DE102005056012A1

DE102005056012A1 - Hydraulische Ventilsteuervorrichtung für ein Hubventil

Info

Publication number: DE102005056012A1
Application number: DE102005056012A
Authority: DE
Inventors: Volker Cornelius
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-11-24
Filing date: 2005-11-24
Publication date: 2007-06-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Ventilsteuervorrichtung für ein Hubventil (10), insbesondere ein Gaswechselventil, insbesondere einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Hauptkolben (16), welcher mit einem Venmtilschaft (14) des Hubventils (10) verbunden ist, und einer Hydraulikhülse (18), in der der Hauptkolben (16) und der Ventilschaft (14) geführt sind, wobei in der Hydraulikhülse (16) ein erster Hydraulikdruckraum (20), ein Entspannungsraum (26) und ein zweiter Hydraulikdruckraum (24) ausgebildet sind, wobei der Hauptkolben (16) eine Steuerkante (28) aufweist, die in Schließstellung des Hubventils (10) radial von innen an einer Innenfläche (30) der Hydraulikhülse (18) anschlägt und den zweiten Hydraulikdruckraum (24) vom Entspannungsraum (26) abtrennt, wobei die Steuerkante (28) des Hauptkolbens (16) und die Innenfläche (18) der Hydraulikhülse (18) derart ausgebildet sind, dass ausgehend von einer Schließstellung des Hubventils (10) nach einem vorbestimmten Hub (40) des Hubventils (10) in Öffnungsrichtung zwischen der Steuerkante (28) und der Innenfläche (30) der Hydraulikhülse (18) eine fluidleitende Verbindung zwischen dem zweiten Hydraulikdruckraum (24) und dem Entspannungsraum (26) öffnet. Hierbei ragt der Hauptkolben (16) in den ersten Hydraulikdruckraum (20) mit einer ersten, in Richtung einer Schließstellung des Hubventils (10) hydraulisch wirksamen Fläche hinein, wobei die Steuerkante (28) des Hauptkolbens (16) derart ...

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Ventilsteuervorrichtung für ein Hubventil, insbesondere ein Gaswechselventil, insbesondere einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Hauptkolben, welcher mit einem Ventilschaft des Hubventils verbunden ist, und einer Hydraulikhülse, in der der Hauptkolben und der Ventilschaft geführt sind, wobei in der Hydraulikhülse ein erster Hydraulikdruckraum, ein Entspannungsraum und ein zweiter Hydraulikdruckraum ausgebildet ist, wobei der Hauptkolben eine Steuerkante aufweist, die in Schließstellung des Hubventils radial von innen an einer Innenfläche der Hydraulikhülse anschlägt und den zweiten Hydraulikdruckraum vom Entspannungsraum abtrennt, wobei die Steuerkante des Hauptkolbens und die Innenfläche der Hydraulikhülse derart ausgebildet sind, dass ausgehend von einer Schließstellung des Hubventils nach einem vorbestimmten Hub des Hubventils in Öffnungsrichtung zwischen der Steuerkante und der Innenfläche der Hydraulikhülse eine fluidleitende Verbindung zwischen dem zweiten Hydraulikdruckraum und dem Entspannungsraum öffnet, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 195 01 495 C1 ist eine hydraulische Ventilsteuervorrichtung für ein Hubventil mit einem Ventilschaft bekannt, die insbesondere in einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei der Ventilschaft mit einem in einem Arbeitsraum angeordneten und mit einer Arbeitsflüssigkeit doppelseitig beaufschlagbaren Steuerkolben verbunden ist. Der Druck der Arbeitsflüssigkeit im Arbeitsraum ist über eine Druckquelle nebst Schaltventil und Versorgungsleitung regelbar. Der Steuerkolben umfasst beidseitig je einen Tauchkolben, der in oberer und unterer Endstellung des Steuerkolbens in jeweilige Druckräume eintaucht und den jeweiligen Druckraum vom Arbeitsraum abtrennt. Die hydraulisch wirksamen Flächen oberhalb und unterhalb des Steuerkolbens sind identisch ausgebildet, so dass während des Weges des Steuerkolbens von einer der beiden Endstellungen in die andere der Hydraulikdruck in dem Arbeitsraum keinen Einfluss auf die Bewegung des Steuerkolbens hat. Erst wenn der Steuerkolben in einen der Druckräume neben dem Arbeitsraum eintaucht, ergibt sich eine Differenz der wirksamen Fläche zwischen den axialen Enden des Steuerkolbens, so dass der Druck im Arbeitsraum den Steuerkolben und damit das Hubventil in der jeweiligen Stellung hält, bis der Druck in dem Arbeitsraum reduziert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Ventilsteuervorrichtung der o.g. Art bzgl. Funktion und mechanischem Aufbau zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine hydraulische Ventilsteuervorrichtung der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Dazu ist es bei einer hydraulischen Ventilsteuervorrichtung der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Hauptkolben in den ersten Hydraulikdruckraum mit einer ersten, in Richtung einer Schließstellung des Hubventils hydraulisch wirksamen Fläche hinein ragt, die Steuerkante des Hauptkolbens derart ausgebildet ist, dass der Hauptkolben in dem zweiten Hydraulikdruckraum bei voneinander getrenntem zweiten Hydraulikdruckraum und Entspannungsraum eine zweite, in Richtung der Öffnungsstellung hydraulisch wirksame Fläche aufweist, welche größer ist als die erste hydraulisch wirksame Fläche und der Hauptkolben bei geöffneter, fluidleitender Verbindung zwischen dem zweiten Hydraulikdruckraum und dem Entspannungsraum in dem Entspannungsraum eine dritte, in Richtung der Öffnungsstellung hydraulisch wirksame Fläche aufweist, welche kleiner als die zweite hydraulisch wirksame Fläche und größer als die erste hydraulisch wirksame Fläche ist.

Dies hat den Vorteil, dass die hydraulische Betätigung des Hubventils in Öffnungsrichtung trotz konstantem Hydraulikdruck in dem zweiten Hydraulikdruckraum und dem Entspannungsraum, d.h. ohne die Notwendigkeit einer Regelung oder Steuerung der Größe des Hydraulikdruckes, mittels einer zweistufigen Kraft erfolgt, wobei die Betätigungskraft über den vorbestimmten Hub in Öffnungsrichtung (erste Stufe der Kraft) größer ist als für den Rest des Öffnungshubes des Hubventils (zweite Stufe der Kraft). Gleichzeitig muss nach dem vorbestimmten Hub in Öffnungsrichtung für den weiteren Hub des Hubventils in Öffnungsrichtung mit niedrigerer Kraft kein weiteres Hydraulikfluidvolumen mehr bewegt werden, wodurch sich ein niedrigerer Energiebedarf für die hydraulische Ventilbetätigung ergibt. Durch die erhöhte Anfangskraft der Hubbetätigung des Hubventils kann dieses auch gegen hohe Gegendrücke und gegen das zu komprimierende Hydraulikfluid in dem Entspannungsraum geöffnet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Hydraulikraum mit einem Hydraulikventil verbunden, welches den zweiten Hydraulikdruckraum wahlweise mit Hydraulikdruck beaufschlagt und ist der erste Hydraulikdruckraum permanent mit einer Hydraulikdruckquelle verbunden.

Dadurch, dass der Entspannungsraum abgesehen von der fluidleitenden Verbindung über die Steuerkante ein abgeschlossener Raum ist, muss bei der Hubbewegung kein Hydraulikfluid von dem Entspannungsraum abtransportiert werden, was zusätzliche Arbeit erfordern würde.

Dadurch, dass ein Abschnitt der Innenwandung des zweiten Hydraulikdruckraumes derart ausgebildet ist, dass dieser den Hauptkolben in axialer Richtung führt, ist ein funktionssicheres Zurückgleiten der Steuerkante des Hauptkolbens in den radialen Anschlag mit der Innenwandung der Hydraulikhülse bei einer Hubbewegung des Hubventils zurück in die Schließstellung des Hubventils ohne verkannten oder hängen bleiben gewährleistet.

Zweckmäßigerweise ist ein Hydraulikfluid für die hydraulische Ventilsteuervorrichtung Kraftstoff und eine Hydraulikdruckquelle für die hydraulische Ventilsteuervorrichtung eine Kraftstoffhochdruckpumpe.

Beispielsweise beträgt der vorbestimmte Hub in Öffnungsrichtung 0,1 mm bis 3 mm, insbesondere 1 mm.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist in dem Entspannungsraum eine Schraubendruckfeder angeordnet, welche sich mit einem Ende an der Hydraulikhülse und mit einem gegenüberliegenden Ende an dem Hauptkolben abstützt und den Hauptkolben in Richtung Schließstellung des Hubventils mit Kraft beaufschlagt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen hydraulische Ventilsteuervorrichtung am Beispiel eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine in Schnittansicht und
2 die hydraulische Ventilsteuervorrichtung von 1 in vergrößerter Schnittansicht.
Die 1 und 2 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen hydraulischen Ventilsteuervorrichtung für ein Gaswechselventil 10 in einem Zylinderkopf 12 einer ansonsten nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine. Das Gaswechselventil 10 weist einen Ventilschaft 14 auf. Die hydraulische Ventilsteuervorrichtung weist einen Hauptkolben 16, welcher mit dem Ventilschaft 14 verbunden ist, und eine Hydraulikhülse 18 auf. Der Hauptkolben 16 und der Ventilschaft 14 sind in der Hydraulikhülse 18 axial bewegbar geführt, so dass die Hydraulikhülse 18 zusammen mit dem Ventilschaft 14 eine Hubbewegung zum Öffnen bzw. Schließen des Gaswechselventils 10 ausführen kann.
Die Hydraulikhülse 18 bildet einen ersten Hydraulikdruckraum 20 aus, welcher über eine Hochdruckleitung 22 permanent mit einer Hydraulikdruckquelle (nicht dargestellt) verbunden ist. Als Hydraulikfluid dient bevorzugt Kraftstoff und die Hydraulikquelle ist dann eine Kraftstoffhochdruckpumpe der Brennkraftmaschine. Die Hochdruckleitung 22 ist Teil eines Kraftstoffvorlaufes, in dem Kraftstoff unter hohem Druck entsprechenden Kraftstoffeinspritzdüsen zugeführt wird. Die vorliegende hydraulische Ventilsteuervorrichtung nutzt diesen hohen Druck des Kraftstoffs als Hydraulikdruck. In dem ersten Hydraulikdruckraum 20 herrscht somit immer der Hochdruck des Kraftstoffvorlaufes. In den ersten Hydraulikdruckraum 20 ragt der Hauptkolben 16 mit einem unteren Ende hinein und bildet dadurch eine erste, in Richtung der Schließstellung des Gaswechselventils 10 hydraulisch wirksame Fläche aus, d.h. der in dem ersten Hydraulikdruckraum 20 herrschende Druck führt zusammen mit der hydraulisch wirksame Fläche des Hauptkolbens 16 gemäß der physikalischen Gesetzmäßigkeit Kraft ist gleich Druck mal Fläche zu einer entsprechenden Kraft in Schließrichtung des Gaswechselventils 10.
Die Hydraulikhülse 18 bildet ferner einen zweiten Hydraulikdruckraum 24 und einen Entspannungsraum 26 aus, die axial voneinander und dem ersten Hydraulikdruckraum 20 beabstandet sind. Der Hauptkolben 16 weist eine Steuerkante 28 auf, die in Schließstellung des Gaswechselventils 10, wie in 1 und 2 dargestellt, radial von innen an eine Innenwand 30 der Hydraulikhülse 18 anschlägt und dadurch den zweiten Hydraulikdruckraum 24 von dem Entspannungsraum 26 abtrennt. Die Steuerkante 28 ist dabei als ein radial nach außen erhabener Abschnitt des Hauptkolbens 16 ausgebildet und die Innenwand 30 ist in diesem Bereich als radial nach innen erhabener Abschnitt 32 der Hydraulikhülse 18 ausgebildet, die jeweils in axialer Richtung eine vorbestimmte Breite aufweisen. Dadurch wird der Anschlag zwischen Steuerkante 28 und erhabenem Abschnitt 32 der Innenwand 30 der Hydraulikhülse 18 aufgehoben, wenn das Gaswechselventil 10 einen vorbestimmten Hub 40 ausgehend von der Schließstellung in Richtung der Öffnungsstellung des Gaswechselventils 10 ausführt. Dadurch öffnet sich zwangsläufig eine fluidleitende Verbindung zwischen dem zweiten Hydraulikdruckraum 24 und dem Entspannungsraum 26, so dass ein Druckausgleich zwischen diesen beiden Räumen stattfindet.
In dem Zylinderkopf 12 ist ferner ein Hydraulikventil 34 angeordnet, welches einerseits mit der Hochdruckleitung 22 und andererseits über eine Hydraulikleitung 36 mit dem zweiten Hydraulikdruckraum 24 verbunden ist. Das Hydraulikventil 34 ist derart ausgebildet, dass es den zweiten Hydraulikdruckraum 24 wahlweise mit dem Hydraulikdruck in der Hochdruckleitung 22 beaufschlagt, oder mit einer Rücklaufleitung 38 verbindet, so dass sich ein Hydraulikdruck im zweiten Hydraulikdruckraum 24 abbaut bzw. kleiner wird als im ersten Hydraulikdruckraum 20.
Die Steuerkante 28 des Hauptkolbens bildet in dem zweiten Hydraulikraum 24 in Schließstellung des Gaswechselventils 10 eine zweite, in Richtung Öffnungsstellung des Gaswechselventils 10 hydraulisch wirksame Fläche aus, die größer ist, als die erste hydraulisch wirksame Fläche. Dadurch resultiert bei gleichem Hydraulikdruck im ersten und zweiten Hydraulikraum 20, 24 eine in Richtung Öffnungsstellung des Gaswechselventils 10 gerichtete Kraft auf den Hauptkolben 16. Diese Flächendifferenz ist derart ausgebildet, dass sich eine sehr hohe Kraft ergibt, die das Gaswechselventil 10 auch gegen Höhe Gegendrücke in einem Brennraum der Brennkraftmaschine öffnet und den in dem zweiten Hydraulikdruckraum 24 vorhandenen Kraftstoff so weit komprimiert, dass der Hauptkolben 16 und damit das Gaswechselventil 10 den vorbestimmten Hub 40 ausführt. Danach erfolgt, wie zuvor beschrieben, der Druckausgleich zwischen dem zweiten Hochdruckraum 24 und dem Entspannungsraum 26. Dadurch wird ein Teil der Fläche der Steuerkante 28 hydraulisch inaktiv, da der Hochdruck aus der Hochdruckleitung nun axial beidseitig der Steuerkante herrscht. Die Steuerkante 28 ist jedoch derart ausgebildet, dass die sich nunmehr ergebende dritte, in Öffnungsrichtung des Gaswechselventils 10 hydraulisch wirksame Fläche zwar kleiner ist als die zweite hydraulisch wirksame Fläche, aber immer noch größer als die erste hydraulisch wirksame Fläche. Somit ergibt sich immer noch eine resultierende Kraft auf den Hauptkolben 16 in Richtung Öffnungsstellung des Gaswechselventils 10, die jedoch kleiner ist als die Kraft während des anfänglichen vorbestimmten Hubes 40. Somit erfolgt das Öffnen des Gaswechselventils 10 in zwei Stufen mit zwei unterschiedlichen Kräften, die ausschließlich über die hydraulisch aktiven Flächen des Hauptkolbens 16 bestimmt werden.
In dem zweiten Hydraulikdruckraum 24 oberhalb des Anschlages der Steuerkante 28 an dem erhabenen Abschnitt 32 der Innenwand 30 ist die Innenwand des zweiten Hydraulikdruckraumes 24 eingezogen, so dass der Hauptkolben 16 nahe dem Anschlag der Steuerkante 28 axial geführt ist. Dies stellt sicher, dass bei dem Rückhub des Gaswechselventils 10 in Schließstellung die Steuerkante 28 genau in die Öffnung des erhabenen Abschnittes 32 der Innenwand 30 eingeführt wird und nicht verkanntet oder hängen bleibt. Dieser Schließehub des Gaswechselventils 10 wird dadurch erreicht, dass das Hydraulikventil 34 den zweiten Druckraum mit der Rücklaufleitung 38 verbindet, so dass sich der Hydraulikdruck in dem zweiten Hydraulikdruckraum 24 und dem Entspannungsraum 26 abbaut und die erste hydraulisch wirksame Fläche mit dem Hydraulikdruck im ersten Hydraulikdruckraum 20 zu einer resultierenden Kraft in Richtung der Schließstellung des Gaswechselventils führt.
In dem Entspannungsraum 26 ist zusätzlich eine Schraubendruckfeder 42 angeordnet, die sich einerseits an der Hydraulikhülse 18 und andererseits an einer umlaufenden Erhebung 44 an dem Hauptkolben 16 abstützt und eine Vorspannkraft in Richtung Schließstellung des Gaswechselventils 10 ausübt. Diese Feder 42 unterstützt den Schließhub des Gaswechselventils 10 und sorgt dafür, dass auch ohne Hydraulikdruck in dem ersten Hydraulikraum das Gaswechselventil 10 geschlossen bleibt.

Claims

Hydraulische Ventilsteuervorrichtung für ein Hubventil (10), insbesondere ein Gaswechselventil, insbesondere einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Hauptkolben (16), welcher mit einem Ventilschaft (14) des Hubventils (10) verbunden ist, und einer Hydraulikhülse (18), in der der Hauptkolben (16) und der Ventilschaft (14) geführt sind, wobei in der Hydraulikhülse (16) ein erster Hydraulikdruckraum (20), ein Entspannungsraum (26) und ein zweiter Hydraulikdruckraum (24) ausgebildet ist, wobei der Hauptkolben (16) eine Steuerkante (28) aufweist, die in Schließstellung des Hubventils (10) radial von innen an einer Innenfläche (30) der Hydraulikhülse (18) anschlägt und den zweiten Hydraulikdruckraum (24) vom Entspannungsraum (26) abtrennt, wobei die Steuerkante (28) des Hauptkolbens (16) und die Innenfläche (18) der Hydraulikhülse (18) derart ausgebildet sind, dass ausgehend von einer Schließstellung des Hubventils (10) nach einem vorbestimmten Hub (40) des Hubventils (10) in Öffnungsrichtung zwischen der Steuerkante (28) und der Innenfläche (30) der Hydraulikhülse (18) eine fluidleitende Verbindung zwischen dem zweiten Hydraulikdruckraum (24) und dem Entspannungsraum (26) öffnet, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkolben (16) in den ersten Hydraulikdruckraum (20) mit einer ersten, in Richtung einer Schließstellung des Hubventils (10) hydraulisch wirksamen Fläche hinein ragt, wobei die Steuerkante (28) des Hauptkolbens (16) derart ausgebildet ist, dass der Hauptkolben (16) in dem zweiten Hydraulikdruckraum (24) bei voneinander getrenntem zweiten Hydraulikdruckraum (24) und Entspannungsraum (26) eine zweite, in Richtung der Öffnungsstellung des Hubventils (10) hydraulisch wirksame Fläche aufweist, welche größer ist als die erste hydraulisch wirksame Fläche und der Hauptkolben (16) bei geöffneter, fluidleitender Verbindung zwischen dem zweiten Hydraulikdruckraum (24) und dem Entspannungsraum (26) in dem Entspannungsraum (26) eine dritte, in Richtung der Öffnungsstellung des Hubventils (10) hydraulisch wirksame Fläche aufweist, welche kleiner als die zweite hydraulisch wirksame Fläche und größer als die erste hydraulisch wirksame Fläche ist.
Hydraulische Ventilsteuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Hydraulikraum (24) mit einem Hydraulikventil (34) verbunden ist, welches den zweiten Hydraulikdruckraum (24) wahlweise mit Hydraulikdruck beaufschlagt.
Hydraulische Ventilsteuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hydraulikdruckraum (20) permanent mit einer Hydraulikdruckquelle (22) verbunden ist.
Hydraulische Ventilsteuervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Entspannungsraum (26) abgesehen von der fluidleitenden Verbindung über die Steuerkante (28) ein abgeschlossener Raum ist.
Hydraulische Ventilsteuervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt der Innenwandung (18) des zweiten Hydraulikdruckraumes (24) derart ausgebildet ist, dass dieser den Hauptkolben (16) in axialer Richtung führt.
Hydraulische Ventilsteuervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hydraulikfluid für die hydraulische Ventilsteuervorrichtung Kraftstoff und eine Hydraulikdruckquelle für die hydraulische Ventilsteuervorrichtung eine Kraftstoffhochdruckpumpe ist.
Hydraulische Ventilsteuervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Hub (40) in Öffnungsrichtung 0,1 mm bis 3 mm, insbesondere 1 mm, beträgt.
Hydraulische Ventilsteuervorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Entspannungsraum (26) eine Schraubendruckfeder (42) angeordnet ist, welche sich mit einem Ende an der Hydraulikhülse (18) und mit einem gegenüberliegenden Ende an dem Hauptkolben (16) abstützt und den Hauptkolben (16) in Richtung Schließstellung des Hubventils (10) mit Kraft beaufschlagt.