DE102005043947A1

DE102005043947A1 - Hydraulisches Ventilspielausgleichselement für einen Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102005043947A1
Application number: DE200510043947
Authority: DE
Inventors: Oliver Dipl.-Ing. Schnell; Peter Sailer
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2005-09-15
Publication date: 2007-03-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Ventilspielausgleichselement für einen Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors, mit einem einer Betätigungseinrichtung zur Betätigung eines Gaswechselventils zugeordneten zylindrischen Gehäuse (2), in dem ein Kolben (3) mit einem Dichtspiel geführt ist, wobei das Gehäuse (2) und der Kolben (3) über eine Druckfeder (9) in Wirkverbindung mit der Betätigungseinrichtung aufeinander elastisch abgestützt sind, und mit einem Steuerventil (5) mit einem Steuerventilschließkörper (11), welches zwischen einem Niederdruckraum (6) des Kolbens (3) und einem Hochdruckraum (7) des Gehäuses (2) an einem Kolbenboden (4) angeordnet ist, bei dem der Steuerventilschließkörper (11) über eine Steuerventilfeder (12) in Öffnungsrichtung (13), begrenzt durch eine Anschlagfläche (19) einer Ventilkappe (17), beaufschlagt ist und bei einem Druckaufbau in dem Hochdruckraum (7) während einer Ventilhubbewegung zur Betätigung des Gaswechselventils gegen die Wirkung der Steuerventilfeder (12), begrenzt durch einen eine Axialbohrung (10) des Kolbenbodens (4) umgebenden Ventilsitz (21), in Schließrichtung (14) beaufschlagbar ist, wobei sich die Schließzeit des Steuerventils (5) mit der drehzahlabhängigen Geschwindigkeit der Ventilhubbewegung ändert. Um einen hydraulischen Ventilspielausgleich in der Reverse Spring-Bauweise mit einem für den thermischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors günstigeren Leerhubverhalten des Steuerventils zu schaffen, ist vorgesehen, dass ...

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein hydraulisches Ventilspielausgleichselement für einen Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors, mit einem einer Betätigungseinrichtung zur Betätigung eines Gaswechselventils zugeordneten zylindrischen Gehäuse, in dem ein Kolben mit einem Dichtspiel geführt ist, wobei das Gehäuse und der Kolben über eine Druckfeder in Wirkverbindung mit der Betätigungseinrichtung aufeinander elastisch abgestützt sind, und mit einem Steuerventil mit einem Steuerventilschließkörper, welches zwischen einem Niederdruckraum des Kolbens und einem Hochdruckraum des Gehäuses an einem Kolbenboden angeordnet ist, bei dem der Steuerventilschließkörper über eine Steuerventilfeder in Öffnungsrichtung, begrenzt durch eine Anschlagfläche einer Ventilkappe beaufschlagt ist und bei einem Druckaufbau in dem Hochdruckraum während einer Ventilhubbewegung zur Betätigung des Gaswechselventils, gegen die Wirkung der Steuerventilfeder, begrenzt durch einen eine Axialbohrung des Kolbenbodens umgebenden Ventilsitz, in Schließrichtung beaufschlagbar ist, wobei sich die Schließzeit des Steuerventils mit der drehzahlabhängigen Geschwindigkeit der Ventilhubbewegung ändert.
Hintergrund der Erfindung
Zwischen den Betätigungselementen (Schlepphebel, Kipphebel, Tassenstößel) zur Betätigung der Gaswechselventile und diesen Gaswechselventilen in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges ist ein Ventilspiel, also ein variabler Abstand erforderlich, der sich durch die Wärmeausdehnung und den Verschleiß der Übertragungselemente des von einer Nockenwelle ausgehenden Nockenhubs auf die Gaswechselventile ergibt. Um eine einwandfreie Arbeitsweise des Verbrennungsmotors zu gewährleisten, muss dieses Spiel in engen Toleranzgrenzen eingestellt oder für einen automatischen Ausgleich gesorgt werden. Ein zu kleines oder zu großes Ventilspiel kann zu erhöhtem Verschleiß der Ventile, zu verstärkter Geräuschbildung und zu Einbußen bei der Motorleistung führen.
Hydraulische Ventilspielausgleichselemente dienen dem selbständigen Ausgleich dieses Spiels, so dass keine Ventilspieleinstellung erforderlich ist. Dadurch soll ein möglichst geräuscharmer und verschleißarmer Ventiltrieb sowie eine weitestgehende Übereinstimmung von Nockenerhebung und Ventilhub erreicht werden. Darüber hinaus können die hydraulischen Ausgleichselemente als Hilfselemente zur variablen Ventilsteuerung der Öffnungs- und Schließzeiten der Ein- und Auslassventile genutzt werden.
Die Ausgleichselemente sind üblicherweise an den Betätigungselementen der Gaswechselventile angeordnet und als hydraulische Stößel ausgebildet, mit einem als ein Rückschlagventil ausgebildeten Steuerventil, das einen Steuerventilschließköper und eine Steuerventilfeder, die den Steuerventilschließkörper beaufschlagt, aufweist. Bei der Standardbauweise des Steuerventils wird der Steuerventilschließkörper von der Steuerventilfeder in Schließrichtung mit einer Federkraft beaufschlagt. Dadurch ist das Steuerventil überwiegend geschlossen und es entfällt ein Leerhub des Ventilspielausgleichselements. Bei dieser Bauweise kann jedoch ein Aufpumpen des Steuerventils mit einem negativen Ventilspiel nicht ausgeschlossen werden, was im ungünstigsten Fall zu Motorschäden führen kann.
Diese Nachteile werden von Steuerventilen vermieden, deren Steuerventilfeder die Steuerventilkugel in Öffnungsrichtung mit einer Kraft beaufschlagt wird. Hydraulische Ventilspielausgleichselemente mit einem derartigen Steuerventil werden wegen der umgekehrten Anordnung der Steuerventilfeder hydraulische Reverse Spring-Ventilausgleichselemente (RSHVA) oder auch Normally Open Lash Adjuster (NOLA) genannt. Diese Ausgleichselemente besitzen einen positiven Einfluss auf Thermodynamik, Schadstoffemission und mechanische Beanspruchung des Verbrennungsmotors und werden deshalb in zunehmendem Maße eingesetzt.
Bei der Standardbauweise ist das Steuerventil im Grundkreisbereich des Nockens der Nockenwelle durch die Kraft der Steuerventilfeder überwiegend geschlossen. Bei einem RSHVA wird das Steuerventil in diesem Bereich durch die Kraft der Steuerventilfeder offen gehaltert. Da das RSHVA erst durch den mit Beginn der Nockenerhebung einsetzenden, vom Hoch- zum Niederdruckraum fließenden Strom des Steueröls durch hydrodynamische und hydrostatische Kräfte geschlossen werden kann, besitzt das RSHVA vor Beginn des Ventilhubs immer einen Leerhub. Dieser Leerhub ist üblicherweise bei der Leerlaufdrehzahl des Motors am größten und nimmt mit steigender Drehzahl näherungsweise linear ab.
Der große Leerhub im Leerlauf wirkt reduzierend auf eine Überschneidung der Ventilöffnungs- und Schließzeiten zwischen den Einlassventilen und Auslassventilen, wodurch sich der Restgasgehalt bei der Verbrennung im Zylinderbrennraum verringert. Dies steigert die Leerlaufqualität des Motors. Mit zunehmender Drehzahl nimmt der Leerhub ab. Da zur Erzielung eines hohen Motordrehmomentes eine möglichst hohe Zylinderfüllung erforderlich ist, besteht die Forderung den Leerhub bei steigender Drehzahl, im Idealfall bereits geringfügig oberhalb der Leerlaufdrehzahl, schnell zu reduzieren, also eine steiler abfallende Leerhubcharakteristik zu erzeugen, im Vergleich zu der üblichen linear abfallenden Verlaufskurve. Wünschenswerte wäre ein großer Leerhub im Leerlauf und ein minimaler Leerhub dicht oberhalb der Leerlaufdrehzahl.

Hydraulische Ventilausgleichselemente in der Reverse Spring – Bauweise sind beispielsweise aus der US 4 054 109 , der US 5 758 613 und der JP 61 185607 A bekannt, bei denen der Leerhub des RSHVAs mit steigender Drehzahl abnimmt. Weitere RSHVAs sind aus der unveröffentlichten DE 10 2004 018 386 A1 und der unveröffentlichten DE 10 2005 010 711 A1 bekannt. Darin werden Führungshilfen zur Führung einer Steuerventilkugel beschrieben, um unkontrollierbare Leerhubtoleranzen des Steuerventils zu vermeiden.

In der unveröffentlichten DE 10 2004 035 588 A1 ist ein weiteres RSHVA beschrieben, bei dem Hilfen zum Ausgleich des Einflusses der Öltemperatur des Steueröls auf die Schließzeit des Steuerventils und damit auf den Leerhub des Steuerventils vorgesehen sind.

Bei den bekannten RSHVAs nimmt der Leerhub mit der Motordrehzahl zwar ab, es ist jedoch kein Hinweise darauf bekannt, wie der Lehrhubverlauf des Steuerventils über die Drehzahl im Hinblick auf eine optimale Ausnutzung des Verbrennungsmotors verbessert werden kann.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydraulischen Ventilspielausgleich in der Reverse Spring – Bauweise mit einem für den thermischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors günstigeren Leerhubverhalten des Steuerventils zu schaffen.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Leerhub eines Reverse Spring – Hydraulischen Ventilspielausgleichselements (RSHVA), der bei dieser Bauweise erzeugt wird, weil das Steuerventil des Ventilsspielausgleichs zunächst geschlossen werden muss bevor ein Ventilhub übertragen werden kann, durch eine gezielte Beeinflussung des Steueröl-Volumenstromes, der den Steuerventilschließkörper bei dem Schließvorgang des Steuerventils umströmt, verändert werden kann.

Weiterhin liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass es mit dem Steuerventil zugeordneten strömungssensitiven Mitteln möglich ist, den über die Nockengeschwindigkeit hervorgerufenen drehzahlabhängigen Verlauf dieses Volumenstroms zu variieren und damit einen gewünschten Verlauf des Leerhubes über die Drehzahl einzustellen.

Die Erfindung geht daher aus von einem hydraulischen Ventilspielausgleichselement für einen Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors, mit einem einer Betätigungseinrichtung zur Betätigung eines Gaswechselventils zugeordneten zylindrischen Gehäuse, in dem ein Kolben mit einem Dichtspiel geführt ist, wobei das Gehäuse und der Kolben über eine Druckfeder in Wirkverbindung mit der Betätigungseinrichtung aufeinander elastisch abgestützt sind. Zudem weist dieses Ventilspielausgleichselement ein Steuerventil mit einem Steuerventilschließkörper auf, welches zwischen einem Niederdruckraum des Kolbens und einem Hochdruckraum des Gehäuses an einem Kolbenboden angeordnet ist, bei dem der Steuerventilschließkörper über eine Steuerventilfeder in Öffnungsrichtung, begrenzt durch eine Anschlagfläche einer Ventilkappe beaufschlagt ist und bei einem Druckaufbau in dem Hochdruckraum während einer Ventilhubbewegung zur Betätigung des Gaswechselventils, gegen die Wirkung der Steuerventilfeder, begrenzt durch einen eine Axialbohrung des Kolbenbodens umgebenden Ventilsitz, in Schließrichtung beaufschlagbar ist, wobei sich die Schließzeit des Steuerventils mit der drehzahlabhängigen Geschwindigkeit der Ventilhubbewegung ändert.

Außerdem ist bei diesem Ventilspielausgleichselement gemäß der Erfindung vorgesehen, dass in dem Niederdruckraum, benachbart zu der zentralen Axialbohrung, strömungsempfindliche, die Schließzeit des Steuerventils beeinflussende Mittel angeordnet sind, über die ein vorgebbarer drehzahlabhängiger Verlauf der Schließzeit des Steuerventils einstellbar ist.

Durch diesen Aufbau wird vorteilhaft erreicht, dass die Drehzahlabhängigkeit des Leerhubs des hydraulischen Ventilspielsausgleichs einstellbar ist. Insbesondere kann bei der Leerlaufdrehzahl ein vergleichsweise großer Leerhub erzeugt werden und bei steigender Drehzahl eine vergleichsweise schnellere Leerhubverringerung eingestellt werden, welches sich für den thermischen Wirkungsgrad des Motors günstig auswirkt.

Wenn der Nocken durch die über den Verbrennungsmotor angetriebene Nockenwelle auf das Betätigungselement des Gaswechselventils, beispielsweise einen Rollenschlepphebel drückt, schließt das als Rückschlagventil ausgebildete Steuerventil des an dem Schlepphebel angeordneten hydraulischen Ventilspielausgleichelements und es kommt zum Druckaufbau im Hochdruckraum. Das Ventilspielausgleichelement wirkt beim Öffnen des Gaswechselventils wie ein starres Element, da sich das Öl im Hochdruckraum nicht komprimieren lässt.

Lässt der Nockendruck bei der Weiterbewegung nach, d.h. das Gaswechselventil wird wieder geschlossen, entspannen sich Kolben und Zylinder, der Druck im Hochdruckraum sinkt, das Steuerventil öffnet und der Ausgleichsvorgang setzt ein, bei dem Öl vom Niederdruckraum in den Hochdruckraum nachgesaugt wird. Die Druckfeder spreizt nun Gehäuse und Kolben, so dass kein Ventilspiel zwischen Schlepphebel und Nockenwelle vorhanden ist.

Bei dem Schließvorgang des Steuerventils ist es der Steueröl-Volumenstrom, der an dem Steuerventilschließkörper (vorteilhaft als Steuerventilkugel ausgebildet) vorbei durch den Ventilsitz vom Hochdruckraum zum Niederdruckraum strömt und an dem Steuerventilschließkörper ein Druckgefälle erzeugt, wodurch der Ventilkörper hydrodynamisch mit einer Kraft beaufschlagt wird und gegen die Kraft der Steuerventilfeder (Reverse Spring) das Steuerventil schließt.

Bei einer Ventilbetätigung des Gaswechselventils ergibt sich der Volumenstrom dV/dt vom Hochdruckraum zum Niederdruckraum des Ventilspielausgleichs elements aus der Geschwindigkeit v_N, mit der der Nocken das Ausgleichselement komprimiert und aus dem wirksamen Strömungsquerschnitt A des Ausgleichselements nach der Beziehung dV/dt = v_N·A.

Die Nockengeschwindigkeit ist bei Leerlaufdrehzahlen am niedrigsten, folglich wird im Leerlauf ein geringer Volumenstrom erzeugt. Dadurch bleibt der Ventilschließkörper länger geöffnet und es wird mehr Leerhub erzeugt. Mit steigender Drehzahl steigt auch die Nockengeschwindigkeit und der größere Volumenstrom bewirkt ein schnelleres Schließen des Ventilschließkörpers, also weniger Leerhub.

Durch die erfindungsgemäßen strömungsempfindlichen Mittel ist der wirksame Strömungsquerschnitt A veränderlich. Insbesondere kann bei zunehmender Nockengeschwindigkeit, ausgehend von einer verringerten Querschnittsfläche im Leerlauf, die Querschnittsfläche überproportional zur Drehzahlzunahme erhöht werden, welches zu einer überproportionalen Erhöhung des Volumenstroms und damit zu einem vergleichsweise schnelleren Schließen des Steuerventils führt. Dadurch ergibt sich ein schnellerer Abfall des Leerhubs mit zunehmender Motordrehzahl, wodurch eine bessere Zylinderfüllung und damit das höchstmögliche Motordrehmoment bereits unmittelbar oberhalb der Leerlaufdrehzahl erreichbar ist.

Die Komponenten des Steuerventils und der Steuerölversorgung können also so ausgelegt werden, dass unmittelbar oberhalb der Leerlaufdrehzahl der zur Erzielung des maximal möglichen Drehmoments erforderliche hohe Volumenstrom erzeugbar ist. Während mit Hilfe der erfindungsgemäßen strömungsempfindlichen Mittel im Leerlaufbereich der Volumenstrom stark reduziert wird und damit ein für den Leerlauf günstiger großer Leerhub erzeugt wird, können die strömungsempfindlichen Mittel oberhalb der Leerlaufdrehzahl den hohen Volumenstrom passieren lassen. Somit ergibt sich insgesamt eine günstigere Leerhubcharakteristik des RSHVAs.

Außerdem kann vorgesehen sein, dass ein erstes strömungsempfindliches Mittel als ein geschlitztes Diaphragma ausgebildet ist, dessen durch die Schlitze gebildeten Klappen sich in Abhängigkeit des bei einer Ventilhubbewegung sich ergebenden, den Steuerventilschließkörper umströmenden hydraulischen Volumenstroms, öffnen.

Das erfindungsgemäße geschlitzte Diaphragma ermöglicht auf besonders einfache Weise eine Manipulation des wirksamen Strömungsquerschnitts. Das Diaphragma bleibt bei einem geringen Volumenstrom, also bei Leerlaufdrehzahl, in seiner Grundposition, d.h. es ist bis auf einen minimalen Durchfluss nahezu geschlossen. Folglich ergibt sich ein besonders großer Leerhub.

Bei einer Erhöhung des Volumenstroms infolge steigender Drehzahl öffnet sich das Diaphragma entlang der Schlitze, wobei die Klappenteile in Richtung zum Niederdruckraum aufklappen. Zusätzlich zu der steigenden Nockengeschwindigkeit erhöht sich somit die wirksame Querschnittsfläche und der Volumenstrom steigt schnell an. Als Folge davon schließt sich das Steuerventil schneller und erzeugt lediglich einen geringen Leerhub. Vorteilhaft ist das geschlitzte Diaphragma so ausgelegt, dass dieser Vorgang bereits bei Drehzahlen knapp über der Leerlaufdrehzahl einsetzt.

Grundsätzlich ist das Diaphragma an jede gewünschte Leerhubcharakteristik anpassbar. Dazu kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der drehzahlabhängige Verlauf der Schließzeit des Steuerventils über die Anzahl und Größe der an dem Diaphragma ausgebildeten Schlitze variierbar ist oder/und über die Materialeigenschaften des Diaphragmas variierbar ist oder/und über die Stärke beziehungsweise Wanddicke des Diaphragmas variierbar ist.

Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Klappen des Diaphragmas beidseitig, in Richtung des Niederdruckraums und in Richtung des Hochdruckraums beweglich sind. Dadurch wird auch bei umgekehrter Strömungsrichtung eine hohe Funktionalität des Ventilspielausgleichs hergestellt und somit in jeder Betriebssituation gewährleistet. Beim Nachsaugen von Öl vom Niederdruck raum in den Hochdruckraum wird ein effektiver Ausgleichsvorgang gewährleistet. Bei einem Kaltstart des Motors können die Klappen ebenfalls in umgekehrter Richtung öffnen und lassen somit viel Volumenstrom zum Nachsaugen passieren.

Gemäß einer Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein zweites strömungsempfindliches Mittel als eine dem Kolbenboden näherungsweise angepasste gelochte Hülse ausgebildet ist, die benachbart zu der Axialbohrung in dem Niederdruckraum beweglich gelagert ist. Der Stellweg der Hülse kann auf der dem Steuerventil abgewandten Seite durch ein Sicherungselement begrenzt sein. Das Sicherungselement kann als ein an der Innenwand des Kolbens befestigter Sicherungsring ausgebildet sein.

Die gelochte Hülse liegt bei keinem oder einem geringem Volumenstrom, also im Leerlauf der Brennkraftmaschine, an dem Kolbenboden an, so dass nur durch eine benachbart zu der Axialbohrung gelegene zentrale Lochung der Hülse Öl in Richtung des Niederdruckraums passiert. In Folge der hydrodynamischen Kräfte des erhöhten Volumenstroms bei steigender Drehzahl wird die Hülse angehoben und gibt weitere Öffnungen frei, die vorher durch den Kolbenboden verdeckt waren. Dadurch kann schlagartig wesentlich mehr Steueröl passieren, welches wiederum zur schnelleren Schließung des Steuerventils und zur schnelleren Verringerung des Leerhubs führt. Dabei wird die Bewegung der Hülse nach oben sinnvoll durch einen Sicherungsring begrenzt, so dass unkontrollierte Bewegungen der Hülse in dem Niederdruckraum ausgeschlossen werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Darin zeigt

1 einen Abschnitt eines Längsschnitts durch ein Reverse Spring – hydraulisches Ventilausgleichselement (RSHVA) mit einem Diaphragma als strömungsempfindlichem Mittel,

2 das Diaphragma gemäß 1 in einer Draufsicht,

3a einen Kolben des RSHVAs mit dem Diaphragma bei einer Leerlaufdrehzahl,

3b den Kolben des RSHVAs mit dem Diaphragma bei einer höheren Drehzahl,

3c den Kolben des RSHVAs mit dem Diaphragma bei einem Kaltstart,

4a den Kolben des RSHVAs mit einer gelochten Hülse als strömungsempfindlichem Mittel bei einer Leerlaufdrehzahl,

4b den Kolben des RSHVAs mit der gelochten Hülse bei einer höheren Drehzahl, und

5 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Leerhubcharakteristik des RSHVAs.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die 1 zeigt ein hydraulisches Reverse Spring – Ventilspielausgleichselement (RSHVA), das als ein hydraulischer Stößel 1 ausgebildet ist. Der Stößel 1 weist ein zylindrisches Gehäuse 2 auf, in dem ein Kolben 3 mit einem Dichtspiel beweglich geführt ist. An einem Kolbenboden 4 ist ein Steuerventil 5 ausgebildet, das einen Niederdruckraum 6, der im Inneren des Kolbens 3 angeordnet ist, von einem Hockdruckraum 7, der unterhalb des Kolbenbodens 4 von dem Gehäuse 2 umschlossen ist, trennt. Der Niederdruckraum 6 dient als Ölvorratsraum für das Steueröl zur Versorgung des Stößels 1 und ist über einen nicht dargestellten Versorgungskanal mit dem Steueröl speisbar.
Zwischen einem Boden 8 des Hochdruckraums 7 und dem Kolbenboden 4 ist eine Schraubendruckfeder 9 (Kolbenfeder) angeordnet, die das Gehäuse 2 und den Kolben 3 gegeneinander elastisch abstützt und in an sich bekannter Weise für den Ventilspielausgleich zwischen einem nicht dargestellten Gaswechselventil und einer ebenfalls nicht dargestellten Betätigungseinrichtung (beispielsweise einem Rollensschlepphebel) sorgt.
Das Steuerventil 5 ist unterhalb einer zentralen Axialbohrung 10 des Kolbenbodens 4 angeordnet, die den Niederdruckraum 6 und den Hochdruckraum 7 verbindet. Es besteht aus einem Steuerventilschließkörper 11, vorteilhaft als eine Steuerventilkugel ausgebildet, die von einer vorteilhaft als Schraubendruckfeder ausgebildeten Steuerventilfeder 12, der Reverse Spring, in Öffnungsrichtung 13 mit einer Federkraft beaufschlagt ist.
Die Axialbohrung 10 weist eine Erweiterung 15 auf, in der die Steuerventilfeder 12 geführt ist. Die Steuerventilfeder 12 stützt sich zwischen einer Schulter 16 der Erweiterung 15 und der Steuerventilkugel 11 ab. Die Steuerventilkugel 11 ist von einer Ventilkappe 17 mit einem seitlichen Spiel geführt. Die Ventilkappe 17 ist ihrerseits in einer Vertiefung 18 an der dem Hochdruckraum 7 zugewandten Außenseite des Kolbenbodens 4 befestigt, wo sie von der Kolbenfeder 9 mit deren Federkraft beaufschlagt wird.
Der Boden der Ventilkappe 17 ist als eine Anschlagfläche 19 ausgebildet, die als eine Hubbegrenzung für die Steuerventilkugel 11 dient. Zum Kolbenboden 4 hin wird der Hub 20 der Steuerventilkugel durch einen die Axialbohrung 10 umgebenden Ventilsitz 21 begrenzt, der als eine Dichtfläche der Steuerventilkugel 11 zwischen dem Hochdruckraum 7 und dem Niederdruckraum 6 wirksam ist.
Der Kolbenboden 4 weist an seiner dem Niederdruckraum 6 zugewandten Innenseite eine flache kegelförmige Einsenkung 22 auf, deren äußerer Bereich als Auflagefläche für ein als ein Diaphragma ausgebildetes strömungsempfindliches Mittel 23 dient. Das Diaphragma 23 ist in einen Rand 24 eingefasst, mit dem es an der den Niederdruckraum 6 einschließenden zylindrischen Innenwand 25 des Kolbens 3 dichtend befestigt ist.
In 2 ist das Diaphragma 23 in einer Draufsicht gezeigt. Es weist zwei sich zentrisch kreuzende Schlitze 26 auf, wodurch vier beidseitig, zum Hochdruckraum 7 beziehungsweise zum Niederdruckraum 6 bewegliche Viertelkreis-Klappen 27 gebildet sind.
4a und 4b zeigen eine zweite Ausführungsform mit einer gelochten Hülse als ein strömungsempfindliches Mittel 23'. Die Hülse 23' weist eine zentrale Bohrung 28 auf, die benachbart zu der Axialbohrung 10 liegt und weitere im Außenbereich angeordnete Bohrungen 29. Der Boden 30 der Hülse 23' ist der Einsenkung 22 des Kolbenbodens 4 annähernd angeglichen.
Die Hülse 23' ist in einen Rand 31 eingefasst, mit dem sie zu dem Niederdruckraum 6 lose, mit einem Dichtspiel zur Innenwand 25, auf einem inneren Bereich der Einsenkung 22 aufliegt. Die zylindrische Innenwand 25 des Kolbens 3 weist oberhalb der Hülse 23' eine Radialnut 32 auf, in der ein Sicherungsring 33 einrastbar ist. Der Sicherungsring 33 dient als eine Begrenzung, die einen Hub 34 der Hülse 23' begrenzt. Im Übrigen entspricht diese Anordnung dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1.
Die Funktionsweise des RSHVA gemäß der Erfindung wir im Folgenden erläutert:
Bei einer Betätigung des Gaswechselventils wirkt ein hydraulischer Ventilspielausgleich (HVA) mit einem herkömmlichen Steuerventil, dass in der Ausgangslage geschlossen ist, unmittelbar als ein starres Element, welches eine Nockenbeaufschlagung direkt an das Gaswechselventil weitergibt. Bei dem RSHVA hingegen muss während des Druckaufbaus im Hochdruckraum 7 zunächst das Steuerventil 5 geschlossen werden. Dabei wird die Steuerventilkugel 11 von einem Volumenstrom des vom Hochdruckraum 7 über die Axialbohrung 10 in den Niederdruckraum 6 in Schließrichtung 14 strömenden Öls beaufschlagt. Die Steuerventilkugel 11 überwindet dabei zunächst die Federkraft der Steuerventilfeder 12 bis sie an dem Ventilsitz 21 zur Anlage gelangt und das Steuerventil 5 schließt. Erst dann wirkt die Nockenbewegung auf das Gas wechselventil. Während dieses Schließvorgangs führen Kolben 3 und Gehäuse 2 eine Kompressionsbewegung durch, die sich als Leerhub des Ventilspielausgleichselements auswirkt.
Die 3a bis 3c zeigen drei verschiedene Betriebszustände des RSHVA mit dem Diaphragma 23 gemäß 2. In der 3a befindet sich das Diaphragma 23 in einer nahezu geschlossenen Grundstellung, also ohne Auslenkung der Klappen 27, da der das Diaphragma 23 passierende Volumenstrom sehr gering ist (angedeutet durch einen kurzen Pfeil in Schließrichtung 14). Dies entspricht einer geringen Nockengeschwindigkeit, also einer Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine. Da der Volumenstrom gering ist, ist die hydraulische Beaufschlagung der Steuerventilkugel 11 niedrig, dem entsprechend bleibt das Steuerventil 5 relativ lange geöffnet und das RSHVA erzeugt einen großen Leerhub des Ventiltriebs.
Mit steigender Motordrehzahl bzw. Nockenwellendrehzahl erhöht sich der Volumenstrom vom Hochdruckraum 7 zum Niederdruckraum 6 (3b). Dabei öffnet sich das Diaphragma 23 und lässt einen vergleichsweise stark ansteigenden Volumenstrom passieren (angedeutet durch einen langen Pfeil in Schließrichtung 14). Dem entsprechend schließt das Steuerventil 5 schneller und der Leerhub wird stark verringert.
Die 3c zeigt die Situation bei einem Kaltstart. Da in diesem Fall Öl vom Niederdruckraum 6 in den Hochdruckraum 7 gesaugt wird, öffnet sich das Diaphragma 23 in Richtung des Hochdruckraums 7 und lässt einen erhöhten Volumenstrom nach unten in Richtung zum Hochdruckraum 7 zu, so dass die volle Funktionsbereitschaft des RSHVA unmittelbar zur Verfügung steht (angedeutet durch einen langen Pfeil in Öffnungsrichtung 13). Zur Vereinfachung ist in den 3a bis 3c das Öffnen der Klappen 27 nicht explizit dargestellt, sondern nur durch eine Verformung des Diaphragmas 23 nach oben beziehungsweise nach unten angedeutet. Die jeweilige Positionsveränderung der Steuerventilkugel 11 ist in den Figuren ebenfalls nicht berücksichtigt.
Die 4a und 4b zeigen wiederum die Situation bei Leerlauf und bei steigender Drehzahl bei Verwendung der gelochten Hülse 23'. In 4a liegt die Hülse bei Leerlaufdrehzahl mit wenig Volumenstrom nach oben auf der Einsenkung 22 der Innenseite des Kolbenbodens 4 im Bereich der Axialbohrung 10 auf. Lediglich durch die mittige Bohrung 28 wird nennenswert Öl transportiert. Folglich wird ein großer Leerhub erzeugt.
In 4b ist die Hülse 23' aufgrund des erhöhten Volumenstroms durch die Axialbohrung 10 bei steigender Drehzahl um den Hub 34 angehoben. Durch die zusätzlichen Öffnungen 29 steigt der Volumenstrom stark an. Entsprechend reduziert sich der Leerhub vergleichsweise schneller.
Die Auswirkungen der strömungsempfindlichen Mittel 23, 23' auf die Drehzahl-Verlaufskurve des Leehubs wird abschließend in der 5 veranschaulicht:
5 zeigt ein Diagramm, in dem der Leerhub auf einer Ordinatenachse 35 gegen die Drehzahl auf einer Abszissenachse 36 aufgetragen ist. Ein Leerlaufbereich 37 der Brennkraftmaschine ist durch zwei gestrichelte Linien gekennzeichnet. Eine Verlaufskurve 38 gibt einen typischen Leerhubverlauf mit einem linearen Leerhubabfall nach dem Stand der Technik wieder. Eine Verlaufskurve 39 zeigt hingegen einen Leerhubverlauf mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung, wie er mit den strömungsempfindlichen Mitteln 23, 23' erzielbar ist. Während im Leerlaufbereich besonders viel Leerhub erzeugt wird, reduziert sich dieser bei steigender Drehzahl vergleichsweise schnell und ist schon bei relativ niedrigen Drehzahlen oberhalb der Leerlaufdrehzahl nur noch sehr gering.

1: Hydraulischer Stößel
2: Gehäuse
3: Kolben
4: Kolbenboden
5: Steuerventil
6: Niederdruckraum
7: Hochdruckraum
8: Hochdruckraumboden
9: Druckfeder/Kolbenfeder
10: Axialbohrung
11: Steuerventilschließkörper/Steuerventilkugel
12: Steuerventilfeder
13: Öffnungsrichtung
14: Schließrichtung
15: Erweiterung
16: Schulter
17: Ventilkappe
18: Kolbenbodenunterseite
19: Anschlagfläche
20: Steuerventil-Hub
21: Ventilsitz
22: Einsenkung
23: Strömungsempfindliches Mittel/Diaphragma
23': Strömungsempfindliches Mittel/Hülse
24: Diaphragma – Rand
25: Kolben – Innenwand
26: Diaphragma – Schlitz
27: Diaphragma – Klappe
28: Zentrale Hülsenbohrung
29: Äußere Hülsenbohrung
30: Hülsenboden
31: Hülsenrand
32: Radialnut
33: Sicherungselement
34: Stellweg/Hülsen-Hub
35: Ordinatenachse/Leerhub
36: Abszissenachse/Drehzahl
37: Leerlaufbereich
38: Linearer Leerhubverlauf (Stand der Technik)
39: Leerhubverlauf mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung

Claims

Hydraulisches Ventilspielausgleichselement für einen Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors, mit einem einer Betätigungseinrichtung zur Betätigung eines Gaswechselventils zugeordneten zylindrischen Gehäuse (2), in dem ein Kolben (3) mit einem Dichtspiel geführt ist, wobei das Gehäuse (2) und der Kolben (3) über eine Druckfeder (9) in Wirkverbindung mit der Betätigungseinrichtung aufeinander elastisch abgestützt sind, und mit einem Steuerventil (5) mit einem Steuerventilschließkörper (11), welches zwischen einem Niederdruckraum (6) des Kolbens (3) und einem Hochdruckraum (7) des Gehäuses (2) an einem Kolbenboden (4) angeordnet ist, bei dem der Steuerventilschließkörper (11) über eine Steuerventilfeder (12) in Öffnungsrichtung (13), begrenzt durch eine Anschlagfläche (19) einer Ventilkappe (17) beaufschlagt ist und bei einem Druckaufbau in dem Hochdruckraum (7) während einer Ventilhubbewegung zur Betätigung des Gaswechselventils, gegen die Wirkung der Steuerventilfeder (12), begrenzt durch einen eine Axialbohrung (10) des Kolbenbodens (4) umgebenden Ventilsitz (21), in Schließrichtung (14) beaufschlagbar ist, wobei sich die Schließzeit des Steuerventils (5) mit der drehzahlabhängigen Geschwindigkeit der Ventilhubbewegung ändert, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Niederdruckraum (6), benachbart zu der zentralen Axialbohrung (10), strömungsempfindliche, die Schließzeit des Steuerventils (5) beeinflussende Mittel (23, 23') angeordnet sind, über die ein vorgebbarer drehzahlabhängiger Verlauf der Schließzeit des Steuerventils (5) einstellbar ist.
Ventilspielausgleichselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes strömungsempfindliches Mittel (23) als ein geschlitztes Diaphragma ausgebildet ist, dessen durch die Schlitze (26) gebildeten Klappen (27) sich in Abhängigkeit des bei einer Ventilhubbewegung sich ergebenden, den Steuerventilschließkörper (11) umströmenden hydraulischen Volumenstroms, öffnen.
Ventilspielausgleichselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappen (27) beidseitig, in Richtung zum Niederdruckraum (6) und in Richtung zum Hochdruckraum (7) beweglich ausgebildet sind.
Ventilspielausgleichselement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der drehzahlabhängige Verlauf der Schließzeit des Steuerventils (5) über die Anzahl und Größe der an dem Diaphragma (23) ausgebildeten Schlitze (26) variierbar ist.
Ventilspielausgleichselement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der drehzahlabhängige Verlauf der Schließzeit des Steuerventils (5) über die Materialeigenschaften des Diaphragmas (23) variierbar ist.
Ventilspielausgleichselement nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der drehzahlabhängige Verlauf der Schließzeit des Steuerventils (5) über die Stärke bzw. Wanddicke des Diaphragmas (23) variierbar ist.
Ventilspielausgleichselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites strömungsempfindliches Mittel (23') als eine dem Kolbenboden (4) näherungsweise angepasste gelochte Hülse ausgebildet ist, die benachbart zu der Axialbohrung (10) in dem Niederdruckraum (6) beweglich gelagert ist.
Ventilspielausgleichselement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stellweg (34) der Hülse (23') auf der dem Steuerventil (5) abgewandten Seite durch ein Sicherungselement (33) begrenzt ist.
Ventilspielausgleichselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (33) als ein an der Innenwand (25) des Kolbens (3) befestigter Ring ausgebildet ist.
Ventilspielausgleichselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerventilschließkörper (11) als eine Steuerventilkugel ausgebildet ist.