert die elektrische Spannung und damit den Ventilhub. Aufgrund des Oppermann-Effekts ist der Stößel selbstregelnd, da beim Verschieben der Flüssigkeit durch die Zylinderschalen eine von der Verschiebegeschwindigkeit abhängige Spannung induziert wird, die den aktuellen Ventilhub an den Schaltkreis weiterleitet. Für bestimmte Parameter der Brennkraftmaschine, z. B. Last, Drehzahl und Öltemperatur, sind in der Steuereinrichtung in Kennfeldern optimale Ventilhübe gespeichert. Somit kann parameterabhängig jeweils ein z. B. für minimalen Schadstoffausstoß oder maximale Leistung optimaler Ventilhub realisiert werden.

Die Steuerung kann individuell für jedes Gaswechselventil vorgenommen werden. Dabei können bei einer mit z. B. zwei Einlaßventilen pro Zylinder ausgestatteten Brennkraftmaschine die beiden Ventile phasenversetzt nacheinander mit unterschiedlichem Hub öffnen. Weiterhin kann z. B. für einen niedrigen, verbrauchsoptimierten Leistungsbereich der Brennkraftmaschine eines der beiden Einlaßventile abgeschaltet werden, in dem der Verstellweg des Kolbens im Gehäuse so groß wie der maximale Nockenhub gewählt wird und die Viskosität in dem Punkt des maximalen Nockenhubes auf "starr" eingestellt wird.

Der Stößel ist z. B. als Tassenstößel verschiebbar direkt zwischen Nocken und Gaswechselventil, oder aber als ortsfest gelagerter Stößel anwendbar. Bei ortsfester Anordnung, z. B. als Auflager für Schwing- oder Kipphebel entfallen die Stößelführung und die Induktionswindungen, da in diesem Fall das Hochdruckventil direkt an die elektronische Steuereinrichtung angeschlossen ist.

Unabhängig davon bewerkstelligt der Ventilstößel in jedem Fall einen automatischen Ventilspielausgleich, z. B. bei einer desmodromischen Zwangssteuerung. Hierbei ergibt sich ein geringerer Fertigungs- und Wartungsaufwand.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren beispielhaft näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilquerschnitt durch einen Zylinderkopf mit einem Ventilstößel,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Hochdruckventiles des Ventilstößels und

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Stößelführung mit einem schematischen elektrischen Schaltkreis.

In einem nicht näher gezeigten Zylinderkopf 1 einer Brennkraftmaschine ist in einer Aufnahme 2 unter Zwischenschaltung einer hohlzylindrischen Stößelführung 3 ein als Tassenstößel 4 ausgebildeter, hydraulischer Ventilstößel verschiebbar gelagert, der auf ein nur angedeutet gezeigtes Gaswechselventil 5 wirkt.

Der Stößel 4 weist ein tassenförmiges Gehäuse 6 mit einem Gehäuseboden 7 auf, der in direktem Kontakt mit einem nur angedeuteten Nocken 8 einer Nockenwelle steht. Mittig in dem Gehäuse 6 erstreckt sich axial ein einseitig mit dem Boden 7 verbundener, durch eine Stufe 9 in zwei Abschnitte 10, 11 getrennter Zapfen 12. Zwischen dem ersten Abschnitt 10 und dem Gehäuse 6 erstreckt sich radial eine mit zwei Dichtringen 13 eingesetzte und axial auf dem Zapfen 12 verschiebbare Dichtscheibe 14. Sie wird auf einer Seite von einer Tellerfeder 15 beaufschlagt, die sich am Boden 7 abstützt. Zwischen dem zweiten Abschnitt 11 und dem Gehäuse 6 erstreckt sich ein starres, keinerlei bewegliche Teile aufweisendes, hydraulisches Hochdruckventil 20, welches an der Stufe 9 und einem entsprechenden Anschlag 21 im Gehäuse 6 anliegt. Die Ober- bzw. Unterseite 22 bzw. 23 des Ventiles 20 wird jeweils durch eine Ventilplatte 24 begrenzt. Axiale Verschiebungen des Ventiles 20 sind durch auf dem Zapfen 12 und in dem Gehäuse 6 festgelegte Sicherungsringe 25 verhindert.

Ein durch einen weiteren Sicherungsring 25 gegen Herausfallen gesicherter, auf das Gaswechselventil 5 der Brennkraftmaschine wirkender Kolben 26 ist mit einem weiteren Dichtring 13 verschiebbar in das Gehäuse 6 eingesetzt.

Das Hochdruckventil 20 besteht aus einer auf den Zapfen 12 aufgeschobenen Kernhülse 27 und mehreren koaxial und beabstandet zueinander angeordneten Zylinderschalen 28, wobei zwischen zwei benachbarten Schalen 28 jeweils ein Strömungskanal 29 entsteht, in dem eine wendelförmige Isolatorbrücke 30 angebracht ist.

In die äußere Mantelfläche 31 des Gehäuses 6 ist eine wendelförmig in dieser Fläche 31 verlaufende, isolierte Induktionswindung 32 eingelassen, die über elektrisch leitende Verbindungen 33 so an die Zylinderschalen 28 angeschlossen sind, daß letztere als Plattenkondensator wirken.

Die elektrisch isolierende Stößelführung 3 weist auf ihrer Führungsfläche 34 ebenfalls eine wendelförmig verlaufende, isolierte Induktionswindung 35 auf, die an eine elektronische Steuereinrichtung 36 angeschlossen ist, welche später erläutert wird und schematisch in Fig. 3 gezeigt ist.

Zwischen der Unterseite 23 und dem Kolben 26 ist ein Arbeitsraum A ausgebildet, der ebenso wie die mit ihm in Verbindung stehenden Strömungskanäle 29 mit einer elektroviskosen Flüssigkeit F gefüllt ist. Innerhalb dieses Arbeitsraumes A ist der Kolben 26 um einen Weg verschiebbar, der dem variablen Ventilhub H der Gaswechselventile entspricht.

Die Dichtscheibe 14 ist zwischen der Oberseite 22 und dem Gehäuseboden 7 um mindestens den Hub H verschiebbar, wobei zwischen der Scheibe 14 und der Oberseite 22 ein Ausgleichsraum R ausgebildet ist.

Die Steuereinrichtung 36 umfaßt ein Hochspannungsmodul 37, welches unter anderem von Kennfeldern K gesteuert wird. In diesen Kennfeldern K sind Spannungswerte UH, die einem bestimmten Ventilhub H entsprechen, in Abhängigkeit von Last L, Drehzahl n und Öltemperatur TÖl der Brennkraftmaschine gespeichert. Das Hochspannungsmodul 37 liefert eine Ausgangsspannung UA an die Induktionswindung 35 der Stößelführung 3. Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird der Tassenstößel 4 durch den rotierenden Nocken 8 bzw. durch eine nicht gezeigte Ventilfeder in der feststehenden Stößelführung 3 hin und her bewegt. Durch diese Bewegung wird in der Induktionswindung 32 eine Spannung U1 induziert, die über die Verbindungen 33 an den Zylinderschalen 28 anliegt. Diese Spannung kann über das Verhältnis der Anzahl der Induktionswindungen 32 zu der Anzahl der Windungen 35 beeinflußt werden. Das zwischen den Schalen 28 wirkende, die Flüssigkeit F durchdringende elektrische Feld verändert deren Viskosität in Richtung "starr", d. h. der Kolben 25 und die Dichtscheibe 14 verharren für einen maximalen Ventilhub H in der in Fig. 1 gezeigten Stellung. Die Ausgangsspannung UA wird ständig über einen Spannungsmeßwiderstand 38 erfaßt, der in Reihe mit einem als Referenzwiderstand wirkenden Vorspannungswiderstand 39 parallel zu der Induktionswindung 35 geschaltet ist. Aufgrund einer geringen elektrischen Leitfähigkeit der Flüssigkeit F fließt ständig ein dem starren Zustand entsprechender Strom IS, der über einen Strommeßwiderstand 40 erfaßt wird. Die Werte von UA und IS werden einem Komparator 41 zugeführt, der diese Werte UA, IS mit den im Kennfeld K gespeicherten Soll-Werten UAS und ISS vergleicht und gegebenenfalls korrigierend eingreift.

Soll z. B. aufgrund einer Lastinformation auf einen anderen Ventilhub H geschaltet werden, wird von dem Hochspannungsmodul 37 die Ausgangsspannung UA soweit abgesenkt, daß sich die Viskosität der Flüssigkeit F in Richtung "flüssig" ändert. Bei der nächsten Umdrehung des Nockens 8 wird daher das Gehäuse 6 relativ zum Kolben 26 verschoben, wobei durch die Verkleinerung des Arbeitsraumes A Flüssigkeit F entlang der Strömungskanäle 29 in den Ausgleichsraum R verdrängt wird. Dabei wird die Dichtscheibe 14 entgegen der Federkraft der Tellerfeder 15 in Richtung des Gehäusebodens 7 verschoben. Die Flüssigkeit F wird dabei wendelförmig entlang der Isolatorbrücken 30 durch die Strömungskanäle 29 geführt. Dieser wendelförmige Verlauf verlängert den Weg, um den die Flüssigkeit F in den Strömungskanälen 29 verschoben wird und erhöht dadurch gemeinsam mit einer relativ rauhen Oberfläche der Zylinderschalen 28 die Haftung der Flüssigkeit F und somit die übertragbare Kraft. Um einen gleichmäßigen Volumenstrom durch alle Strömungskanäle 29 zu führen, verlaufen die Isolatorbrücken 30 mit zunehmendem Radius der Zylinderschalen 28 steiler.

Der von dem Strommeßwiderstand 40 während des Verschiebens des Kolbens 26 erfaßte Strom weicht von dem bei starrer Flüssigkeit fließenden Strom IS ab, da die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit F von ihrer Strömungsgeschwindigkeit in dem Hochdruckventil 20 abhängt. Mit der Stromänderung ändert sich die von dem Spannungsmeßwiderstand 38 erfaßte Spannung UA. Meldet dann der Komparator 41 ein Übereinstimmen der Spannung UA mit der für den gewünschten Ventilhub H erforderlichen Sollspannung UAS, wird das Verschieben des Kolbens 26 dadurch beendet, daß das Hochspannungsmodul 37 eine Ausgangsspannung UA liefert, die die Flüssigkeit F erneut erstarren läßt.

Beim Ablauf des Nockens 8 von dem Gehäuseboden 7 wird die Viskosität erneut auf "flüssig" geändert, so daß die Tellerfeder 15 die Dichtscheibe 14 verschiebt und dadurch die Flüssigkeit F aus dem Ausgleichsraum R durch die Strömungskanäle 29 in den Arbeitsraum A gelangt und den Kolben 26 verschiebt. Somit bleibt beim Schließen des Gaswechselventiles 5 der Kontakt zwischen Nocken 8 und Gehäuseboden 7 bzw. Kolben 26 und Gaswechselventil 5 so wie bei bekannten hydraulischen Tassenstößeln erhalten.

In dem Hochspannungsmodul 37 können weitere Kennfelder K gespeichert sein, in denen unterschiedliche Nockenformen als diesen entsprechende Spannungsverläufe UH abgelegt sind. Dabei lassen sich verschiedene Maximalhübe und/oder verschiedene Nockenflanken realisieren. Bei geringeren Hüben als dem maximalen Ventilhub läßt sich die Öffnungsgeschwindigkeit des Gaswechselventiles 5 z. B. durch die von der Geschwindigkeit der Spannungsänderung abhängige Viskositätsänderung beeinflussen. Wird der Verstellweg des Kolbens 26 in dem Gehäuse 6 so groß wie der Nockenhub NH des Nockens 8 gewählt, so kann im Betrieb der Brennkraftmaschine das mit dem Stößel 4 verbundene Gaswechselventil 5 abgeschaltet werden. Das Gehäuse 6 wird dabei um den Nockenhub NH gegenüber dem Kolben 26 verschoben und in dem Punkt maximalen Hubes durch Anlegen einer Spannung UA in diesem Zustand festgehalten. Der hydraulische Ventilstößel kann auch in Ventilsteuerungen von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden, bei denen die Nocken nicht unmittelbar auf einen in direktem Kontakt mit einem Gaswechselventil stehenden Tassenstößel wirken. Er ist z. B. auch bei einer Stoßstangensteuerung zwischen Stoßstange und Nocken bzw. Stoßstange und Kipphebel verschiebbar oder bei einer Schwing- oder Kipphebelsteuerung als ortsfestes Auflager des Schwing- oder Kipphebels anwendbar. Bei einer ortsfesten Anordnung kann die Stößelführung 3 und die Induktionswindung 32 entfallen, da in diesem Fall das Hochdruckventil 20 direkt an die Steuereinrichtung 36 angeschlossen ist.

Claims (9)

1. Hydraulischer Ventilstößel für eine Brennkraftmaschine, mit einem in einer Aufnahme gelagerten Gehäuse und einem in dem Gehäuse verschiebbar geführten und in Verbindung mit einem Gaswechselventil stehenden Kolben, und mit einem das Gehäuse in zwei zueinander beabstandete Räume trennenden, hydraulischen Hochdruckventil, wobei die Räume mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, deren Viskosität durch Anlegen einer elektrischen Spannung an das Hochdruckventil veränderbar ist, gekennzeichnet durch eine ortsfeste Anordnung des Hochdruckventiles (20) innerhalb des Gehäuses (6), welches in der Aufnahme (2) verschiebbar gelagert ist, und durch einen ausschließlich mit der Flüssigkeit (F) gefüllten, zwischen dem Hochdruckventil (20) und dem Kolben (26) angeordneten ersten Raum (Arbeitsraum A) und einem zwischen dem Hochdruckventil (20) und einer verschiebbaren Dichtscheibe (14) angeordneten zweiten Raum (Ausgleichsraum R).

2. Stößel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtscheibe (14) auf einem zentral in dem Gehäuse (6) verlaufenden, einseitig mit einem Gehäuseboden (7) verbundenen Zapfen (12) gelagert ist und dabei von einer sich an dem Gehäuseboden (7) abstützenden Feder (Tellerfeder 15) beaufschlagt ist.

3. Stößel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Hochdruckventil (20) radial zwischen dem Zapfen (I2) und dem Gehäuse (6) erstreckt.

4. Stößel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochdruckventil (20) aus mehreren, koaxial und beabstandet zueinander angeordneten, axial von der Flüssigkeit (F) durchströmten Zylinderschalen (28) besteht.

5. Stößel nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch zwischen den Zylinderschalen (28) angeordnete, wendelförmig verlaufende Isolatorbrücken (30).

6. Stößel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch isoliert in die äußere Mantelfläche (31) des Gehäuses (6) eingelegte Induktionswindungen (32) .

7. Stößel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6) in eine hohlzylindrische, in der Aufnahme (2) angeordneten Stößelführung (3) eingesetzt ist.

8. Stößel nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch isoliert in die Führungsfläche (34) der Stößelführung (3) eingelegte Induktionswindungen (35).

9. Stößel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochdruckventil (20) in elektrischer Verbindung (33) mit einer elektronischen Steuereinrichtung (36) steht, welche die Ausgangsspannung (UA) liefert und Kennfelder (K) umfaßt, in denen verschiedenen Ventilhüben (H) entsprechende Verläufe von Spannungen (UH) in Abhängigkeit von Parametern (Last L, Drehzahl n, Öltemperatur TÖl) der Brennkraftmaschine gespeichert sind.