DE102006018587A1

DE102006018587A1 - Ventilbetätigungsvorrichtung, insbesondere für Gaswechselventile von Hubkolbenbrennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE102006018587A1
Application number: DE102006018587A
Authority: DE
Inventors: Harald Elendt; Frank Dipl. Ing. Himsel
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2007-10-25

Abstract

Ventilbetätigungsvorrichtung, insbesondere für Gaswechselventile von Hubkolbenbrennkraftmaschinen, mit zumindest einem Piezoaktuator (4), der intermittierende mittels einer Übertragungsvorrichtung mit dem Ventil oder einem mit dem Ventil verbundenen Bauteil, vorzugsweise mit dem Ventilschaft (17), verbindbar ist, wobei die Übertragungsvorrichtung in einem Gehäuse (1) oder einem Zylinderkopf der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet ist, und mit einer Druckfeder (8), die zwischen der Übertragungsvorrichtung und dem Gehäuse (1) oder Zylinderkopf angeordnet ist, wobei die Übertragungsvorrichtung als steuerbare Klemmvorrichtung (Klemmhülse 9, Druckraum 10) ausgebildet ist, die hydraulisch betätigbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Ventilbetätigungsvorrichtung, insbesondere für Gaswechselventile von Hubkolbenbrennkraftmaschinen, mit zumindest einem Piezoaktuator, der intermittierend mittels einer Übertragungsvorrichtung mit dem Ventil oder einem mit dem Ventil verbundenen Bauteil, vorzugsweise mit dem Ventilschaft, verbindbar ist, wobei die Übertragungsvorrichtung in einem Gehäuse oder einem Zylinderkopf der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet ist, und mit einer Druckfeder, die zwischen der Übertragungsvorrichtung und dem Gehäuse oder Zylinderkopf angeordnet ist.
Hintergrund der Erfindung
Eine derartige gattungsbildende Ventilbetätigungsvorrichtung ist aus der DE 10 2004 012 389 A1 bekannt. Bei dieser Ventilbetätigungsvorrichtung steht die Übertragungsvorrichtung mit einem Zwischenstück in Wirkverbindung, wobei das Zwischenstück mittels eines Bolzens in den Piezoaktuator reicht. Die Übertragungsvorrichtung weist ebenfalls Piezoaktuatoren auf, die den Ventilschaft intermittierend klemmen und dadurch die Längsbewegung des Piezoaktuators auf den Ventilschaft übertragen und damit intermittierend schrittweise das Ventil, insbesondere Gaswechselventil einer Hubkolbenbrennkraftmaschine öffnen. Weiterhin sind gehäusefest Piezoaktuatoren vorgesehen, die den Ventilschaft bei der Rückbewegung der Übertragungsvorrichtung festhalten und einklemmen.
Es hat sich herausgestellt, dass es sehr schwierig ist, in der Übertragungsvorrichtung Piezoaktuatoren einzubauen und diese zum Klemmen des Ventilschaftes während der Verschiebebewegung des Ventils durch den Piezoaktuator bzw. durch Druckfeder zu benutzen. Weiterhin erhöht sich durch das Zwischenstück und die Piezoaktuatoren die schnell zu beschleunigende Masse, was ebenfalls nicht erwünscht ist. Darüber hinaus ist es schwierig sich bewegende Piezoaktuatoren elektrisch anzusteuern.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine gattungsbildende Ventilbetätigungsvorrichtung dahingehend zu verbessern, dass die Übertragungsvorrichtung unter den verschiedensten Bedingungen im harten Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine sicher eine Übertragung der Kräfte des Piezoaktuators und der Druckfeder auf das Ventil ermöglicht, wobei eine langlebige, betriebssichere und kostengünstige Vorrichtung angestrebt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Übertragungsvorrichtung als steuerbare Klemmvorrichtung ausgebildet ist, die hydraulisch betätigbar ist. Diese hydraulische Klemmvorrichtung hat den Vorteil, dass sie die Klemmung zielsicherer vornehmen kann als die Piezoaktuatoren, und dass Klemmrillen, wie beim Stand der Technik, entfallen können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Klemmvorrichtung einen Hülsenkörper aufweist, mit dem dichtend eine Klemmhülse verbunden ist, die mit dem Hülsenkörper einen Druckraum bildet und den Ventilschaft oder einen Bolzen des mit dem Ventil verbundenen Bauteils umschließt und dass an den Druckraum eine Druckquelle anschließbar ist. Durch diese Ausgestaltung wird ein Klemmbereich geschaffen, der eine beliebige Erstreckung haben kann, wobei die Klemmhülse den Ventilschaft oder den Bolzen fest umschließt. Die Klemmhülse ist bezüglich ihrer Wandstärke und ihrer Werkstoffwahl so ausgebildet, dass sie Verschleiß minimierend den Ventilschaft oder den Bolzen langlebig kontaktieren kann und dass sie andererseits so elastisch ist, dass sie nach Druckabbau im Druckraum den Ventilschaft bzw. den Bolzen schnell wieder freigibt.
Der Hülsenkörper schließt dabei auf der einen axialen Seite kraftschlüssig an den Piezoaktuator an und auf der gegenüberliegenden Seite mittels eines Flanschstücks an die Druckfeder. Dadurch ist der Hülsenkörper so geführt, dass er dauernd am Piezoaktuator anliegt und andererseits der Bewegung des Piezoaktuators und der Druckfeder folgen kann.
Der Hülsenkörper ist dabei vorzugsweise mit leichtem Radialspiel im Gehäuse oder Zylinderkopf geführt, so dass eine gute Beweglichkeit gegeben ist und eine Doppelpassung im Gehäuse und im Zylinderkopf einerseits und über die Klemmhülse am Ventilschaft nicht zu befürchten ist.
Der Hülsenkörper ist auf beiden Axialseiten mittels je eines Dichtelements abgedichtet.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Druckquelle als Kolben-/Zylindereinheit ausgebildet ist, wobei der Kolben mittels einer, vorzugsweise als Druckfeder ausgebildeten, Feder in Richtung einer Vergrößerung des Hubraumes vorgespannt ist.
Dabei ist der Kolben der Kolben-/Zylindereinheit kraftschlüssig mit einem Piezoaktuatorelement verbunden, so dass der Kolben durch die Feder dauernd gegenüber dem Piezoaktuatorelement vorgespannt ist.
Zwischen der Druckquelle und dem Druckraum ist eine Steuerleitung angeschlossen, wobei die mit Flüssigkeit gefüllten Räume vakuumbefüllt sind, damit keine Luft- bzw. Gaseinschlüsse vorliegen, die eine schnelle Reaktion des Druckraumes durch die Druckquelle verhindern könnten.
An die Steuerleitung kann auch eine Befüll-, insbesondere Leckageleitung, angeschlossen sein, die ebenfalls eine sichere Befüllung der mit Flüssigkeit gefüllten Räume sicherstellt und Leckverluste ausgleicht. Auch der Kolben der Kolben-/Zylindereinheit ist gegenüber dem Zylindergehäuse mittels eines Dichtringes abgedichtet, wobei dieser Dichtring und das Dichtelement auf der dem Piezoaktuator abgewandten Seite des Hülsenkörpers zwischen einem Flansch am Kolben und am Hülsenkörper sowie einer Abstufung am Zylindergehäuse der Kolben-/Zylindereinheit und dem Gehäuse oder Zylinderkopf eingesetzt sind. Dieses Dichtelement und der Dichtring sind von besonderer Bedeutung, da sie einerseits eine sichere Abdichtung gewährleisten sollen, andererseits aber eine solche Elastizität aufweisen müssen, dass sie die Hubbewegungen des Piezoaktuators und des Piezoaktuatorelements sicher elastisch aufnehmen können, wobei auch hier lange Standzeiten wünschenswert sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt ist.
Es zeigen:
1: einen Schnitt durch eine Ventilbetätigungsvorrichtung gemäß der Erfindung mit Schnitt durch eine zugeordnete Druckquelle.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
In 1 ist mit 1 ein Gehäuse bezeichnet, in dem die Ventilbetätigungsvorrichtung untergebracht ist. Je nach Anzahl der Zylinder der Hubkolbenbrennkraftmaschine gibt es eine Vielzahl von Betätigungsvorrichtung, die entsprechend der Anordnung der Gaswechselventile untergebracht sind. In dem Gehäuse 1 ist ein mit 2 bezeichneter Hülsenkörper eingebaut, der in einer Aussparung des Gehäuses 1 eingesetzt ist. An den Hülsenkörper 2 schließt sich ein Druckkolben 3 an, der mit einem Piezoaktuator 4 in Verbindung steht. Zwischen dem Druckkolben 3 und dem Hülsenkörper 2 ist ein mit 5 bezeichnetes Dichtelement angeordnet, das in einer Aussparung des Druckkolbens eingesetzt ist. Auf der gegenüberliegenden Seite weist der Hülsenkörper einen Flansch 6 auf, an dem ein weiteres Dichtelement 5 anliegt, das sich weiterhin am Gehäuse 1 in radialer Richtung und axial an einer Abstufung im Gehäuse 1 abstützt. Der Hülsenkörper 2 weist eine auf der dem Druckkolben 3 abgewandten Seite eine Verlängerung auf, an der ein Flanschstück 7 befestigt ist, an das sich eine Druckfeder 8 anschließt, die sich weiterhin auf einem Absatz des Gehäuse 1 abstützt.
In einer zentralen Öffnung des Hülsenkörpers 2 ist eine Klemmhülse 9 angeordnet, die an ihren Enden dichtend mit dem Hülsenkörper 2 verbunden ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bildet die Klemmhülse 9 und das Flanschstück 7 ein einstückiges Bauteil. Die Klemmhülse 9 bildet mit dem Hülsenkörper 2 einen Druckraum 10, an den eine Steuerleitung 11 angeschlossen ist, die radial durch den Hülsenkörper 2 und das Gehäuse 1 zu einem Hubraum 12 führt, in dem eine Feder 13 angeordnet ist. Der Hubraum 12 wird weiterhin durch einen Kolben 14 einer Kolben-/Zylindereinheit begrenzt, der mit dem Piezoaktuatorelement 15 in Wirkverbindung steht. Der Kolben 14 weist ebenfalls einen Flansch 6 auf, an dem sich ein Dichtring 16 anschließt, der sich radial am Gehäuse 1 und axial an einer Stufenfläche des Gehäuses 1 abstützt.
In der Klemmhülse 9 ist ein Ventilschaft 17 angeordnet, der mit leichtem Spiel gegenüber der Klemmhülse 9 geführt ist.
Die Wirkungsweise der Ventilbetätigungsvorrichtung ist wie folgt: Befindet sich das Ventil und damit der Ventilschaft 17 in einer geschlossenen Stellung, so wird zum Öffnen des Ventils zunächst durch Betätigung des Piezoaktuatorelements 15 und eine darauf folgende Bewegung des Kolbens 14 ein Druck in dem Druckraum 10 erzeugt. Die Klemmhülse 9 klemmt daraufhin den Ventilschaft 17, so dass die durch eine Betätigung des Piezoaktuators hervorgerufene Bewegung des Hülsenkörpers den Ventilschaft in Richtung des Pfeils in 1 bewegt.
Am Ende der Hubbewegung des Piezoaktuators 4 erfolgt die Festlegung des Ventilschaftes 17 durch eine nicht dargestellte Einrichtung, die elektrisch, hydraulisch oder auch mechanisch ausgebildet sein kann. Es kann sich dabei auch um eine Rasteinrichtung mit Rastkerben handeln, wobei der Abstand der Rastkerben der Hubbewegung des Piezoaktuators 4 zugeordnet sein sollte. Es kann sich dabei aber auch um eine Einrichtung handeln, die hydraulisch, ähnlich der Klemmvorrichtung, ausgeführt ist oder auch um eine Einrichtung mit Piezoaktuatoren, ähnlich oder entsprechend dem Stand der Technik.
Danach erfolgt durch Deaktivierung des Piezoaktuatorelements 15 ein Druckabbau im Druckraum 10, so dass die Klemmhülse 9 sich vom Ventilschaft 17 löst. Nach Deaktivierung des Piezoaktuators 4 verschiebt die Druckfeder 8 den Hülsenkörper 2 in eine Richtung entgegen dem Pfeil in 1, so dass durch erneute Betätigung des Piezoaktuatorelements mit Klemmen des Ventilschaftes 17 in der Klemmhülse und mit Betätigung des Piezoaktuators 4 eine neue Hubbewegung des Gaswechselventils erfolgen kann.
Eine Schließbewegung des Gaswechselventils erfolgt ebenfalls durch Ein- und Ausschalten des Piezoaktuators 4 in Verbindung mit der Rückbewegung des Hülsenkörpers 2 durch die Druckfeder, wobei allerdings in Abweichung zu der Öffnungsbewegung des Gaswechselventils das Piezoaktuatorelement 15 dann betätigt wird und der Druckaufbau im Druckraum 10 dann erfolgt, wenn der Hülsenkörper 2 von der Druckfeder entgegen dem Pfeil in 1 bewegt wird.

1: Gehäuse
2: Hülsenkörper
3: Druckkolben
4: Piezoaktuator
5: Dichtelemente
6: Flansche
7: Flanschstück
8: Druckfeder
9: Klemmhülse
10: Druckraum
11: Steuerleitung
12: Hubraum
13: Feder
14: Kolben
15: Piezoaktuatorelement
16: Dichtring
17: Ventilschaft

Claims

Ventilbetätigungsvorrichtung, insbesondere für Gaswechselventile von Hubkolbenbrennkraftmaschinen, mit zumindest einem Piezoaktuator (4), der intermittierend mittels einer Übertragungsvorrichtung mit dem Ventil oder einem mit dem Ventil verbundenen Bauteil, vorzugsweise mit dem Ventilschaft (17), verbindbar ist, wobei die Übertragungsvorrichtung in einem Gehäuse (1) oder einem Zylinderkopf der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet ist, und mit einer Druckfeder (8), die zwischen der Übertragungsvorrichtung und dem Gehäuse (1) oder Zylinderkopf angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsvorrichtung als steuerbare Klemmvorrichtung (Klemmhülse 9, Druckraum 10) ausgebildet ist, die hydraulisch betätigbar ist.
Ventilbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmvorrichtung einen Hülsenkörper (2) aufweist, mit dem dichtend eine Klemmhülse (9) verbunden ist, die mit dem Hülsenkörper (2) einen Druckraum (10) bildet und den Ventilschaft (17) oder einen Bolzen des mit dem Ventil verbundenen Bauteils umschließt, und dass an den Druckraum (10) eine Druckquelle anschließbar ist.
Ventilbetätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hülsenkörper (2) auf der einen axialen Seite kraftschlüssig mit dem Piezoaktuator (4) und auf der gegenüberliegenden Seite mittels eines Flanschstückes (7) mit der Druckfeder (8) in Wirkverbindung steht.
Ventilbetätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hülsenkörper (2) mit radialem Spiel im Gehäuse (1) oder Zylinderkopf geführt ist.
Ventilbetätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hülsenkörper (2) auf der einen axialen Seite und der gegenüberliegenden Seite gegenüber dem Gehäuse (1) oder Zylinderkopf mittels je eines Dichtelements (5) abgedichtet ist.
Ventilbetätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hülsenkörper (2) zumindest im Umfang der Hubbewegung des Piezoaktuators (4) im Gehäuse 1 oder Zylinderkopf axial verschiebbar geführt ist.
Ventilbetätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckquelle als Kolben-/Zylindereinheit ausgebildet ist, wobei der Kolben (14) mittels einer vorzugsweise als Druckfeder ausgebildeten Feder (13) in Richtung einer Vergrößerung des Hubraums (12) vorgespannt ist.
Ventilbetätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (14) der Kolben-/Zylindereinheit kraftschlüssig mit einem Piezoaktuatorelement (15) verbunden ist.
Ventilbetätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Druckquelle und dem Druckraum (10) eine Steuerleitung (11) angeschlossen ist und dass die mit Flüssigkeit gefüllten Räume vakuumbefüllt sind.
Ventilbetätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an die Steuerleitung (11) eine Befüll-, insbesondere Leckageleitung, angeschlossen ist.
Ventilbetätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (14) der Kolben-/Zylindereinheit gegenüber dem Zylindergehäuse mittels eines Dichtringes (16) abgedichtet ist.
Ventilbetätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (14) der Kolben-/Zylindereinheit und der Hülsenkörper (2) auf seiner dem Piezoaktuator gegenüberliegenden Seite je einen Flansch (6) aufweisen sowie das zugeordnete Zylindergehäuse und das zugeordnete Gehäuse (1) oder der Zylinderkopf je eine Abstufung derart haben, dass der Dichtring (16) zwischen dem Kolben (14), dem Flansch (6), dem Zylindergehäuse und der Abstufung und dass das Dichtelement (5) zwischen dem Hülsenkörper (2), dem Flansch (6), dem Gehäuse (1) oder Zylinderkopf und der Abstufung angeordnet sind, und dass die Kompresssibilität des Dichtringes (16) und des Dichtelements (5) so groß gewählt ist, dass sie die Hubbewegungen des Piezoaktuators (4) und des Piezoaktuatorelements (15) elastisch aufnehmen.