DE4318293A1 - Schlepphebel-Ventiltrieb für ein Hubventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schlepphebel-Ventiltrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ventiltriebe dieses Aufbaus, bei dem also eine hydraulische Ventilspielausgleichsvorrichtung in das Schwenklager des Schlepphebels integriert ist, sind in großer Zahl aus der Patentliteratur der Klasse F01L 1/18 bekannt, siehe nur die US-PS 3 913 538.

Insbesondere bei Brennkraftmaschinen, wie sie zum Antrieb von Kraftfahrzeugen Einsatz finden, besteht häufig Bedarf an einer Änderung der Ventilsteuerzeiten und des Öffnungshubs der Gas­ wechselventile, insbesondere der Einlaßventile, in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Maschine, wie Drehzahl und/oder Last. Aus der EP 0 156 996 B1, F01L 31/22, ist ein variabler Schlepp­ hebel-Ventiltrieb bekannt, bei dem in das Schwenklager des Schlepphebels eine Vorrichtung zur Änderung der Ventilsteuer­ zeiten auf hydraulischem Wege integriert ist. Der Schlepphebel stützt sich dabei auf einem Kolben dieser Vorrichtung ab, die ferner einen Druckraum enthält, dem Druckmittel mit einem im Hinblick auf die jeweils gewünschten Ventilsteuerzeiten bestimm­ ten Druck zugeführt wird. Ist der Druckraum praktisch drucklos, so nimmt der den Schlepphebel abstützende Kolben unter der Wir­ kung des rotierenden Nockens seine tiefste Stellung ein, und das mit einer Schließfeder versehene Hubventil wird nur für eine re­ lativ kurze Zeit bzw. während eines relativ kurzen Kurbelwinkel­ bereichs mit verringertem Maximalhub geöffnet. Dagegen lassen sich durch Füllung des Druckraums mit unter hohem Druck stehen­ dem Druckmittel lange Ventilöffnungsphasen mit großem Maximalhub des Ventils erzielen.

Bei mit mehreren Einlaß- und/oder mehreren Auslaßventilen, also mehreren gleichartigen Gaswechselventilen, je Brennraum ausgerü­ steten Brennkraftmaschinen ist man aus Gründen der Wirkungsgrad­ optimierung häufig daran interessiert, während bestimmter Be­ triebsphasen (niedrige Last und/oder Drehzahl) einzelne Ventile abzuschalten, also dafür zu sorgen, daß sie durch den zugeordne­ ten Nocken entgegen der Wirkung ihrer Schließfedern nicht geöff­ net werden. Auch hierzu ist ein variabler Schlepphebel-Ventil­ trieb bekannt geworden, siehe die DE-OS 32 33 683, F0IL 1/12. Auch diese Konstruktion arbeitet mit einem in Abhängigkeit vom Druck eines Druckmediums in einem Druckraum längsverschiebbaren Kolben als abstützendem Bestandteil des Schwenklagers des Schlepphebels.

Ein den beiden zuletzt beschriebenen bekannten Konstruktionen gemeinsamer Nachteil ist darin zu sehen, daß Ventilspielaus­ gleichsvorrichtungen fehlen. Da bei ihnen das Schwenklager des Schlepphebels durch die Einrichtungen zur Beeinflussung der Ven­ tilsteuerzeiten belegt ist, entnimmt ihnen der Fachmann, daß eine derartige Einrichtung in an sich bekannter anderer Weise, beispielsweise in einem die Auflagefläche für den Nocken tragen­ den Tassenstößel, untergebracht werden soll.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäße Schlepphebel-Ventiltrieb zu schaffen, bei dem auch die Mittel zur Änderung der Ventilsteuerzeiten auf hydrau­ lischem Wege in das Schwenklager des Schlepphebels integriert sind.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbil­ dungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe also in konstruktiv einfacher, raumsparender und preiswerter Weise durch Vorsehen von zwei teleskopierenden längsverschiebbaren Kolben, die einen Arbeitsraum für die Ventilspielausgleichsvorrichtung und einen Druckraum zur Einstellung der Ventilsteuerzeiten begrenzen. Da­ bei soll, um dies zu wiederholen, unter der Einstellung unter­ schiedlicher Ventilsteuerzeiten ggf. auch die Abschaltung des Hubventils (Ventilöffnungszeit 0) unter bestimmten Betriebsbe­ dingungen der mit dem Ventil ausgerüsteten Maschine verstanden sein.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einem Querschnitt durch den Zylinderkopf einer Hubkolben-Brennkraftmaschine die grundsätzliche Ausbildung des Ventiltriebs,

Fig. 2 in einem Querschnitt eine konstruktive Ausfüh­ rungsform der Erfindung,

Fig. 3 ein Detail einer möglichen Drucksteuerung für das Druckmittel,

die Fig. 4 und 5 den Verlauf hier interessierender Kräfte über dem Nockendrehwinkel w und

die Fig. 6, 7 und 8 verschiedene mit der Erfindung erzielbare Nockenhubkurven h über dem Nockendrehwinkel w.

In Fig. 1 ist mit 1 der einen üblichen und daher im einzelnen nicht zu beschreibenden Aufbau besitzende Zylinderkopf einer wassergekühlten Brennkraftmaschine im Querschnitt bezeichnet. In Richtung nach unten schließt sich ein mit einem Hubkolben be­ stückter Zylinder an. Man erkennt als Hubventile ausgebildete Ein- und Auslaßventile 2 und 3 mit Ventilschließfedern 4 und 5. Für die beiden Ventilarten sind getrennte Nockenwellen 6 und 7 vorhanden, die in üblicher Weise in Antriebsverbindung mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine stehen und mit Nocken 8 und 9 bestückt sind, die über in diesem Ausführungsbeispiel mit rei­ bungsmindernden Rollen 10 und 11 bestückte Schlepphebel 12 und 13 die Hubventile 2 und 3 entgegen der Kraft ihrer Schließfedern 4 und 5 öffnen. Die Schlepphebel 12 und 13 stützen sich an Schwenklagern 14 und 15 ab, und zwar an kolbenförmigen Bestand­ teilen 16 und 17 derselben. Der Aufbau dieser Schwenklager 14 und 15 bildet den wesentlichen Bestandteil der Erfindung; eine mögliche Ausbildung wird nun anhand Fig. 2 unter Bezugnahme auf das Schwenklager 14 erläutert; das Schwenklager 15 ist verständ­ licherweise identisch aufgebaut.

Der Kolben 16 ist in einer Ausnehmung des Zylinderkopfes 1 längsverschiebbar zwischen seiner ausgezogen dargestellten aus­ gefahrenen Endstellung und einer eingezogenen Lage längsver­ schiebbar, die bei 16′ durch unterbrochene Linien angedeutet ist.

Betrachtet man zunächst den Aufbau der Ventilspielausgleichsvor­ richtung, so bildet der Kolben 16 einen Bestandteil derselben; man erkennt am unteren Ende des Kolbens 16 den Sitz 18 für die Kugel 19 des ferner die Druckfeder 20 enthaltenden Rückschlag­ ventils der Ventilspielausgleichsvorrichtung. Diese Feder 20 stützt sich am Boden 21 des weiteren Kolbens 22 ab, der eben­ falls längsverschiebbar von dem topfförmigen Lagereinsatz 23 aufgenommen ist; dieser ist fest in eine Ausnehmung in dem Zy­ linderkopf 1 eingesetzt. Der weitere Kolben 22 bildet bereits insofern einen Bestandteil der Ventilspielausgleichsvorrichtung, als er nicht nur die Druckfeder 20 abstützt, sondern zusammen mit dem Rückschlagventil 18, 19 den hydraulischen Arbeitsraum 24 dieser Vorrichtung begrenzt.

Der weitere Kolben 22 bildet einen Bestandteil einer Einrichtung zur Veränderung der Ventilsteuerzeiten des nur in Fig. 1 ge­ zeichneten zugeordneten Hubventils 2. Er begrenzt nämlich den Druckraum 25 derselben, der mit der Druckmittelzufuhr 26 verbun­ den ist. Durch Änderung des Drucks im Druckraum 25 ist es demge­ mäß möglich, den weiteren Kolben 22 zwischen einer durch den un­ teren Anschlag 27 definierten eingefahrenen Stellung und einer durch den Anschlag 28 am Lagereinsatz 23 (in diesem Ausführungs­ beispiel im Zusammenwirken mit der Druckfeder 29) definierten oberen Stellung zu verschieben; bei diesen Längsbewegungen nimmt der weitere Kolben 22 den Kolben 16 mit.

Die Ventilspielausgleichsvorrichtung kann vom Druckraum 25 her über Kanäle bzw. Bohrungen 30, 31 und 32 mit Druckmittel ver­ sorgt werden; angesichts der zur Änderung der Ventilsteuerzeiten erfolgenden relativ starken Druckänderungen im Druckraum 25 kann es aber auch zweckmäßig sein, eine durch den Kanal 33 symboli­ sierte getrennte Druckmittelversorgung für die Ventilspielaus­ gleichsvorrichtung vorzusehen.

Betrachtet man zum grundsätzlichen Verständnis der Erfindung nochmals den Fall, daß der Druckraum 25 praktisch drucklos ist, so bewirkt der Nocken 8 bei seiner Schwenk- bzw. Drehbewegung eine Verschiebung des Kolbens 16 und damit des Schwenkpunkts des Schlepphebels 12 in die Stellung 16′. Infolge der Stärke der Ventilschließfeder 4 wird nunmehr das freie obere Ende des Schafts des Hubventils 2 zum Stützlager des Schlepphebels 12, so daß eine Öffnungsbewegung des Hubventils 2 entweder überhaupt nicht oder nur während kurzer Öffnungsphasen, und dann mit rela­ tiv geringem Hub, erfolgt. Herrscht dagegen im Druckraum 25 ein relativ hoher Druckmitteldruck, so befindet sich der Kolben 16 in seiner ausgefahrenen Stellung, in der er durch den Druckmit­ teldruck während aller Winkelstellungen des Nockens 8 verharrt, so daß dessen Verlauf durch den Schlepphebel 12 praktisch in einen Hubverlauf des Hubventils 2 und damit in den maximalen Hub-Zeit-Querschnitt desselben umgesetzt wird. Die Druckfeder 29 sorgt dabei dafür, daß bei geringem Druckmitteldruck im Druck­ raum 25 auch während der Grundkreisphase des Nockens 8 der wei­ tere Kolben 22 in seiner tiefsten Lage verbleibt.

Insbesondere dann, wenn nicht eine Abschaltung des Hubventils 2, sondern eine Anpassung seiner Ventilsteuerzeiten an die jeweili­ gen Betriebsbedingungen der Maschine angestrebt wird, kann zur entsprechenden Änderung des Drucks im Druckraum 25 im Zuge der Druckmittelzufuhr 26 ein Drehschieber 35 vorgesehen sein, der gleichsam im Synchronismus mit den einzelnen Phasen des Arbeits­ zyklus des Hubventils 2 die Druckmittelzufuhr 26 mit der zu einer Quelle hohen Drucks führenden Leitung 36 verbindet (ge­ zeichnete Stellung des Drehschiebers 35) oder eine Verbindung zwischen der Druckmittelzufuhr 26 und einer drucklosen Abführ­ leitung 37 herstellt (dazu wird der Drehschieber im Uhrzeigersinn um etwa 90° verschwenkt).

Es ist aber auch möglich, im Zuge der Zufuhrleitung 26 ein Rück­ schlagventil 38 vorzusehen und dem Druckraum 25 einen gedrossel­ ten Ablauf 39 zuzuordnen. In diesem Falle ergibt sich infolge Verzögerung des Druckabbaus im Druckraum 25 eine Verzögerung der Ventilschließbewegung, d. h. eine Verschiebung des Ventil­ schließzeitpunkts in Richtung später.

Eine Ventilanordnung zur gezielten Außerbetriebsetzung des Hub­ ventils 2 ist in Fig. 3 angegeben: Wiederum erkennt man die Druckmittelzufuhr 26. In ihrem Zuge ist das Rückschlagventil 40 vorgesehen, das, solange die Bypassleitung 41 durch das Ventil 42 gesperrt ist, einen hohen Druck in dem Druckraum 25 und damit die ausgefahrene Lage des Kolbens 16 sicherstellt. Das Hubventil 2 arbeitet also mit maximalem Hub-Zeit-Querschnitt. Verständ­ licherweise ist es auch möglich, den zugeführten Druckmittel­ druck zu variieren, so daß die Ventilsteuerzeiten des betätigten Ventils auf die jeweiligen Betriebsbedingungen der Maschine abgestimmt werden. Soll nun das Hubventil 2 stillgesetzt werden, wird durch Betätigung des Ventils 42 die Bypassleitung 41 geöff­ net, so daß der Druckraum 25 praktisch drucklos und der weitere Kolben 22 durch die Kraft des Nockens 8 in seine tiefste Stel­ lung verschoben wird. Unter der Wirkung seiner Ventilschließfe­ der 4 verbleibt dann das Hubventil 2 in seiner geschlossenen Stellung.

Fig. 4 zeigt den Verlauf verschiedener Kräfte K über dem Nockendrehwinkel w. Aus der Massenbeschleunigung des Ventiltrie­ bes resultiert bei niedrigen Drehzahlen der Kraftverlauf k1, da­ gegen bei hohen Drehzahlen der Kraftverlauf k2. im Bereich der Wirksamkeit des Scheitels des Nockens 8 ergibt sich nur eine ge­ ringe Kraftdifferenz d1 bzw. d2 zwischen diesen Beschleunigungs­ kräften und der von der Ventilschließfeder 4 ausgeübten Kraft V. Das bedeutet - siehe Fig. 5 -, daß in einem die Wirksamkeit des eigentlichen Nockens 8 enthaltenden Kurbelwinkelbereich a opti­ male Bedingungen zum Auffüllen des Druckraums 25, dagegen in ei­ nem Kurbelwinkelbereich b optimale Bedingungen zum Entleeren des Druckraums 25 vorliegen. Aus den unterschiedlichen Kraftverläu­ fen bei verschiedenen Drehzahlen resultieren gemäß Fig. 6 auch unterschiedliche Hubkurven des Hubventils 2, nämlich eine nie­ drigere Hubkurve h1 bei niedrigen und eine höhere Hubkurve h2 bei höheren Drehzahlen der Maschine. Man kann sagen, daß die Differenzen zwischen den beiden Hubkurven h1 und h2 durch die unterschiedlichen Bewegungsverläufe des weiteren Kolbens 22 (siehe Fig. 2) bei unterschiedlichen Drehzahlen erzeugt werden. Bei hoher Drehzahl macht sich die drosselnde und damit ver­ zögernde Wirkung des Drosselkanals 39 besonders bemerkbar.

Während in dem Diagramm der Fig. 6 vornehmlich eine Verlagerung des Schließzeitpunkts des Hubventils 2 in Richtung später ange­ nommen war, läßt sich die Erfindung auch so auslegen, daß gemäß Fig. 7 dem dem eigentlichen Verlauf des Nockens 8 entsprechen­ den Ventilhub h1 durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Schwenklagers 14 ein Zusatzhub Δh überlagert wird, der zu einer Hubkurve h1′ mit vorverlagertem Öffnungszeitpunkt des Ventils 2 und größerem Ventilhub führt. Mit c ist ein Kurbelwinkelbereich bezeichnet, in dem der Druck des Druckmittels im Druckraum 25 erhöht wird oder auf dem gleichen Wert bleibt, während im Kur­ belwinkelbereich d der Druck im Druckraum 25 verringert wird.

Schließlich ist gemäß Fig. 8 auch eine Ansteuerung des Druck­ raums 25 in der Weise denkbar, daß bei einer nockenbedingten Ventilhubkurve h1 eine tatsächliche Ventilhubkurve h1′′ ent­ steht, die bei allen Nockendrehwinkeln w oberhalb der Hubkurve h1 verläuft. Mit e ist der Kurbelwinkelbereich bezeichnet, in dem in den Druckraum 25 Druckmittel geliefert wird, dagegen er­ folgt während des Kurbelwinkelbereichs f das Absteuern. Während des Kurbelwinkelbereichs g befindet sich der weitere Kolben 22 an seinem in Fig. 2 mit 28 bezeichneten Anschlag.

Mit der Erfindung ist demgemäß ein gattungsgemäßer Ventiltrieb geschaffen, bei dem mit einfachen Mitteln sowohl eine Ventil­ spielausgleichsvorrichtung als auch eine Einrichtung zur geziel­ ten Veränderung von Ventilsteuerzeiten während des Betriebs der Maschine in ein Schwenklager des Schlepphebels integriert sind.

Claims (9)

1. Schlepphebel-Ventiltrieb für ein schließfederbestücktes Hub­ ventil mit einem zwischen einem Nocken und dem Hubventil an­ geordneten Schlepphebel, der einenends mittels eines als Kolben einer hydraulischen Ventilspielausgleichsvorrichtung ausgebildeten Lagers schwenkbar gelagert ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kolben (16) längsverschiebbar von einem weiteren Kolben (22) aufgenommen ist, der seinerseits zwischen einem schlepphebelseitigen Anschlag (28) und einem an seinem dem Schlepphebel (12) abgekehrten Ende befindlichen Druckraum (25) ebenfalls längsverschiebbar gelagert ist, dem eine äußere Druckmittelzufuhr (26) mit Mitteln (35) zum Einstellen unterschiedlicher Drücke zugeordnet ist.

2. Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Kolben (22) topfförmig mit einem Boden (21) ausgebil­ det ist, der mit einem Rückschlagventil (18, 19) der Ventil­ spielausgleichsvorrichtung einen hydraulischen Arbeitsraum (24) derselben definiert.

3. Ventiltrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Kolben (22) nebst Druckraum (25) von einem topfförmigen Lagereinsatz (23) aufgenommen ist.

4. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen dem Anschlag (28) und einer ihm zuge­ kehrten Auflagefläche am weiteren Kolben (22) eine Druckfeder (29) angeordnet ist.

5. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch zumindest einen von dem Druckraum (25) abgehenden Kanal (30) zur Druckmittelversorgung der Ventilspielausgleichsvor­ richtung.

6. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine von der Druckmittelzufuhr (26) unabhängige Druck­ mittelversorgung (33) für die Ventilspielausgleichsvorrich­ tung.

7. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Druckmittelzufuhr (26) ein zur Hubven­ tilabschaltung überbrückbares Rückschlagventil (40) liegt.

8. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Beeinflussung von Hubventilsteuerzeiten der Druck im Druckraum (25) phasengerecht bezüglich des Arbeits­ zyklus des Hubventils (2) veränderbar ist.

9. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Verzögerung der Schließbewegung des Hubven­ tils (2) dem Druckraum (25) ein Drosselabfluß (39) für das Druckmittel zugeordnet ist.