AT413853B - Ventilbetätigungseinrichtung - Google Patents

Description

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AT 413 853 B

Die Erfindung betrifft eine Ventilbetätigungseinrichtung mit einem Tassenstößel für ein nockenbetätigtes Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine, wobei der Tassenstößel profiliert ausgeführt und eine dem Nocken zugewandte Kontaktfläche aufweist, welche zumindest einen ersten und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei erster und zweiter Abschnitt zueinander geneigt 5 ausgeführt sind, wobei der zweite Abschnitt bezüglich des vorzugsweise normal zur Hubachse angeordneten ersten Abschnittes konvex geneigt ist.

Die Ventilbetätigungselemente werden üblicherweise entwickelt, um eine maximale Leistungsabgabe bei hohen Motorgeschwindigkeiten zu erreichen. Die Profile der Nocken der Gaswech-io selventile sind dabei so gestaltet, dass ein hohe Gasdurchflüsse bei hohen Drehzahlen erzielt werden können, wobei maximale Ventilhübe und Öffnungszeiten auf möglichst hohe Gasflüsse ausgelegt werden. Bei geringen Drehzahlen treten durch die langen Öffnungszeiten der Gaswechselventile allerdings Liefergradeinbußen auf, was zu geringeren Drehmomenten und Wirkungsgraden führt. Um dies zu vermeiden, wird in der EP 0 292 185 B1 vorgeschlagen, den 15 Tassenstößel profiliert zu gestalten, wobei die Winkelorientierung der profilierten Stirnfläche bezüglich der Drehachse durch Verdrehen des Ventilstößels verändert werden kann. In einer Ausführung weist der Tassenstößel eine kippbare Scheibe auf, welche durch die Drehung des Nockens um ein Drehgelenk im Bereich der Tassenstößelmitte gekippt werden kann. Nachteilig ist, dass zur Verdrehung des Tassenstößels ein relativ hoher konstruktiver Aufwand erforderlich 20 ist.

Aus der EP 1 209 326 A2 ist eine variable Ventilbetätigungseinrichtung für ein durch einen Nocken über einen Tassenstößel betätigtes Gaswechselventil bekannt, wobei zwischen dem Nocken und dem Ventilschaft des Gaswechselventils ein im Wesentlichen als Platte ausgebilde-25 tes Betätigungsglied angeordnet ist, welches durch einen hydraulischen Aktuator in einer Stellung fixiert werden kann, wobei ein Sperrkolben gegen das Betätigungsglied gepresst wird. Bei Deaktivieren des hydraulischen Aktuators wird ein Teil des Nockenhubes durch das in einer zweite Stellung geschwenkte Betätigungsglied aufgenommen, wodurch der effektive Ventilhub des Gaswechselventils geringer ist, als bei aktiviertem hydraulischen Aktuator. Durch Aktivieren 3o oder Deaktivieren des Aktuators kann somit Öffnungszeitpunkt und Schließzeitpunkt des Gaswechselventils verändert werden. Diese Ventilbetätigungseinrichtung benötigt eine relativ aufwendige Steuerung.

Die EP 0 574 867 A1 offenbart eine Ventilbetätigungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine 35 mit einem Tassenstößel für ein nockenbetätigtes Gaswechselventil, wobei der Tassenstößel profiliert ausgeführt ist und eine dem Nocken zugewandte Kontaktfläche aufweist. Die Kontaktfläche weist einen ersten normal zur Hubachse angeordneten Abschnitt und einen gekrümmt ausgeführten zweiten Abschnitt auf. Der zweite Abschnitt schließt im Bereich der Hubachse des Ventils an den ersten Abschnitt an. 40

Bei nicht variablen Ventilbetätigungseinrichtungen sind der Gestaltung der Ventilhubkurve durch die Formgebung des Nockenprofils bei gegebenen Grundkreisdurchmesser Grenzen gesetzt, was den maximalen Ventilhub im Verhältnis zur minimalen Ventilöffnungsdauer betrifft, insbesondere bei Ventiltrieben ohne Ventilspielausgleich. Um ein weiches Öffnen und Schließen des 45 Gaswechselventils im kalten und im warmen Zustand des Motors zu gewährleisten, muss der Vornocken zur Überwindung des Ventilspiels eine Mindestlänge aufweisen. Ist diese Mindestlänge nicht gewährleistet, so liegt die Kontaktlinie zwischen Nocken und Tassenstößel zu Beginn des Ventilhubes nicht mehr im Bereich des Vornockens und somit weit außerhalb der Tassenmitte, wodurch der Nocken hart auf die Kontaktfläche des Tassenstößels aufschlägt und so enorm hohe Beschleunigungskräfte auftreten, die sehr hohen Verschleiß verursachen und sich durch hohe Ventilbetriebsgeräusche bemerkbar machen.

Die Ventilöffnungsdauer des Gaswechselventils hängt in erster Linie vom Winkel zwischen Vornocken und Nockenspitze ab. Soll die Ventilöffnungsdauer verringert werden, so muss bei 55 gleichbleibendem Nockenhub und Flankradius der Spitzenradius kleiner werden. Der Spitzen- 3

AT 413 853 B radius der Nockenspitze lässt sich aber nicht beliebig verkleinern, denn mit seiner Reduzierung steigt auch die hertzsche Flächenpressung. Um eine zu hohe hertzsche Flächenpressung zu vermeiden, bleibt also nur mehr die Möglichkeit der Nockenhubreduzierung. Bei gegebenem Grundkreisradius lässt sich durch Veränderung der Nockenform somit die Offnungsdauer nur 5 bei gleichzeitiger Verringerung des maximalen Nockenhubes reduzieren. Dies hat allerdings den Nachteil, dass es zu einer deutlichen Leistungseinbuße im oberen Drehzahlbereich kommt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die aufgezeigten Nachteile zu vermeiden und auf möglichst einfache Weise Drehmoment und Wirkungsgrad im unteren Drehzahlbereich ohne Leistungseinbu-io ßen im oberen Drehzahlbereich zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass ein Übergangsbereich zwischen ersten und zweiten Abschnitt von einer durch die Hubachse und die Nockenwellenachse aufgespannten Bezugsebene beabstandet ist, wobei vorzugsweise der Abstand maximal dem halben Tassen-15 Stößelradius, vorzugsweise maximal dem Ventilschaftdurchmesser, besonders vorzugsweise maximal dem halben Ventilschaftdurchmesser entspricht. Die Verschneidungslinie zwischen der Kontaktfläche des ersten Abschnittes und des zweiten Abschnittes verläuft dabei im Wesentlichen parallel zur Bezugsebene. 20 Im Übergangsbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt kann die Kontaktfläche dabei einen erste Krümmungsradius von etwa maximal 50 mm aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kontaktfläche des zweiten Abschnittes konvex gekrümmt mit einem Krümmungsradius von mindestens etwa 50 mm ausgeführt ist. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Neigungswinkel zwischen dem ersten 25 und dem zweiten Abschnitt zwischen etwa 185° und 210°, vorzugsweise zwischen etwa 190° und 200°, beträgt. Der Ventilhubverlauf kann durch Variation der Exzentrizität, des ersten Krümmungsradius und des zweiten Krümmungsradius, sowie des Winkels α und des Ventilspiels maßgeblich beeinflusst werden. 30 Der Tassenstößels muss gegen Verdrehen gesichert eingebaut werden. Abhängig von der Nockendrehrichtung und der Einbauposition der Tasse wird damit ein früheres Schließen oder ein späteres Öffnen des Gaswechselventils erreicht. Hervorgerufen wird dies - bei gegebenen Ventilspiel - in erster Linie durch die Abschrägung der Abrollkontur auf eine Seite hin, wobei diese mit einem möglichst großen Radius exzentrisch beginnen muss. Die Exzentrizität ist 35 deshalb von großer Bedeutung, weil die Kontaktlinie zwischen dem Nocken und dem Tassenstößel während einer Umdrehung der Nockenwelle von innen nach außen, also von der Hubachse zur Tassenrandzone hin, wandert, um danach bis zum gegenüberliegenden Tassenrand den gesamten Tassenbereich zu überqueren und von hier wieder zurück zur Hubachse, also Richtung Tassenmitte, zurückkehrt. 40

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 eine erfindungsgemäße Ventilbetätigungseinrichtung in einem Schnitt, Fig. 2 einen Tassenstößel der Ventilbetätigungseinrichtung, Fig. 3 ein Hubdiagramm einer Brenn-45 kraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Ventilbetätigungseinrichtung, Fig. 4 ein Hubdiagramm einer herkömmlichen Ventilbetätigungseinrichtung und Fig. 5 ein Hubdiagramm der erfindungsgemäßen Ventilbetätigungseinrichtung im Vergleich zu einer herkömmlichen Ventilbetätigungseinrichtung. so Die Fig. 1 und 2 zeigen einen drehfest in einem Stößelzylinder 17 gelagerten Tassenstößel 1 für eine durch einen Nocken 2 betätigte Ventilbetätigungseinrichtung 3. Die Kontaktfläche 4 mit dem Nocken 2 weist eine spezielle Formgebung auf und ist in einen etwa normal zu Hubachse 5 des Gaswechselventils 6 angeordneten ebenen ersten Abschnitt 7 und einen dazu konkav geneigten zweiten Abschnitt 8 unterteilt. Mit Bezugszeichen 9 ist eine Normalebene auf die 55 Hubachse 5 bezeichnet. Der zweite Abschnitt 8 kann eine ebene oder gekrümmte Oberfläche 4

AT 413 853 B aufweisen. Der zweite Abschnitt 8 bzw. eine Tangentialebene ε des zweiten Abschnittes 8 schließt mit dem ersten Abschnitt 7 einen Winkel α von etwa 185° bis 210° ein. Die Verschneidungslinie 11 im Übergangsbereich zwischen dem ersten Abschnitt 7 und dem zweiten Abschnitt 8 verläuft exzentrisch bezüglich der Hubachse 5 und ist von einer durch die Hubachse 5 und die Nockenwellenachse 2a aufgespannten Bezugsebene 15 beabstandet, wobei die Exzentrizität e vorzugsweise kleiner ist als der halbe Radius R des Tassenstößels 4 und vorzugsweise etwa dem halben Durchmesser d des Ventilschaftes des Gaswechselventils 6 entspricht. In Bereich der Verschneidungslinie 11 ist zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt 7, 8 ein erster Krümmungsradius R1 ausgebildet, welcher zwischen etwa 1 mm und 50 mm beträgt. Der Krümmungsradius der Oberfläche des zweiten Abschnittes 8 ist mit R2 bezeichnet ist und beträgt zwischen etwa 50 mm und 1000 mm.

Durch Variation der Werte e, R1, R2 und a, sowie des Ventilspieles des Gaswechselventils 6 kann der Ventilhubverlauf maßgeblich beeinflusst werden.

Der Tassenstößel 1 muss gegen Verdrehen gesichert im Zylinderkopf 12 verschiebbar gelagert sein. In Abhängigkeit der Nockendrehrichtung 13 wird entweder ein früheres Schließen oder ein späteres Öffnen des Gaswechselventils 6 erreicht. Hervorgerufen wird dies - bei gegebenem Ventilspiel - in erster Linie durch den zweiten Abschnitt 8 gebildete Abschrägung der Abrollkontur des Tassenstößels 1 auf eine Seite hin, wobei diese mit einem möglichst großen zweiten Radius R2 um den Wert e exzentrisch bezüglich der Hubachse 5 vom ersten Abschnitt 7 ausgeht. Die Exzentrizität e ist dabei von großer Bedeutung, weil die Kontaktlinie zwischen dem Nocken 2 und dem Tassenstößel 1 während einer Umdrehung der Nockenwelle vom Bereich der Hubachse 5 zur ersten Tassenrandzone 14a wandert, um danach bis zur gegenüberliegenden Tassenrandzone 14b den gesamten Tassenbereich zu überqueren und von hier wieder zurück Richtung Hubachse 5, also Richtung Tassenmitte, zurückkehrt. Aus diesem Grund würde bei einer Exzentrizität von e=0 mm der Schließ- und Öffnungszeitpunkt des Hubventils 6 nur einen geringen Unterschied zu einem Ventiltrieb mit flacher Kontaktfläche ergeben. Der Einfluss der Exzentrizität e ist aus dem Hubdiagramm in Fig. 3 ersichtlich, wobei jeweils der Ventilhub H über dem Kurbelwinkel CA aufgetragen ist. Die Kurve 20 zeigt den Ventilhubverlauf H für einen flachen Tassenstößel. Die Kurven 21 und 22 zeigen den Ventilhubverlauf H für einen gemäß den Fig. 1 und 2 profilierten Tassenstößel, wobei die Exzentrizität e bei der Kurve 22 größer ist als bei der Kurve 21. Aus Fig. 3 ist weiters ersichtlich, dass die Profilierung des Tassenstößels 1 mit konvex bezüglich des ersten Abschnittes 7 geneigten zweiten Abschnitt 8 einen großen Einfluss auf die Steuerzeit, im vorliegenden Fall auf die Schließzeit, aber nur geringen Einfluss auf den maximalen Ventilhub ausübt.

Prinzipiell könnte ein Reduzierung der Steuerzeiten auch durch Formgebung des Nockens 2 erfolgen. Allerdings sind der Formgestaltung des Nockens 2 bei gegebenem Grundkreisradius r meist Grenzen gesetzt, was den maximalen Ventilhub im Verhältnis zur minimalen Ventilöffnungsdauer betrifft, insbesondere bei Nockenprofilen für Ventiltriebe ohne Ventilspielausgleich. Um ein weiches Öffnen und Schließen des Hubventils 6 im kalten, wie im warmen Zustand des Motors zu gewährleisten, muss die notwendige sogenannte Rampe 17 (Vornocken) des Nockens 2 zur Überwindung des Ventilspiels eine gewisse Mindestlänge aufweisen. Kann diese nicht gewährleistet werden, liegt die Kontaktlinie zwischen Nocken 2 und Tassenstößel 1 zu Beginn des Ventilhubes nicht mehr auf der Rampe des Nockens 2 und somit weit außerhalb der Tassenmitte, wodurch der Nocken 2 hart auf den Tassenstößel 1 aufschlägt und enorm hohe Beschleunigungskräfte auftreten, die sehr hohen Verschleiß verursachen und sich durch hohe Ventiltriebsgeräusche bemerkbar machen. Die Ventilöffnungsdauer eines Nockens 2 wird im Wesentlichen durch den Winkelbereich zwischen Vor- und Nachnocken 17, 18 bestimmt. Zur Verringerung der Ventilöffnungsdauer muss bei gleichbleibenden Nockenhub und Flankenradius des Nockens 2 der Spitzenradius Rsp des Nockens 2 verkleinert werden. Der Reduzierung des Spitzenradius RSp sind durch zunehmende hertzsche Flächenpressung Grenzen gesetzt, so dass eine weitere Verringerung der Steuerzeit nur bei gleichzeitiger Nockenhubreduzierung möglich ist.

Claims (6)

1. 5 AT 413 853 B Fig. 4 zeigt zwei Ventilhubverläufe 23, 24 mit ähnlichen Belastungen des Ventiltriebes, wobei bei der Kurve 24 die Öffnungsdauer wesentlich geringer ist als bei Kurve 23. Um die geringere Öffnungsdauer bei gleichbleibendem Grundkreisradius r zu ermöglichen, muss der maximale Ventilhub deutlich reduziert werden. Die Ventilöffnungsfläche wird in diesem Fall somit nicht nur 5 durch die verkürzte Öffnungsdauer verringert, sondern auch und vor allem durch die damit notwendig werdende Verkleinerung des Nockenhubes. In Fig. 5 ist dieser Unterschied in der Ventilöffnungsfläche veranschaulicht, wobei die die gleiche Öffnungsdauern aufweisenden Kurven 22 und 24 in einem Hubdiagramm übereinander dargestellt sind. Die Kurve 24 zeigt die verringerte Öffnungsdauer somit bei einem flachen Tassenstößel, die Kurve 22 bei einem erfin-io dungsgemäß profilierten Tassenstößel 1. Da bei der Ventilerhebungskurve 22 mit dem profilierten Tassenstößel 1 durch die Exzentrizität e auch ein etwas späteres Öffnen des Ventils einhergeht, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, wurden die Kurven 22 und 24 für 0,3 mm Ventilspiel (hs) auf gleichen Öffnungs- und Schließzeitpunkt gelegt. Die durch den Einsatz des profilierten Tassenstößels 1 gewonnene Ventilöffnungsfläche 30 ist in Fig. 5 gut erkennbar. Bei gleichen 15 Öffnungs- und Schließzeitpunkten der Hubventile 6 (Öffnungsdauer beim Ausführungsbeispiel: 235° Kurbelwinkel CA bei 0,3 mm Ventilspiel hs) ergibt sich durch den höheren Maximalhub durch den Einsatz des profilierten Tassenstößels 1 eine Mehrleistung von etwa 10% und mehr im oberen Drehzahlbereich. Durch den profilierten Tassenstößel 1 kann somit insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit zwei Hubventilen 6 pro Zylinder das typische Abfallen des Drehmo-20 mentes im oberen Drehzahlbereich verhindert und damit eine beachtliche Mehrleistung erzielt werden. Patentansprüche: 25 1. Ventilbetätigungseinrichtung (3) mit einem Tassenstößel (1) für ein nockenbetätigtes Gaswechselventil (6) einer Brennkraftmaschine, wobei der Tassenstößel (1) profiliert ausgeführt und eine dem Nocken (2) zugewandte Kontaktfläche (4) aufweist, welche zumindest einen ersten und einen zweiten Abschnitt (7, 8) aufweist, wobei erster und zweiter Ab- 30 schnitt (7, 8) zueinander geneigt ausgeführt sind, wobei der zweite Abschnitt (8) bezüglich des vorzugsweise normal zur Hubachse (5) angeordneten ersten Abschnittes (7) konvex geneigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergangsbereich (16) zwischen ersten und zweiten Abschnitt (7, 8) von einer durch die Hubachse (5) und die Nockenwellenachse (2a) aufgespannten Bezugsebene (15) beabstandet ist, wobei vorzugsweise der Abstand (e) 35 maximal dem halben Tassenstößelradius (R), vorzugsweise maximal dem Ventilschaftdurchmesser (d), besonders vorzugsweise maximal dem halben Ventilschaftdurchmesser (d) entspricht.
2. 2. Ventilbetätigungseinrichtung (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ver- 40 schneidungslinie (11) zwischen ersten und zweiten Abschnitt (7, 8) etwa parallel zur Be zugsebene (15) verläuft.
3. 3. Ventilbetätigungseinrichtung (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (4) im Übergangsbereich (16) zwischen erstem und zweitem Abschnitt 45 (7, 8) einen ersten Krümmungsradius (R1) aufweist, welcher vorzugsweise maximal etwa 50 mm beträgt.
4. 4. Ventilbetätigungseinrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (4) im zweiten Abschnitt (8) konvex gekrümmt ausgeführt ist so und vorzugsweise einen zweiten Krümmungsradius (R2) aufweist, welcher besonders vor zugsweise mindestens etwa 50 mm beträgt.
5. 5. Ventilbetätigungseinrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (a) zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt (7, 8) zwischen etwa 185° und 210°, vorzugsweise zwischen etwa 190° und 200°, beträgt. 55 6 AT 413 853 B
6. 6. Ventilbetätigungseinrichtung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Tassenstößel (1) verdrehtest in einem Stößelzylinder (17) gelagert ist. 5 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55