DE10136353B4 - Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine für ein desaktivierbares Gaswechsel-Hubventil - Google Patents

Abstract

Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit einem in einem Zylinderkopf zwischen einer Nockenwelle und mindestens einem desaktivierbaren Gaswechsel-Hubventil angeordneten Übertragungselement in Form eines Schlepp-, Rollenschlepp- oder Kipphebels, in dem ein druckmittelbetätigt im Wesentlichen quer zur Achse des Hubventils derart verschiebbares Koppelelement angeordnet ist, daß in einer ersten, das Ventil aktivierenden Stellung des Koppelelements, ein Nockenhub über das Übertragungselement und das Koppelelement auf das Ventil übertragen wird und in einer zweiten, das Ventil desaktivierenden Stellung eine Relativbewegung des Übertragungselements gegenüber dem Ventil in Form eines Leerhubs ermöglicht ist, und mit einer sich zylinderkopfseitig abstützenden Ventilschließfeder, welche an einer Federtelleranordnung des Gaswechselventils angreift, die sich bei in der zweiten Stellung befindlichem Koppelelement an einer Wälzkontur des Übertragungselements abstützt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkontur (21a) und bei in seiner ersten Stellung (18) befindlichem Koppelelement (20) einander gegenüberstehende Druckflächen an diesem und dem Ventil (5) derart ausgelegt sind, daß sich die Federtelleranordnung (12) im Wesentlichen nur während der Nockengrundkreisphase (31) unter Wahrung eines Minimalspalts (30) zwischen den Druckflächen an der Wälzkontur (21a) abstützt, dagegen in der Nockenhubphase durch Änderung des Winkels zwischen der Wälzkontur (21a) und der Federtelleranordnung (12) diese Abstützung aufgehoben und bei in der ersten Stellung (18) befindlichem Koppelelement (20) unter Beseitigung des Mindestspalts (30) der Kontakt zwischen einem Ventilschaft (9) des Gaswechsel-Hubventils (5) einerseits und dem Koppelelement (20) andererseits hergestellt ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Bei einem aus der DE 195 22 720 A1 bekannten gattungsgemäßen Ventiltrieb stützt sich die Ventilschließfeder über die Federtelleranordnung dauernd an einem Abwälzprofil des Übertragungselements ab, das dort als Schlepphebel, Rollenschlepphebel, Kipphebel oder auch als Tassenstößel ausgebildet sein kann. Durch diese Abstützmaßnahme erübrigt sich eine zur Ventilschließfeder zusätzliche zweite Feder. Als Koppelelemente finden beim Stand der Technik – siehe auch die DE 197 44 600 A1 – Kugeln oder Kolben Einsatz, die auch mittels einer Druckfeder in Richtung auf ihre erste Stellung, die also der Aktivierung des Ventils entspricht, kraftbeaufschlagt sein können. Ventiltriebe dieses Aufbaues sind insofern vorteilhaft, als die Druckmittelzufuhr, in der Regel Luft, für die Bewegung des Koppelelements zwischen seinen beiden definierten Stellungen relativ einfach durch Kanäle in dem Übertragungselement erfolgen kann. Auch bietet dieses angesichts seiner durch sein Übersetzungsverhältnis bestimmten Größe genügend Platz zur Unterbringung der für die wahlweise Aktivierung und Deaktivierung des Ventils erforderlichen Bauteile. Wie jedoch Untersuchungen gezeigt haben, können im Bereich des Koppelelements Vorgänge auftreten, die die ordnungsgemäße Betriebsweise des Ventils nachteilig beeinflussen.
• Wie bereits ausgeführt, sind die zusammenwirkenden Bauteile beim gattungsbildenden Stand der Technik so ausgelegt bzw. aufeinander abgestimmt, daß die Ventilschließfeder über die Federtelleranordnung dauernd an der Wälzkontur des Übertragungselements abgestützt ist. Wie sich gezeigt hat, bedarf es in der Regel jedoch zusätzlicher Überlegungen hinsichtlich der Abfangung der Ventilschließfederkräfte in den verschiedenen Betriebszuständen des Ventiltriebs bzw. des Ventils. Die Deaktivierung und auch die Aktivierung des Ventils und damit die entsprechende Bewegung des Koppelelements darf nur in der Grundkreisphase des Nockens bei geschlossenem Ventil erfolgen. Daher darf weder ein Kraftschluß noch ein Formschluß die Verschiebung des Koppelelements während der Nockengrundkreisphase behindern. Dazu ist während der Nockengrundkreisphase eine quer zur Achse des Hubventils verlaufende Verschiebeachse des Koppelelements erforderlich. Gleichzeitig muß das Koppelelement zum Ventilschaftende, also eine Druckfläche des Koppelelements zu einer Druckfläche am Ventil, ein zu seiner Verschiebung Minimalspiel aufweisen, das auch durch die Kräfte der Ventilschließfeder nicht beseitigt werden darf. Nun hat sich gezeigt, daß das definierte Minimalspiel bei in seiner ersten Stellung befindlichem Koppelelement und bei Ventilbetätigung mit positiver Ventilbeschleunigung zwar verschwindet, da ja die Öffnungsbewegung des Ventils durch Kraftübertragung vom Nocken über das Koppelelement erfolgt, jedoch bei negativer Ventilbeschleunigung, wie sie etwa ab dem halben Ventilöffnungshub vorliegt, wieder auftritt. Dieser Umstand kann dazu führen, daß bei beabsichtigter Deaktivierung des Ventils aber durch eine zeitlich nicht exakt auf die Nockengrundkreisphase ausgelegte Druckmitteleinwirkung auf das Koppelelement dieses auch während der Ventilöffnungsphase im Sinne einer Deaktivierung verschoben werden kann. Unter dem Einfluß der Kräfte der Ventilschließfeder kann dies zu einem unkontrollierten Schließen des Ventils mit dynamischer Überlastung der Ventiltriebsteile sowie einer nachteiligen Einwirkung auf die gerade ablaufenden Arbeitstaktphasen des Ventils führen. Probleme können auch dann auftreten, wenn die Druckmittelabdichtung im Bereich des Koppelelements nicht einwandfrei arbeitet. Der Stand der Technik offenbart die Verwendung einer Kugel oder eines Kolbens als Koppelelement. Während die Kugel den grundsätzlichen Vorteil der Abrollbewegung zwischen Übertragungselement und Ventilschaft bietet, ist sie hinsichtlich der Druckmittelabdichtung einem Kolben unterlegen. Da man in der Regel als Druckmittel hier Luft verwenden wird, ist das Abdichtproblem besonders kritisch.
• Die GB 2 079 374 A offenbart einen Fluidaktuator mit einer Kugel, welche in einer Bohrung einer Röhre als Kolben dient. Der Spalt zwischen Kugel und Bohrung ist zusätzlich mittels eines O-Rings abgedichtet, welcher mittels einer Feder in Anlage an der Kugel gehalten wird.
• Die US 3 335 709 A zeigt einen Kipphebel eines Ventiltriebs, welcher Bewegungen einer Stößelstange auf ein Gaswechselventil überträgt. Zur Sicherstellung eines dauerhaften Kontakts zwischen einem halbkugelförmigen Drehlager und einem kalottenförmigen Abschnitt des Kipphebels ist das halbkugelförmige Drehlager magnetisiert.
• Die beiden umrissenen Probleme im Bereich des Koppelelements gemäß der DE 195 22 720 A1 und der DE 197 44 600 A1 haben gemeinsam, daß sie die exakte Arbeitsweise des Ventils beeinflussen können.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Ventiltrieb zu schaffen, der die Arbeitsweise des Ventils beeinträchtigende Vorgänge im Bereich des Koppelelements vermeidet.
• Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in einem gattungsgemäßen Ventiltrieb mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, vorteilhafte Ausbildungen beschreiben die abhängigen Ansprüche.
• Während sich die Ansprüche 1 und 2 auf Lösungen zur Vermeidung des zuerst umrissenen Problems der Aufhebung des Kontakts zwischen Koppelelement und Ventil während der letzten Öffnungsphase desselben beziehen, beinhalten die weiteren Ansprüche zusätzlich Maßnahmen zur Erzielung der erforderlichen Dichtigkeit im Bereich einer die erwünschte Abrollbewegung sicherstellenden Kugel, die als Koppelelement Einsatz findet.
• Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren beschrieben, die senkrechte Schnitte durch einen den jeweiligen Ventiltrieb enthaltenden Bereich des Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine zeigen. Die Darstellung der 3, 4 und 5 beschränkt sich auf die rechte Hälfte des Zylinderkopfes.
• Betrachtet man zunächst 1, so trägt der Zylinderkopf 1 einer Brennkraftmaschine einen Ventiltrieb mit der Nocken 2 aufweisenden Nockenwelle 3, dem Rollenschlepphebel 4 sowie dem Gaswechselventil 5. Der als Übertragungselement zwischen Nockenwelle 3 und Gaswechselventil 5 wirkende Rollenschlepphebel 4 stützt sich im Zylinderkopf 1 mit einem Ende 6 mittels der Kugelpfanne 7 auf dem hydraulischen Spielausgleichselement 8 ab.
• An dem Ventilschaft 9 des Gaswechsel-Hubventils 5 greift der Hebel 10 des Rollenschlepphebels 4 an. Der Ventilschaft 9 weist den sich in Längsrichtung des Ventils 5 erstreckenden Abschnitt 11 mit einem verringerten Durchmesser auf. Auf dem Abschnitt 11 ist eine Federtelleranordnung, enthaltend den Federteller 12 sowie Kegelstücke 13 und 14, mit geringem radialen Spiel verschiebbar gelagert. Die Kegelstücke 13 und 14 sind halbzylinderförmig ausgebildet und grenzen an die gemeinsame Trennfläche T, die senkrecht zur Nockenwelle 3 verläuft. An dem Kragen 15 des Federtellers 12 greift die Ventilschließfeder 16 an, welche anderenends im Zylinderkopf 1 abgestützt ist.
• In dem Hebel 10 ist die hohlzylindrische Kammer 17 ausgebildet, die ein in eine erste und eine zweite Stellung 18 bzw. 19 verschiebbares Koppel- oder Verriegelungselement 20 aufnimmt. Die über die Kegelstücke 13 und 14 mit dem Federteller 12 korrespondierende Wandung 21 der Kammer 17 weist die Öffnung 22 mit einem Durchmesser auf, der größer bemessen ist als der des Ventilschaftendes 9'.
• Im Zylinderkopf 1 ist die als Bohrung 23 ausgebildete Druckmittelzufuhr 24 angeordnet, die in einem Bereich geringster Relativbewegung zwischen Zylinderkopf 1 und Rollenschlepphebel 4, nämlich an der Kugelpfanne 7, an die in dem Rollenschlepphebel 4 ausgebildete Druckmittelleitung 25 angeschlossen ist. An dem der Druckmittelleitung 25 gegenüberliegenden Ende 26 ist die Kammer 17 mit dem Deckel 27 verschlossen, der eine Verbindung 28 zur Atmosphäre aufweist.
• Das Koppel- oder Verriegelungselement ist als Kugel ausgebildet und wird mittels der Leitung 25 mit pneumatischem Über- bzw. Unterdruck beaufschlagt. Bei in der ersten Stellung 18 befindlichem Koppel- oder Verriegelungselement 20 ist das Gaswechselventil 5 aktiviert und formschlüssig mit dem Rollenschlepphebel 4 verbunden. Der maximale Nockenhub 29 wird von dem Nocken 2 aus über die Rolle 31 – es können auch mehrere Rollen vorhanden sein – auf den Rollenschlepphebel 4 übertragen, der sich an dem Spielausgleichselement 8 abstützend an dem Ende 26 in Richtung Ventilöffnung bewegt.
• Durch Aufbringen eines Unterdrucks, z.B. aus einem Saugrohr der Brennkraftmaschine, während der Grundkreisphase des Nockens 2 wird das Koppelelement 20 in die zweite Stellung 19 verschoben. Bei der anschließenden weiteren Rotation des Nockens 2 wird durch ihren Hub der Hebel 10 des Rollenschlepphebels 4 gleichsam über den freien Endbereich des Ventilschafts 9 geschoben. Dabei bleibt das Gaswechselventil 5 in seiner Schließstellung stehen, während die Wandung 21 mit ihrer Wälzkontur 21a durch formschlüssige Anlage an den Kegelstücken 13 und 14 den Federteller 12 entgegen der Kraft der Ventilschließfeder 16 entlang des Abschnitts 11 verschiebt.
• Wesentlich ist nun die Tatsache, daß während der Wirksamkeit der Grundkreisphase 32 des Nockens 2, während der also Bewegungen des Koppelelements 20 zwischen seinen beiden Stellungen 18 und 19 in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen erfolgen können, zwischen dem Koppelelement 20 einerseits und dem als Druckfläche dienenden Ende des Ventilschafts 9 ein Mindestspalt 30 gewahrt bleibt, so daß durch das Ventil die Bewegungen des Koppelelements 20 nicht beeinflußt werden.
• Andererseits ist die Länge des Ventilschaftendes so bemessen und der Verlauf der Wälzkurve 21a so gewählt, daß während der Wirksamkeit des eigentlichen Nockens, also außerhalb der Nockengrundkreisphase 32, der Kontakt zwischen der Wälzkontur 21a und der Federtelleranordnung aufgehoben, dagegen aber unter Beseitigung des Mindestspalts 30 der Kontakt zwischen dem Ventilschaft 9 einerseits und dem Koppelelement 20 andererseits hergestellt wird. Dabei spielt die Tatsache eine Rolle, daß der während der zeichnerisch angenommenen Nockengrundkreisphase 32 vorliegende, annähernd rechte Winkel zwischen den Achsen der Kammer 17 des Hebels 10 und des Ventilschafts 9 größer wird und demgemäß in der Darstellung der 1 weiter rechts liegende, eingezogene Bereiche der Wälzkontur 21a in Wirkstellung gelangen.
• Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist also sichergestellt, daß zumindest während der letzten Hälfte der Hubbewegung des Ventils 5, die mit negativen Ventilbeschleunigungen verbunden ist, die Kräfte der Ventilschließfeder 16 den Ventilschaft gegen den Umfang des Koppelelements 20 drücken.
• Wenn anstelle einer Kugel als Koppelelement 20 ein kolbenartiges Bauteil Einsatz findet, kann dieses mit einer entsprechenden Wälzkontur für das Ventilschaftende ausgerüstet sein, die so gestaltet ist, daß sie die oben beschriebene Spielveränderung zumindest unterstützt.
• In den weiteren Figuren sind die bereits behandelten Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
• Betrachtet man 2, so erkennt man den Dichtkolben 40, der sich gegen die bei Verschiebung des kugelförmigen Koppelelements 20 in seine gezeichnete erste Stellung druckbeaufschlagte Seite des Koppelelements 20 legt. Durch diese Kombination eines kugelförmigen Koppelelements 20 mit einem Dichtkolben 40 werden die Vorteile von Kugel und Kolben in diesem Einsatzfall summiert, also die Nachteile vermieden.
• Während in der Ausführungsform nach 2 der Dichtkolben 40 eine ebene freie Oberfläche aufweist, hat der Dichtkolben 41 in der Ausführungsform nach 3 eine Oberfläche, deren Form der Form der gegenüberstehenden Begrenzungsfläche 42 der Kammer 17 angepaßt ist.
• In der Ausführungsform nach 4 ist der Dichtkolben mit 43 bezeichnet. Er hat eine zentrale Öffnung, die konkav ausgeführt und damit dem Umfang der Kugel 20 angepaßt ist, die teilweise durch diese Öffnung hindurchtritt.
• Der Dichtkolben 44 in der Ausführungsform nach 5 schließlich ist praktisch wie der Dichtkolben 43 in 4 geformt, jedoch steht er unter der Wirkung der Druckfeder 45, so daß auch das Koppelelement 20 stets in Richtung auf seine erste Stellung kraftbeaufschlagt ist.
• Der Zusammenhalt zwischen Dichtkolben und Koppelelement kann dadurch vergrößert werden, daß durch entsprechende Materialwahl eine magnetische Haftung zwischen beiden hergestellt wird. In jedem Fall wird man für eine Ölbenetzung der gegenseitigen Berührungsflächen von Koppelelement und Dichtkolben sorgen.
• Wie auch diese Beschreibung von Ausführungsbeispielen erkennen läßt, kann die Konstruktion im einzelnen so getroffen werden, daß eine maximale Bauraumausnutzung erfolgt (Ausführungsform des Dichtkolbens gemäß 3) bzw. daß beispielsweise durch die zentrale Ausnehmung im Dichtkolben ein besonders guter Kontakt zwischen diesem und dem Koppelelement hergestellt wird.

Claims (6)

1. Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit einem in einem Zylinderkopf zwischen einer Nockenwelle und mindestens einem desaktivierbaren Gaswechsel-Hubventil angeordneten Übertragungselement in Form eines Schlepp-, Rollenschlepp- oder Kipphebels, in dem ein druckmittelbetätigt im Wesentlichen quer zur Achse des Hubventils derart verschiebbares Koppelelement angeordnet ist, daß in einer ersten, das Ventil aktivierenden Stellung des Koppelelements, ein Nockenhub über das Übertragungselement und das Koppelelement auf das Ventil übertragen wird und in einer zweiten, das Ventil desaktivierenden Stellung eine Relativbewegung des Übertragungselements gegenüber dem Ventil in Form eines Leerhubs ermöglicht ist, und mit einer sich zylinderkopfseitig abstützenden Ventilschließfeder, welche an einer Federtelleranordnung des Gaswechselventils angreift, die sich bei in der zweiten Stellung befindlichem Koppelelement an einer Wälzkontur des Übertragungselements abstützt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkontur (21a) und bei in seiner ersten Stellung (18) befindlichem Koppelelement (20) einander gegenüberstehende Druckflächen an diesem und dem Ventil (5) derart ausgelegt sind, daß sich die Federtelleranordnung (12) im Wesentlichen nur während der Nockengrundkreisphase (31) unter Wahrung eines Minimalspalts (30) zwischen den Druckflächen an der Wälzkontur (21a) abstützt, dagegen in der Nockenhubphase durch Änderung des Winkels zwischen der Wälzkontur (21a) und der Federtelleranordnung (12) diese Abstützung aufgehoben und bei in der ersten Stellung (18) befindlichem Koppelelement (20) unter Beseitigung des Mindestspalts (30) der Kontakt zwischen einem Ventilschaft (9) des Gaswechsel-Hubventils (5) einerseits und dem Koppelelement (20) andererseits hergestellt ist.
2. Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhebung der Abstützung spätestens bei Erreichen des halben Öffnungshubs des Ventils (5) erfolgt.
3. Ventiltrieb nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen sich an dem Koppelelement (20) bezüglich seiner Bewegung in die erste Stellung (18) druckseitig abstützenden Dichtkolben (40), wobei durch eine entsprechende Materialwahl für den Dichtkolben (40, 41, 43, 44) und das Koppelelement (20) eine magnetische Haftung zwischen beiden hergestellt ist.
4. Ventiltrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtkolben (40, 41, 43, 44) ringartig mit einer zentralen Öffnung ausgebildet ist.
5. Ventiltrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Koppelelement (20) abgekehrte Fläche des Dichtkolbens (40, 41, 43, 44) entsprechend einer zugekehrten Begrenzungsfläche (42) einer das Koppelelement (20) aufnehmenden Kammer (17) im Übertragungselement (4) geformt ist.
6. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtkolben (40, 41, 43, 44) in Richtung Koppelelement (20) federkraftbeaufschlagt (45) ist.

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