DE4202506B4 - Variabler Ventiltrieb für ein Hubventil - Google Patents

Abstract

Variabler Ventiltrieb für ein Hubventil, insbesondere ein Ladungswechselventil einer Brennkraftmaschine, das zwischen einer Schließ- und einer Öffnungsstellung entgegen der Kraft einer Rückstellfeder durch einen Nocken periodisch bewegbar ist, mit einer zwischen diesem und dem Hubventil angeordneten hydraulischen Kraftübertragungsvorrichtung, die einen vom Nocken kraftbeaufschlagten Stößel und ein ventilseitiges Druckstück sowie zwischen diesen einen Druckraum enthält, sowie mit einer ein außenliegendes Regelventil enthaltenden hydraulischen Druckstellvorrichtung zur Einstellung der in Kraftübertragungsrichtung gemessenen axialen Länge der Kraftübertragungsvorrichtung über den Druck in einer Druckkammer, die sich ringförmig um den Stößel radial zwischen diesem und einem relativ zu diesem verschiebbaren Tassenstößel erstreckt und auf einer Seite axial durch einen ringförmigen Boden des Tassenstößels begrenzt ist, der auf einer Stirnseite von zumindest einem weiteren Nocken kraftbeaufschlagt ist, der mit dem Nocken synchronisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück ein Kolben (10) ist und dass die ringförmige Druckkammer (15) axial auf der anderen Seite durch eine Schulter...

Description

• Die Erfindung betrifft einen variablen Ventiltrieb gemäß dem Oberbegriff der selbstständigen Patentansprüche.
• Derartige Ventiltriebe, wie sie aus der gattungbildenden DE 35 43 537 A1 und der DE 33 476 80 A1 bekannt sind, bieten die vorteilhafte Möglichkeit, durch abwechselndes Wirksammachen der beiden Nocken die Ventilbetätigungszeitpunkte auch während des Betriebs der mit dem Ventil ausgerüsteten Maschine, insbesondere einer Kraftfahrzeugs-Brennkraftmaschine, in Abhängigkeit von Betriebsparametern derselben zu variieren bzw. zu optimieren. Betrachtet man den bevorzugten Einsatzfall der Erfindung, nämlich als Ventiltrieb für ein Ladungswechselventil einer Brennkraftmaschine, so kann durch variable Ventilsteuerzeiten und variable Ventilhübe auf die Drehmomentenkennlinie (Zylinderfüllung), auf die Abgasrohemissionen (z.B. durch gezielte innere Abgasrückführung), auf den Verbrauch (durch Beeinflussung der Verbrennung über den Restgasgehalt oder durch Verminderung der Gaswechselarbeit) sowie auf das Bremsverhalten (durch Ventilabschaltung, z.B. gemäß DE 3738556 A1 ) Einfluß genommen werden.
• Gegenüber anderen bekannten variablen Ventiltrieben, bei denen mittels des Regelventils unmittelbar der Druck im Druckraum zwischen dem Stößel und dem hubventilseitigen Druckstück beeinflußt wird, bieten gattungsgemäße variable Ventiltriebe mit zwei Nocken je Hubventil den Vorteil der reproduzierbaren Einstellbarkeit vorgegebener Hubkurven für das betreffende Hubventil über längere Betriebszeiten mit hoher Genauigkeit. Betrachtet man beispielsweise den bevorzugten Anwendungsfall, nämlich als Ventiltrieb für ein Ladungswechselventil einer Brennkraftmaschine, so ist für die Betriebsweise der Maschine von entscheidender Bedeutung die genaue Einhaltung vorgegebener Ventilöffnungs- und Schließzeitpunkte.
• In diesem Zusammenhang ist auch das Vorsehen einer Ventilspielausgleichsvorrichtung von Bedeutung, da diese eine Unabhängigkeit der Hubkurve des jeweiligen Hubventils auch bei Verschleiß im Bereich des Ventilkörpers und des Ventilsitzes gewährleistet.
• Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen variablen Ventiltrieb unter Wahrung seine Vorteile zu schaffen, der die Möglichkeit bietet, mit einfachen, platzsparenden Mitteln für einen Ventilspielausgleich Sorge zu tragen.
• Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in variablen Ventiltrieben gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch 1 mit den kennzeichnenden Merkmalen desselben; vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.
• Die erfindungsgemäßen Maßnahmen erschöpfen sich also nicht in dem Vorsehen von Ventilspielausgleichsvorrichtungen schlechthin, die bei dem zitierten Stand der Technik nicht vorgesehen sind, sondern beinhalten konstruktive Maßnahmen im eigentlichen Ventiltrieb, die eine einfache Ausgestaltung und Unterbringung der Spielausgleichsvorrichtungen mit minimalem Platzbedarf ermöglichen.
• Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß sie die gestellte Aufgabe ohne Beeinträchtigung der durch den jeweiligen variablen Ventiltrieb gegebenen Möglichkeiten zur Verlegung der Betätigungszeitpunkte des jeweiligen Hubventils löst. So kann je nach Auslegung des weiteren Nockens eine Vorverlegung des Öffnungszeitpunkts des Hubventils mit oder ohne Vergrößerung seines Hubes, eine Verschiebung des Schließens des Hubventils in Richtung später mit oder ohne Hubvergrößerung sowie eine Vorverlegung des Ventilöffnungszeitpunkts und eine Verschiebung des Schließzeitpunkts in Richtung später, wiederum mit oder ohne Hubvergrößerung, erreicht werden.
• Im folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
• 1: den hier interssierenden Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch eine Hubkolben-Brennkraftmaschine,
• 2: erzielbare Kurven für den Ventilhub h über dem Nockenwinkel NW,
• 3: eine zweckmäßige Anwendung bei einer Mehrzylinder-Maschine und
• 4: eine Abwandlung der Ausführung gemäß 1.
• Betrachtet man zunächst 1, so trägt die in üblicher Weise von der Brennkraftmaschine her angetriebene Nockenwelle 1 beiderseits des Nockens 2 weitere Nocken 3 und 4; in diesem Ausführungsbeispiel sind die weiteren Nokken 3 und 4 identisch, aber mit vom Hub des Nockens 2 abweichenden Hubverläufen ausgebildet.
• Die im Zylinderkopf 5 in Richtung der Achse 6 verschiebbar geführte Kraftübertragungsvorrichtung 7 enthält den eine Auflagefläche für den Nocken 2 bildenden Stößel 8 und den in diesem gleitend gelagerten, dem Hubventil 9 zugekehrten ventilseitigen Kolben 10. Das Hubventil 9 wird durch eine nicht dargestellte, da hinsichtlich Anordnung und Ausbildung bekannte Druckfeder in seine Schließstellung, d.h. in 1 in Richtung nach oben, kraftbeaufschlagt, so daß sich das Hubventil 9 stets auf dem Boden des ventilseitigen Kolbens 10 abstützt. Zwischen dem Kolben 10 und dem Boden des Stößels 8 erstreckt sich der Druckraum 11, in dem eine einen an sich bekannten und daher im einzelnen nicht zu beschreibenden Aufbau besitzende Einrichtung 12 zum Ventilspielausgleich untergebracht ist. Sie besitzt als wesentlichen Bestandteil das Rückschlagventil 12a, das dafür sorgt, daß während Grundkreisphase des Nockens 2, d.h. bei geschlossenem Hubventil 9, der Druckraum 11 ggf. Druckmittel nachsaugen kann.
• Die beiderseits des Nockens 2 vorgesehenen beiden weiteren Nocken 3 und 4 stützen sich auf dem Boden 14 des Tassenstößels 13 ab, wobei die beiden Stößel 8 und 13 so gestaltet sind, daß sie zwischen sich die ringförmige Druckkammer 15 definieren. In axialer Richtung wird die Druckkammer 15 durch die innere Bodenfläche 16 des Tassenstößels 13 und die Schulter 17 des Stößels 8 begrenzt. An diesen Flächen stützt sich die Druckfeder 19 ab. Zwischen Druckraum 11 und Druckkammer 15 besteht nur über die Drossel 20 eine Strömungsverbindung, die erforderlich ist, damit die Ventilspielausgleichsvorrichtung 12 des Stößels 8 arbeiten kann.
• Bei allen Stellungen des Tassenstößels 13 steht die Druckkammer 15 in Strömungsverbindung mit dem Druckmittelkanal 21, in dessen Verlauf das Regelventil 22 angeordnet ist. In der dargestellten Stellung des Regelventils 22 verbindet die Leitung 21 die Druckkammer 15 mit dem Volumenausgleichszylinder 23, der durch den federbelasteten Kolben 24 begrenzt ist, und dem System 75 niedrigeren Drucks, beispielsweise einem Ölkreislauf der Brennkraftmaschine. Das bedeutet, daß bei Wirksamwerden des Hubs der weiteren Nocken 3 und 4 die Druckkammer 15 in Richtung der Achse 9 in ihrer Länge verringert wird, da sich der Stößel 8 auf dem Schaft des Hubventils 9 abstützt. Der Hubverlauf des Ventils 9 folgt demgemäß dem Hubverlauf des Nockens 2, wie dies in 2 bei a angegeben ist.
• Wird dagegen das Regelventil 22 um 90° in seine Sperrstellung verschwenkt, so wird das Volumen der Druckkammer 15 abgesperrt, und der Tassenstößel 13 nimmt entsprechend dem Hubverlauf der weiteren Nocken 3 und 4 den Stößel 8 und damit das Hubventil kraftschlüssig mit, so daß jetzt sich die in 2 mit b bezeichnete Ventilhubkurve ergibt, die dem Hubverlauf der weiteren Nocken 3 und 4 folgt. Dabei kommt es zu einem Abheben des Stößels 8 von seinem Nocken 2.
• Damit auch bei in Sperrstellung befindlichem Regelventil 22 ein Ventilspielausgleich möglich ist, und zwar sowohl im Druckraum 11 als auch – unter Mitwirkung der Feder 19 – in der Druckkammer 15 (für den Tassenstößel 13), ist die mit dem Rückschlagventil 26 versehene Leckölausgleichsleitung 27 vorhanden. Sie dient auch dazu, die über die Entlüftungsbohrung 18 austretende Druckmittelmenge zu ersetzen.
• Verständlicherweise muß durch geeignete Abstimmung der Spreizfeder 28, die letztlich zwischen Stößel 8 und ventilseitigem Kolben 10 wirkt, innerer Bodenfläche des ventilseitigen Kolbens 10, Schulterfläche 17 und Feder 19 dafür gesorgt werden, daß die beiden beschriebenen Ventilspielausgleichsvorrichtungen arbeiten können.
• Zum geräuschlosen Wiedereinschalten des Tassenstößels kann eine Verschiebung der Hubkurven des einen Nockens einerseits und der weiteren Nocken andererseits zweckmäßig sein, indem die Hubkurven der weiteren Nocken gegenüber derjenigen des einen Nockens in Richtung später verschoben sind.
• Die Schulterfläche des Stößels wird man so klein halten, dass die auf sie wirkende hydraulische Kraft in der Grundkreisphase der Nocken kleiner ist als die Federkraft der Spreizfeder in der Ausgleichsvorrichtung. Sofern die auch als Druckentlastungsbohrung zu bezeichnende Entlüftungsbohrung 18 in Fortfall kommt, wird man die Schulterfläche 17 einerseits und den Querschnitt des ventilseitigen Kolbens 10, also innere Bodenfläche plus Randfläche, andererseits etwa gleich groß machen.
• 3 zeigt, dass man mehreren erfindungsgemäßen Kraftübertragungsvorrichtungen 60, 61, 62 und 63, die auch als Doppelstößel-Vorrichtungen zu bezeichnen sind, eine gemeinsame Druckstellvorrichtung 64 mit einem Regelventil 65 und einem Leckageausgleichskanal 66 zuordnen kann. Diese Aufwand sparende Maßnahme empfiehlt sich beispielsweise für alle oder mehrere gleich zu betätigende Ladungswechselventile von Brennkraftmaschinen.
• Bei der in 3 dargestellten Mehrfachausnutzung einer Druckstellvorrichtung für Steuerung mehrer Hubventile können Probleme dadurch auftreten, dass bei geschlossenem Regelventil 65 sich Druckstöße von Hubventilen bis in die Druckkammer 15 (siehe 1) von hydraulischen Kraftübertragungsvorrichtungen 7 für andere Hubventile fortsetzen können. Dies lässt sich durch eine Modifikation der Anordnung nach 1 erreichen, wie sie in 4 dargestellt ist. In 4 sind bereits in 1 vorkommende Teile mit demselben Bezugszeichen versehen.
• Hinzugekommen sind Anschläge 70 und 71 am Tassenstößel 13 bzw. am Stößel 8, die so angeordnet sind, daß sie während der Grundkreisphasen der Nocken 2, 3 und 4 wirksam werden und dann eine derartige Abstützung des Tassenstößels 13 unter der Wirkung der Feder 19 an dem Stößel 8 sicherstellen, daß zwischen dem Boden 14 des Tassenstößels 13 einerseits und den jetzt diesem zugekehrten Umfangsbereichen der weiteren Nocken 3 und 4 andererseits ein kleines Spiel 72 gewahrt bleibt. Zwischen den Anschlägen können Dämpfer zur Minderung des Anschlaggeräuschs und/oder Ventilspieleinstell- oder -ausgleichselemente angeordnet sein.
• Eine weitere Abweichung der Ausführungsform nach 4 von der Konstruktion nach 1 besteht darin, daß die dort mit 20 bezeichnete Drossel durch einen Flüssigkeitsdurchtritt 73 ersetzt ist, der zeitweilig während des Hubs des Tassenstößels 13 über einen in diesem vorgesehenen Kanal 74 mit der Druckkammer 15 verbunden ist. Dadurch wird eine Verminderung des Verbrauchs an Druckmittel erreicht, der bei der Ausführung nach 1 durch den Abfluß über die Drossel 20 und die Entlüftungsbohrung 18 entsteht.
• Im Rahmen dieser Weiterbildung der Ausführung nach 1 liegt auch ein Fortfall der Entlüftungsbohrung 18. Wenn während der Hubbewegung die beiden Durchlässe 73 und 74 zur Deckung gelangen, herrscht in dem von in dem Stößel 8 und dem hubventilseitigen Kolben 10 umschlossenen Raum der (hohe) Druck der Druckkammer 15. Damit der hubventilseitige Kolben 10 dadurch nicht in unerwünschter Weise das Hubventil 9 bewegt, ist seine dem Druck ausgesetzte Querschnittsfläche, gegeben durch Bodenfläche 75 plus Randfläche kleiner gehalten als die Fläche der Schulter 17, die die Druckkammer 15 begrenzt.
• Mit der Erfindung ist demgemäß ein gattungsgemäßer variabler Ventiltrieb geschaffen, der infolge – bis auf die Nachführung von Leckageverlusten und Ventilspielausgleichszwecke – abgeschlossenen Druckraums auch bei Druckmittelmangel einen gesteuerten Betrieb der Maschine, nämlich über den zentralen Nocken, ermöglicht und darüber hinaus weitgehende Freiheit hinsichtlich der Erzielung von bestimmten Ventilhubkurven bietet. Dabei lassen sich durch Zwischenstellungen des Regelventils zwischen den im einzelnen beschriebenen Grenzstellungen desselben auch Ventilhubkurven erzielen, die in dem Bereich zwischen den beiden beispielsweise in 2 wiedergegebenen Kurven liegen.

Claims (8)

1. Variabler Ventiltrieb für ein Hubventil, insbesondere ein Ladungswechselventil einer Brennkraftmaschine, das zwischen einer Schließ- und einer Öffnungsstellung entgegen der Kraft einer Rückstellfeder durch einen Nocken periodisch bewegbar ist, mit einer zwischen diesem und dem Hubventil angeordneten hydraulischen Kraftübertragungsvorrichtung, die einen vom Nocken kraftbeaufschlagten Stößel und ein ventilseitiges Druckstück sowie zwischen diesen einen Druckraum enthält, sowie mit einer ein außenliegendes Regelventil enthaltenden hydraulischen Druckstellvorrichtung zur Einstellung der in Kraftübertragungsrichtung gemessenen axialen Länge der Kraftübertragungsvorrichtung über den Druck in einer Druckkammer, die sich ringförmig um den Stößel radial zwischen diesem und einem relativ zu diesem verschiebbaren Tassenstößel erstreckt und auf einer Seite axial durch einen ringförmigen Boden des Tassenstößels begrenzt ist, der auf einer Stirnseite von zumindest einem weiteren Nocken kraftbeaufschlagt ist, der mit dem Nocken synchronisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück ein Kolben (10) ist und dass die ringförmige Druckkammer (15) axial auf der anderen Seite durch eine Schulter (17) des Stößels (8) begrenzt ist und eine zwischen der Schulter (17) und dem ringförmigen Boden (16) eingespannte Druckfeder (19) enthält, die zusammen mit einem Rückschlagventil (26) in einem das Regelventil (22) umgebenden Leckageausgleichskanal (27) und der ringförmigen Druckkammer (15) eine Ventilspielausgleichsvorrichtung für den Tassenstößel (13) bildet.
2. Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (11) zur Bildung einer in den ventilseitigen Kolben (10) hineinragenden Ventilspielausgleichsvorrichtung (12) für den Stößel (8) mit einem Rückschlagventil (12a) sowie einer zwischen dem ventilseitigen Kolben (10) und dem Stößel (8) eingespannten Spreizfeder (28) ausgerüstet und mit der ringförmigen Druckkammer (15) verbunden ist.
3. Ventiltrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelventil (22) zwischen einer ersten Stellung, in der es die Druckkammer (15) absperrt, und einer zweiten Stellung, in der es die Druckkammer (15) mit einem hydraulischen System (25) niedrigeren Drucks verbindet, verstellbar ist.
4. Ventiltrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (11) zeitweilig über zumindest einen Kanal im Tassenstößel (13) mit einem Leckageausgleichskanal (27) verbunden ist.
5. Ventiltrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schulter (17) des Stößels (8) derart bemessen ist, dass bei während der Grundkreisphase des weiteren Nockens (3, 4) bestehender Verbindung des Druckraums (11) mit der Druckkammer (15) die auf den Stößel (8) im Sinne der axialen Verlängerung der Druckkammer (15) wirkenden Kräfte kleiner als die Kraft der Spreizfeder (28) sind.
6. Ventiltrieb nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei während der Hubphase des Tassenstößels (13) bestehender Verbindung (73) des Druckraumes (11) mit der Druckkammer (74) die Fläche der Schulter (17) größer als die innere Bodenfläche (75) des ventilseitigen Kolbens (10) ist.
7. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der den Nocken (2, 3, 4) abgekehrten Seite des Tassenstößels (13) und am Stößel (8) während der Grundkreisphase des weiteren Nockens (3, 4) unter der Kraft der Druckfeder (19) zusammenwirkende Anschläge (70, 71) zur Sicherstellung eines Spiels (72) zwischen dem Tassenstößel (13) und dem weiteren Nocken (3, 4) vorgesehen sind.
8. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstellvorrichtung (64) den hydraulischen Kraftübertragungsvorrichtungen (60, 61, 62, 63) mehrere Hubventile zugeordnet ist.